探地雷达中蝶形振子天线的改进

探地雷达是进行地下环境无损探测的一种有效工具,用来探测和识别地下目标,比如水管、电力线和通信线路、考古方面的保护等.然而,传统的探地雷达系统在可靠性、分辨率、探测深度等方面存在不足.因此,改善被测信号特性,设计和开发更高性能的天线就显得很有必要.本文研制了一种贴片电阻加载的蝶形振子天线,用时域有限差分方法对其进行了分析,实际应用结果表明天线具有良好的波形保真度,良好的辐射特性和屏蔽效果.可以广泛地应用于探地雷达和其它超宽带系统.     

探地雷达扫频三维成像方法

基于惠更斯原理三维探地雷达数据叠加偏移处理方法,对实验数据进行了三维成象处理。７并用频域扫频方法产生宽频带信号,通信网络分析仪采集频域回波信号数据,获得高分辨率探地雷达所需要的窄脉冲信号。     

地下埋藏目标与分层粗糙面复合散射探地雷达回波特性研究

为了更好地解译探地雷达（ground-penetrating radar，GPR）回波数据，建立了一种二维时域有限差分模型，用于模拟地下分层结构（混凝土层/粘土层）和多个埋藏目标（金属板/条、空洞、水/油管）的GPR探测.对于该模型，地下分层结构中的分界面设置为粗糙界面，采用电磁微分高斯脉冲作为GPR源，并用单轴完全匹配层介质对计算区域边界进行截断以模拟无界区域.通过数值计算得到了探地雷达B-scan扫描的回波仿真结果，并讨论了埋藏深度、几何形状、介电常数、电导率等对回波散射特性的影响，以及目标受其上方不同粗糙度的粗糙界面影响而产生的回波形态的改变.该结果中显示的各个回波的形态、方位、振幅强弱以及到达的时间均与模型中各个结构的外形、位置、媒质特性及埋藏深度相一致，验证了该计算模型的有效性.     

多相离散随机介质探地雷达三维数值模拟

沥青混凝土是典型的多相离散随机介质, 为了研究探地雷达波在这种介质中的传播特征, 基于随机介质模型理论与统计学方法, 研究了沥青混凝土芯样的空间随机分布统计特征、各组成物质体积百分比、自相关函数及其特征参数(如自相关长度、自相关角度等), 基于量化约束多相离散随机介质模型建模算法, 构建了与之对应的多相离散随机介质三维模型.采用时域有限差分法建立了商用探地雷达蝶形天线的三维模型, 开展了多相离散随机介质探地雷达三维数值模拟.研究结果表明:多相离散随机介质模型不仅能全面、准确地描述沥青混凝土的介质特征, 而且可用于描述其他的复杂非均质混合物, 其模拟剖面与实测剖面相符, 有利于指导探地雷达沥青混凝土质量无损检测实测剖面的数据解译.     

超宽带探地雷达多目标压缩感知成像研究

压缩感知成像要求信号在某个域上能满足稀疏性要求,地下多目标在空域上降低了信号的稀疏性,导致成像出现散焦和虚像。扩大成像背景保证了稀疏性要求但又使得成像计算量上升,实时性不足。提出一种根据探地雷达回波特征预提取出潜在目标位置的压缩感知成像方法。通过对数据进行去噪、滑动矩阵过滤来确定目标的水平位置,再对水平位置处的几道A-Scan 数据进行极值搜索,从而可以提取出成像区域目标位置信息,进而在建立成像冗余字典时只需考虑目标位置处的字典元素,无目标处字典元素直接剔除,减少字典建立所需的元素,降低了压缩感知求解计算量。该方法由于只对潜在目标区域进行成像,因此在保证成像实时性的同时也保证了成像精度。实验结果表明算法可行、有效。     

基于Stolt偏移的探地雷达合成孔径成像研究

对探地雷达数据进行合成孔径处理可提高探地雷达图像的分辨力,有利于对地下目标的探测及精确定位.文中提出了一种新的stolt偏移插值实现方法,用于探地雷达合成孔径成像,它能克服传统方法中偏移能量不集中的缺点并保持处理速度快的优点,通过对实测数据进行处理,其结果表明该方法取得了很好的效果.     

基于互相关的探地雷达反向投影成像算法

该文基于探地雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)回波数据之间的互相关性,提出了一种用于抑制GPR成像中杂波干扰的反向投影(Back Projection, BP)成像算法。与标准BP算法相比,该文的互相关反向投影(Cross-correlated Back Projection, CBP)算法增加了数据间互相关运算的步骤,而且无需引入额外的参考信号通道。理论分析和实验结果均表明,CBP算法不仅抑制了标准BP算法成像结果中的杂波干扰,而且在一定程度上提高了成像分辨率。     

FDTD分析探地雷达天线的辐射特性

探地雷达系统一般采用超宽带短脉冲信号,因而其天线系统必须具有较好的宽带性能。只有几种类型的宽带天线能够用于探地雷达系统中,如电阻加载的蝶形天线、TEM喇叭天线及其变形形式。本文将给出一种新型的探地雷达天线,该天线为置于镜像面上且具有离散指数电阻加载的单偶极子。文中将采用FDTD计算和分析该天线在自由空间和有耗媒质上方时的辐射特性。结果表明,通过选择一定的电阻加载形式,可使天线具有较好的辐射波形,从而能够满足实际探地雷达的需要。最后,通过地下目标散射场的理论结果和实验结果说明了本文所采用方法的正确性。     

频率步进探地雷达的SAR成像处理方法

由于冲激脉冲探地雷达平均功率低,限制了其作用距离和探测深度,多用于近地表和浅低层探测。为了提高系统的作用距离和探测深度,常采用频率步进探地雷达。利用频率步进信号的大带宽和高平均功率的特点,不但可以提高作用距离和探测深度,而且成像分辨率可以大为改善。由于介质与空气的介电特性不一致,电磁波的传播路径和传播速度会发生相应的改变,常用的回波模型和合成孔径成像方法不再使用。本文推导出了频率步进探地雷达的回波信号模型,并结合SAR成像理论,针对地下目标探测的特点,提出了分层聚焦的SAR成像处理方法,取得了良好的效果。     

Railway Track Verification Using a Forward-Looking SAR GPR

It is a challenge to evaluate the conditions of railway track without interruption of regular traffic. In this paper, the authors introduce the detection of cavities under the railway substructure by using forward-looking ground penetrating radar （FLGPR）. Main advantages of FLGPR are that such a system can illuminate a large area and can stand off a long distance over its down-looking counterpart. Two methods, frequency wave-number （F-W） synthetic aperture imaging （SAI） and beam-forming by delay and sum （DAS）, are applied to process the collected data. Analysis and measuring show that the distinct radar image of the cavity beneath the substructure 1.2 m deep can be formed by these two methods.     

探地雷达交叉测线目标搜索和成象方法的研究

为了提高三维成象中探地雷达的探测效率，提出了一种利用交叉测线数据对地下目标进行位置搜索和成象的方法，并通过对实测数据的处理，验证了方法的有效性和可行性。     

基于核方法的探地雷达目标特征提取方法

把核方法引入探地雷达目标特征提取中,先对雷达特征数据进行基于核的非线性变换投影到高维空间;然后在高维空间应用传统的探地雷达目标特征提取方法（LDA方法和PCA方法）提取雷达数据特征。对PCA、LDA、基于核方法的PCA和基于核方法的LDA四种探地雷达目标特征提取方法进行对比研究,对实测数据处理的结果表明：无监督的学习方法不适合探地雷达目标特征提取,所提基于核方法的LDA探地雷达目标特征提取方法效果最好。并详细阐述了基于核方法的LDA探地雷达目标特征提取方法。     

Clutter Suppression Method in GPR Using the Convergence of Matrix Entropy

A novel clutter suppression method in ground penetrating radar(GPR) is proposed.The preliminary result is obtained by using target resolution improved processing(TRIP).The preliminary result will be used as an initial input for TRIP iteration.All TRIP iteration steps are the adaptive linear combination of the previous TRIP result and the preliminary result.This adaptive combination strategy can balance clutter suppression and target information protection,which is considered as a troublesome contradiction and a chronic problem in clutter suppression research.When the matrix entropy of iteration result converges,the algorithm can achieve a good result both in clutter suppression and target protection.Experimental results demonstrate that the new algorithm outperforms the existing approaches.     

基于核方法和主成分分析(PCA)的探地雷达目标特征提取新方法

常用探地雷达目标特征提取方法LDA(又称为FDA)直接在低维的探地雷达数据空间提取探地雷达目标特征, 提取的探地雷达目标特征的区分度小;常用的正则化技术存在正则化参数选取困难的问题。本文提出先通过基于核方法的 非线性变换把低维的探地雷达样本数据投影到高维空间,然后在高维空间中用PCA对奇异的核矩阵降维重建,最后对重 建后的非奇异核矩阵用LDA提取探地雷达目标特征。对实测数据的对比处理分析表明,本文所提探地雷达目标特征提取 方法优于其它方法。     

基于神经网络的探地雷达探雷研究

根据对探地雷达回波信号的分析,提出了一种新的适合于现场处理的探雷方法,采用延时校正、维纳自适应滤波及减背景等手段对原始数据进行预处理,提取Welch功率谱密度估计作为目标的特征,将特征送入神经网络进行分类训练。使用地雷目标与共相近的物体的数据进行对比试验和神经网络测试,结果表明,经过训练的神经网络可有效地将地雷与其它干扰物分开。     

波速误差对浅地层探地雷达SAR算法影响的研究

定性地研究了波速误差对基于Stolt偏移的SAR算法和基于微波全息成像的SAR算法产生的影响,给出波速误差对两种SAR算法方位分辨率影响的关系曲线,得出基于Stolt偏移的SAR算法对波速误差没有基于微波全息成像的SAR算法敏感;当波速小于真实值,两种算法都能得到更好的方位分辨率.并对这些结论进行了合理的物理解释.     

基于相移偏移和匹配追踪的探地雷达成像方法

把非均匀采样快速傅里叶变换(NUFFT)算法引入到探地雷达(GPR)成像的相移偏移算法中,避免了常规相移算法中的插值运算,实现了相移偏移的高精度快速计算;把最小二乘原理引入到匹配追踪(MP)算法中,克服了MP算法中寻找最优原子的耗时过程,并使用解析道和解析子波,实现了GPR信号谱分解的快速计算。然后,综合改进的相移偏移方法与最小二乘匹配追踪算法,提出了一种计算GPR偏移成像结果振幅谱和相位谱的方法,更有效地反映地下媒质的结构特征。模拟资料和实测资料的测试结果表明:相对单纯相移偏移方法,该综合方法能有效压制噪声,极大地改善含噪声资料的成像质量,而且,综合分析幅度谱和相位谱,可以提高识别和圈定目标体的能力。     

探地雷达频率波数域速度估计和成像方法的实验研究

探地雷达的分辨率和地下电磁波的速度估计是探地雷达应用中两个重要研究课题,类似地震信号处理中的频率波数域偏移处理,本文提出将频率波数域偏移方法应用到探地雷达的成像和速度估计中来,并用实验数据验证了该方法的可行性和有效性.