探地雷达检测中的关键技术研究

论文摘要

当前快速发展的无损探测技术已经被广泛应用在各个应用领域。作为探地雷达这种先进的无损探测应用技术显得尤为重要。这是因为探地雷达与电阻法、低频电磁感应法及地震法等常规的地下无损探测方法相比,它具有探测速度快、探测过程连续、分辨率高、操作方便灵活、探测费用低、探测范围广（包括金属和非金属）等优点,所以受到国内外广泛的关注。探地雷达中的信号处理技术是一项关键技术,现在成为国内外学者研究的热点问题。探地雷达信号处理包含众多的课题,其中埋地目标的成像、检测和识别技术是一项重要内容,这正是本论文所要完成的主要任务。　本文系统地研究了探地雷达的检测及其相关技术,在此基础上,针对探地雷达的重要环节,给出了一些新的技术,并实现了一个原理样机。本文的主要研究工作及创新点如下:　1.提出了一种分层均衡放大器的设计方法解决探地雷达成像对深度信号的衰减。该方法采用多测线平均得到回波的平均值,然后对原始测线组和平均回波进行分段,相当于对地下图像进行分层;根据其中最大的一次回波的峰峰值确定均衡放大的最大上限,将该最大值与平均回波各段的峰峰值的比值作为原始测线组的均衡放大矢量因子;使用均衡放大矢量因子对测线组进行矢量点积运算,从而得到均衡放大后的成像数据。该方法可以增强深度信号,利用计算机技术进行实时成像,就可以实现探地雷达深层探测和提高成像的分辨率。　2.提出了一种基于先验知识思想的非线性自适应插值算法（Nonlinearly　Adaptive　Interpolation,简称NLAI）以克服传统的固定插值算法的不足。该算法运用相邻节点的斜率来计算其二次导数,将其作为信号曲率大小判定依据,并根据插值数目的阈值判定插值数目,采取预测分段的方法获得信号的特征信息,从而选择特征级别对应的非线性插值函数,并重新优化分段,以达到最优插值的目的。通过该算法可以提高插值速度及插值效果,便于更好地观察探地雷达的实时波形。　3.提出了一种感兴趣目标区域插值算法（Interesting　Interpolation　Algorithm,简称为IIA）。IIA是通过构造被检测目标的相应模型,采用二次统计检测地下目标的水平位置,再用菱形模板预处理目标测线,用统计的方法自动检测出目标纵深位置,并对目标区域采用相关增强的方法,最后用双线性插值算法对感兴趣的目标区域进行放大而抑制背景,将结果成像出来达到感兴趣目标区域放大和细化。该算法克服采用人工检测识别方法中的判断目标位置比较模糊的局限性,且如果采取传统的图像增强技术,如锐化、直方图等技术,因为噪声及成像灰度级较少等原因而很难奏效。IIA可以实现埋地目标自动检测和感兴趣目标区域自动放大功能,消除人工判断目标区域的模糊性。　4.提出一种基于C扫描的基础上自动定位三维埋地目标的一种算法。该算法解决探地雷达对三维埋地目标自动定位问题。该算法采用并行变长滤波器组去除A扫描的直达波;其次对回波进行匹配小波奇异性检测获得目标是否存在的初步结果,检测方法采用基于统计意义下的多尺度小波域模极大值方法;再次对可疑位置采取时空域相关方法进一步确认以消除虚警概率;最后对得到的目标三维位置采取局部SAR聚焦的算法得到最终的目标位置。　5.提出一种采用高阶谱（Higher-Order　Spectra,HOS）作为目标识别特征依据的多特征融合方法识别三维埋地目标（简称MFR）。多特征包括埋地目标在测线方向的时间和空间域上呈献双曲线特征;三维埋地目标的深度特征,即衰减特性或者说幅度特性和埋地目标的空间相关性。高阶谱具有比功率谱更多的信息,主要是相位和频率信息,因此采用高阶谱作为目标识别的依据在理论上是可行的。从信号变换的角度看,高阶谱的分布特征间接反映了埋地目标对入射电磁波的脉冲响应。6.设计实现原理样机,通过实地实验测试所设计的无载波脉冲探地雷达可以实现对埋地目标的检测。该实验样机具有超宽带的天线、窄脉冲源和信号处理机的三个关键技术部分。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 探地雷达的发展
• 1.2 无载波脉冲探地雷达技术特性
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 探地雷达的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 电磁波
• 2.2.1 电磁波的基础理论
• 2.2.2 电磁波的数值计算
• 2.3 雷达成像基本原理
• 2.3.1 雷达成像分类
• 2.3.2 合成孔径雷达
• 2.4 本章小结
• 第三章 探地雷达偏移成像技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 探地雷达原始成像
• 3.3 探地雷达聚焦成像
• 3.4 ＳＴＯＬＴ插值方法
• 3.5 探地雷达成像的实时性问题
• 3.6 非均匀场的成像技术研究
• 3.6.1 变速场的数学模型
• 3.6.2 基于相移法的变速场成像算法
• 3.6.3 ＶＰＩ实验结果及其分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 埋地目标增强技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 探地雷达回波特性
• 4.3 分层均衡放大器的设计方法
• 4.3.1 分层均衡放大矢量的计算
• 4.3.2 分层均衡放大滤波
• 4.4 伪彩色的应用
• 4.5 埋地目标增强的例子及结果
• 4.6 埋地目标增强方法的讨论
• 4.7 本章小结
• 第五章 单通道埋地目标检测研究
• 5.1 引言
• 5.2 非线性插值原理
• 5.2.1 非线性插值函数定义
• 5.2.2 构造非线性插值函数
• 5.2.3 几点说明
• 5.3 预测分段原理
• 5.4 自适应算法
• 5.5 实验及结果分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 线扫描面目标检测研究
• 6.1 引言
• 6.2 检测目标模型的建立
• 6.3 统计检测和相关增强
• 6.3.1 统计检测
• 6.3.2 模板预处理及目标深度检测
• 6.3.3 相关增强
• 6.4 插值放大
• 6.4.1 ＦＭＩＡ
• 6.4.2 加权双线性插值
• 6.5 实验结果及分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 阵列扫描目标检测研究
• 7.1 引言
• 7.2 并行变长滤波器组
• 7.2.1 并行变长滤波器组设计
• 7.2.2 时域匹配滤波器方法估计色散媒质的频散系数
• 7.3 埋地目标在小波域的自动检测
• 7.4 相关方法确认可疑埋地目标
• 7.5 实验及结果分析
• 7.6 本章小结
• 第八章 埋地目标识别技术研究
• 8.1 引言
• 8.2 三维埋地目标特征
• 8.3 ＭＦＲ
• 8.4 实验结果及其分析
• 8.5 本章小结
• 第九章 探地雷达系统设计研究
• 9.1 引言
• 9.2 无载波脉冲探地雷达系统设计
• 9.2.1 超宽带天线设计
• 9.2.2 探地雷达接收机和发射机
• 9.2.3 探地雷达信号处理机
• 9.2.4 探地雷达的人机界面
• 9.3 整机雷达的性能
• 9.4 探地雷达样机实验结果
• 9.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果