论文摘要
探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）是一种探测隐蔽目标的有效手段，在国内外已经得到非常广泛的应用。探地雷达也一直是国际学术的研究热点之一，并且已成为遥感技术的重要分支。探地雷达具有探测速度快、探测过程连续、分辨率高、操作方便灵活等优越性，在国防、反恐、城市建设、公路、铁路、桥梁、隧道、矿山、地质、考古等许多领域都表现出强劲的生命力和广阔的应用前景。探地雷达是一个非常复杂的系统，其研究远不及探空雷达的研究成熟。特别是浅地层探地雷达，采用了超宽带技术以满足分辨率的高要求，对探地雷达系统的天线、信号源、数据采集和信号处理都有了新的更高要求。同时随着探地雷达应用的深入发展，探地雷达的应用环境越来越复杂和恶劣。如在城市中越来越多的射频干扰、越来越复杂的杂波信号，探地雷达天线离地较远时必须考虑的空气-土壤双层介质等，这些情况对探地雷达的信号处理和系统优化都提出了更高的要求。此时的信号处理技术已不只是探地雷达数据采集后的处理，而应从系统角度对探地雷达系统结构提出改进，使探地雷达整体性能达到最优。本论文的主要工作及创新点如下：1．针对冲激脉冲探地雷达提出随机等效采样抑制射频干扰的方法。对三种信息数据采集方式（实时采样、周期等效采样和随机等效采样）下，射频干扰经均值滤波后的特征进行了分析。分析指出采用随机等效采样，在无失真地获取目标回波的情况下，能将射频干扰变为零均值随机信号，进而用经典的均值滤波方法进行干扰抑制。仿真和实验结果验证了分析的正确性和本方法抑制射频干扰的有效性。2．针对步进频率探地雷达提出随机相位编码抑制射频干扰的方法。使用随机相位编码技术在不影响目标回波的情况下，可将步进频率探地雷达中的射频干扰变为零均值随机信号进行抑制。分析表明使用随机相位编码技术使步进频率探地雷达具有噪声雷达的射频干扰抑制能力，同时保留了步进频率良好的主旁瓣比性能和利用FFT进行快速信号处理的优点。蒙特卡洛仿真结果验证了本文分析的正确性和本方法抑制射频干扰的有效性。3．根据探地雷达数据记录B-scan中目标回波与杂波的频谱特性和对称特性差异，分别提出二维频域带通滤波和对称滤波抑制探地雷达杂波的方法。二维频域带通滤波能有效抑制天线直耦杂波、地面杂波及雷达设备抖动引入的噪声成分。对称滤波能有效抑制传统方法较难抑制的起伏地面杂波、地下介质杂波和无关目标回波。实测数据处理结果显示所提方法具有优良性能。4．提出一种快速有效的波速估计方法。本文根据B-scan中点目标形成双曲线的机理，利用双曲线的对称特性及目标回波主峰跟踪法等，提取双曲线及顶点。分析了双曲线顶点区域对波速估计的误差影响，提出加权估计波速的方法，并给出相应的估计方差。实测数据处理结果显示本方法具有良好效果。5．提出一种横向等效变波速合成孔径成像方法。在复杂的探地雷达应用环境中，目标回波信号常常偏离标准双曲线关系式，使用传统的恒定波速成像效果难以达到最优。本文利用目标回波在B-scan中形成的曲线信号，快速估计横向等效波速以修正目标回波延时的波动，采用变波速频率-波数域（F-K）偏移算法进行精确成像。实测数据处理结果显示本方法性能优于恒定波速成像。