合成孔徑探地雷達(dá)探測淺埋小目標(biāo)的信號處理算法研究.pdf

1、探地雷達(dá)是一種通過超寬帶電磁波進(jìn)行地下探測的無損探測技術(shù)，在國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面正得到日益廣泛的應(yīng)用。國際上早在80年代末90年代初就已經(jīng)基本解決了探地雷達(dá)系統(tǒng)硬件設(shè)計上的諸多難題，而探地雷達(dá)的信號處理技術(shù)相對來說還不成熟，因而近年來研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了信號處理技術(shù)的研究，近年來國際上發(fā)表的探地雷達(dá)文章中，絕大部分文章都是研究探地雷達(dá)的信號處理方法，因此本文也定位于探地雷達(dá)信號處理方法的研究。
　　早先的探地雷達(dá)都是用于中深層探測的，

2、在超寬帶技術(shù)成熟并應(yīng)用于探地雷達(dá)后，探地雷達(dá)才逐漸應(yīng)用于淺地層探測。因此，與中深層應(yīng)用的探地雷達(dá)相比，探測淺地層的探地雷達(dá)的研究時間較短，淺地層探地雷達(dá)信號處理技術(shù)還不成熟。而在淺地層探測中，地雷等淺埋小目標(biāo)的探測，對淺地層探地雷達(dá)的信號處理方法提出了更高的要求。此外，探測淺埋小目標(biāo)時，要求雷達(dá)具有較高的分辨率，因此合成孔徑探地雷達(dá)成為研究熱門。本文主要研究合成孔徑探地雷達(dá)淺地層探測應(yīng)用中的淺埋小目標(biāo)的探測的信號處理方法。
　　探

3、地雷達(dá)按照體制不同可以分為：無載頻脈沖雷達(dá)，步進(jìn)頻率探地雷達(dá)等；按照系統(tǒng)配置不同可以分為：下視探地雷達(dá)，前視探地雷達(dá)，機(jī)載探地雷達(dá)等。
　　其中，無載頻脈沖探地雷達(dá)是目前實(shí)際使用最廣泛的探地雷達(dá)；步進(jìn)頻率探地雷達(dá)是近年來國際上的熱門研究內(nèi)容，國內(nèi)目前還沒有研制出步進(jìn)頻率探地雷達(dá)系統(tǒng)，且國內(nèi)對步進(jìn)頻率探地雷達(dá)技術(shù)的研究還很少；前視探地雷達(dá)是近年出現(xiàn)的新型探地雷達(dá)，目前國內(nèi)還沒有其他單位研究前視合成孔徑探地雷達(dá)。本文在國防“十五”預(yù)研

4、項目基金的支持下對無載頻下視脈沖探地雷達(dá)、步進(jìn)頻率下視探地雷達(dá)的信號處理算法做了系統(tǒng)的研究，并在自然科學(xué)基金的支持下對前視探地雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)做了有成效的研究。
　　所用數(shù)據(jù)主要來自歐盟反雷研究中心以及作者所在課題組采集的數(shù)據(jù)。所述各種處理方法對作者能得到的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理都是有效的，但是限于篇幅，各章并沒有列出全部數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下：1.討論了目前最常用的三種探地雷達(dá)雜波抑制方法，并在分析這三種雜波抑制<

5、br>　　1.討論了目前最常用的三種探地雷達(dá)雜波抑制方法，并在分析這三種雜波抑制方法各自優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對基于SaS的雜波抑制方法提出了改進(jìn)，并提出了一種定量衡量探地雷達(dá)雜波抑制效果的方法；最后，用三種常用方法和所提改進(jìn)方法對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比處理分析。
　　2.波速估計是探地雷達(dá)中計算目標(biāo)深度和合成孔徑成像的基礎(chǔ)。本文在分析小目標(biāo)雷達(dá)圖像的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于模板匹配的下視探地雷達(dá)波速估計方法；針對前視探地雷達(dá)中雷達(dá)接收目

6、標(biāo)后向散射信號，因此目標(biāo)信號弱，且前視探地雷達(dá)中波速變化時，目標(biāo)回波曲線變化范圍小的特點(diǎn)，提出了一種新的前視探地雷達(dá)波速估計方法，該方法首先提取目標(biāo)回波曲線頂點(diǎn)區(qū)域，然后在此區(qū)域選取對波速變化敏感的回波曲線頂點(diǎn)來估計波速，對實(shí)測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明，所述方法是有效的；
　　3．對已有的探地雷達(dá)目標(biāo)探測方法進(jìn)行了分析，并根據(jù)淺地層探地雷達(dá)圖像中小目標(biāo)的雷達(dá)圖像特點(diǎn)，提出了基于模板匹配的探地雷達(dá)目標(biāo)探測方法，該方法能較準(zhǔn)確的探測出探地雷

7、達(dá)中的小目標(biāo)。該方法可以和所提波速估計方法聯(lián)合應(yīng)用：首先對某一探測區(qū)域的圖像用人工方法圈選一個目標(biāo)回波雙曲線，對這個目標(biāo)回波曲線用模板匹配方法估計波速，然后用估計的波速對整個雷達(dá)探測圖像進(jìn)行基于模板匹配的目標(biāo)自動探測和定位；
　　4．對探地雷達(dá)合成孔徑成像方法進(jìn)行了研究。對下視探地雷達(dá)提出了基于圖像分割的下視探地雷達(dá)快速全息合成孔徑成像方法；對前視探地雷達(dá)，提出了基于等效波場和分層成像的前視探地雷達(dá)合成孔徑成像方法；分析了單通道步

8、進(jìn)頻率探地雷達(dá)和雙通道步進(jìn)頻率探地雷達(dá)的探測成像原理，并將單通道步進(jìn)頻率探地雷達(dá)經(jīng)過 DFT后獲得的頻譜圖與實(shí)際的探測空間相結(jié)合,進(jìn)而提出了單通道步進(jìn)頻率探地雷達(dá)合成孔徑成像方法；
　　5．討論了目標(biāo)識別方法，并針對傳統(tǒng)的探地雷達(dá)目標(biāo)特征提取方法提取的目標(biāo)特征區(qū)分度不大的問題，提出了基于核方法的探地雷達(dá)目標(biāo)特征提取方法，該方法首先用基于核的非線性變換，將探地雷達(dá)數(shù)據(jù)投影到高維數(shù)據(jù)空間，然后在高維數(shù)據(jù)空間中用傳統(tǒng)的探地雷達(dá)目標(biāo)特征提

9、取方法提取目標(biāo)特征，所述方法提取的目標(biāo)特征的區(qū)分度大，易于識別；所提基于核方法的探地雷達(dá)目標(biāo)特征提取方法中，核矩陣通常是奇異的，而傳統(tǒng)的正則化方法存在正則化參數(shù)選取困難的問題，針對這個問題，提出了基于PCA（主成分分析）的核矩陣降維重建的探地雷達(dá)目標(biāo)特征提取方法，進(jìn)一步完善了所提基于核方法的探地雷達(dá)目標(biāo)特征提取方法。
　　此外，本文還討論了探地雷達(dá)的不同類型，合成孔徑探地雷達(dá)的探測原理，并對探地雷達(dá)的進(jìn)一步研究內(nèi)容提出了一些建議。