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脉冲GPR高分辨成像算法研究

作　者: 雷文太
导　师: 粟毅
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 探地雷达雷达成像合成孔径成像高分辨衍射层析距离偏移逆时偏移后向投影实时成像
分类号: TN959.71
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

利用电磁波在非金属媒质中的穿透性能，探地雷达可实现多种媒质中目标的检测、定位和识别。该技术具有非破坏性、穿透能力强、分辨率高、操作方便和费用低廉等优点，广泛应用于军事和民用的多种探测场合。本论文针对探地雷达应用中的目标二维和三维重构问题研究了脉冲探地雷达高分辨成像算法。第二章研究了基于阵列天线扫描的衍射层析成像算法。首先从电磁散射积分方程出发，在一阶Born近似下，建立了合成孔径扫描下目标散射信号和目标函数的对应关系进而推导了衍射层析成像算法并对算法的处理流程和运算量进行了简单的分析。然后对阵列天线扫描下接收到的目标散射信号进行了分析，指出高密度的空间采样包含了丰富的目标散射信息，可用来进行高分辨成像。通过引入发射孔径矢量和接收孔径矢量，文中导出了基于阵列天线扫描的衍射层析成像算法的具体实现形式并运用仿真数据进行了实验验证。第三章针对探地雷达近场浅层探测提出了近场三维距离偏移成像算法。远场近似下，波阵面可视为平面，目标散射信号可视为目标在雷达视线方向的投影。而在近场浅层探测中，这一关系不再成立。论文详细分析了目标散射信号的积分表示形式，提出运用近场球面波传播因子进行近场校正的方法，通过一阶驻相近似导出了近场三维距离偏移成像算法并对算法的分辨率进行了分析。为进一步提高成像的分辨率，提出了基于“通道校正—脉冲压缩”的信号预处理算法并对实测探地雷达数据进行了预处理和成像处理。第四章研究了非等间距空间采样下的逆时偏移成像算法。首先从波动方程连续性出发，导出了窄波束近似下逆时偏移成像算法的差分实现形式。在探地雷达实地探测中，天线波束宽度一般并不满足窄波束近似，空间采样也未必都满足均匀采样的要求。这种情况下，谱域距离偏移成像算法失效，基于窄波束近似的逆时偏移成像算法的聚焦效果变差。文中通过详细分析逆时偏移成像算法的处理流程，采用泰勒级数展开的方式实现了波场关于空间变量的方向导数差分离散形式，在此基础上提出了非均匀空间采样逆时偏移成像算法并对算法的分辨率进行了分析。第五章研究了表层脱离探测模式下探地雷达的后向投影成像算法。这种模式也是探地雷达进行探测时所通常采用的。此时基于“延迟—累加”运算的合成孔径雷达时域后向投影成像算法会产生成像结果的失真，主要体现在两个方面：散射中心位置的失真和散射强度的失真。前者主要是由于电磁波在媒质表面产生的折射效应造成的，后者主要是电磁波在传播过程中的衰减造成的，包括球面波传播损耗、媒质表面的反射损耗和有耗媒质媒质对电磁波的衰减效应。通过分析成像结果失真的主要原因，论文提出了时延修正—幅度加权后向投影成像算法。为进一步降低算法的大运算量对实时成像探测的限制，在详细分析了该成像算法的递归实现形式基础上，提出了实时的时延修正—幅度加权后向投影成像算法。最后对一个雷达记录剖面采用所提出的“通道校正—脉冲压缩”信号预处理算法进行了预处理并对预处理结果进行了实时成像实验。

全文目录

摘要  10-12
ABSTRACT  12-14
第一章绪论  14-28
  1.1 探地雷达简介  14-17
    1.1.1 探地雷达特点与应用  14-15
    1.1.2 探地雷达分类  15-16
    1.1.3 冲激脉冲探地雷达系统构成  16-17
  1.2 国内外研究现状  17-24
    1.2.1 探地雷达系统  17-19
    1.2.2 探地雷达信号处理  19-24
  1.3 论文的结构和主要工作  24-28
    1.3.1 论文的结构  25-26
    1.3.2 论文的主要工作  26-28
第二章阵列天线扫描衍射层析成像算法  28-41
  2.1 合成孔径扫描 DT成像  28-35
    2.1.1 合成孔径扫描建模  28-31
    2.1.2 合成孔径 DT成像  31-35
  2.2 阵列天线扫描 DT成像  35-38
  2.3 仿真实验  38-40
  2.4 小结  40-41
第三章探地雷达近场三维距离偏移成像算法  41-64
  3.1 波动方程连续性分析  41-46
  3.2 二维 RM成像算法  46-47
  3.3 近场3D-RM成像算法  47-53
    3.3.1 目标散射建模  47-49
    3.3.2 算法处理流程  49-50
    3.3.3 算法分辨率分析  50-53
  3.4 高分辨预处理算法  53-56
    3.4.1 超宽带散射信号模型  53
    3.4.2 高分辨预处理算法  53-56
  3.5 高分辨成像实验  56-62
  3.6 小结  62-64
第四章探地雷达非均匀空间采样逆时偏移成像算法  64-86
  4.1 窄波束 RTM成像算法  64-71
    4.1.1 波动方程递推  64-66
    4.1.2 差分实现  66-71
  4.2 非均匀采样下的RTM成像算法  71-79
    4.2.1 宽波束 RTM实现  71-73
    4.2.2 NUSS-RTM成像算法  73-77
    4.2.3 算法分辨率分析  77-79
  4.3 RTM成像实验  79-85
    4.3.1 仿真数据成像  79-83
    4.3.2 实测数据成像  83-85
  4.4 小结  85-86
第五章探地雷达复杂媒质探测后向投影成像算法  86-112
  5.1 SAR-BP成像算法  87-88
  5.2 探地雷达目标时延曲线特征  88-94
    5.2.1 表层接触探测模式  89-90
    5.2.2 表层脱离探测模式  90-94
  5.3 探地雷达 TAM-BP成像算法  94-104
    5.3.1 单层媒质成像处理  94-100
    5.3.2 平面分层媒质成像处理  100-103
    5.3.3 算法分辨率分析  103-104
    5.3.4 成像算法对比分析  104
  5.4 实时TAM-BP成像算法  104-111
    5.4.1 TAM-BP算法递归模型  105-107
    5.4.2 实时TAM-BP算法运算量分析  107-109
    5.4.3 实时成像实验  109-111
  5.5 小结  111-112
结束语  112-115
致谢  115-116
参考文献  116-128
作者在学期间取得的学术成果  128-129
附录A 3D RM算法驻相近似积分  129-130

脉冲GPR高分辨成像算法研究

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