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浅地层探地雷达信号处理算法的研究

孔令讲  
【摘要】:探地雷达(Ground-Penetrating Radar,GPR)是近几十年发展起来的一种地下目标的有效探测手段,在国内外已经得到非常广泛的应用。与电阻率法、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,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、探测费用低、探测范围广(能探测金属和非金属)等优越性。因此,近年来探地雷达一直是国际学术的热点之一,并且已成为遥感技术的重要分支。虽然探地雷达的设计和实现非常复杂,但它在国防、公安、城市建设、公路、铁路、机场、水利、运输、矿山、隧道、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。所以,探地雷达的研究对国民经济的发展有十分重要的意义。 针对中深层应用的探地雷达相对比较成熟,而针对浅地层应用的探地雷达,目前一直是国际社会的研究热点;在国内关于浅地层探地雷达的研究几乎未见任何报道,所以本文对浅地层探地雷达的信号处理算法展开研究。本文主要研究了电介质中波速的精确测量,浅地层探地冲激雷达的杂波抑制算法,各种合成孔径算法应用到浅地层的情况,步进变频探地雷达的浅地层应用,步进变频探地雷达的合成孔径算法,波速的精确度对合成孔径算法的影响等。 本文的主要贡献及创新点可归纳为以下几个方面: 针对浅层探地雷达接收信号的特征,抛弃传统的过零点检测,提出用极值进行边缘轮廓检测图象中双曲线的方法;通过对霍夫变换算法的分析,提出了一种加FIR滤波器的改进霍夫变换;并对实测数据应用算法进行了计算,证明所提算法比传统的霍夫变换方法有更高的测速准确度。 通过对探地雷达中的脉冲压缩滤波器的分析,给出了这种滤波器的脉冲压缩比和信噪比损失与 的关系曲线,从曲线的分析,得出了一些有用的结论,对探地雷达的设计和在实际中 的取值有一定的指导作用。 针对浅地层冲激探地雷达回波信号的特性,在传统处理方法的基础上提出了一种有效的杂波抑制方法,该方法能有效地去除在冲激探地雷达中由于振铃效应引起的杂波,改善了冲激探地雷达的距离分辨率。 针对基于基尔霍夫偏移的合成孔径成像(Synthetic Aperture Imaging, WP=6 SAI)处理算法应用到浅地层时图像信噪比很低的特点,提出一种修改的基于基尔霍夫偏移的SAI处理方法,并给出对实测数据的仿真结果。 针对目前衡量探地雷达方位分辨率的困难,作者提出一种衡量浅地层探地雷达方位分辨率的方法,并通过仿真和对实际数据地处理验证了其合理性。 利用各种合成孔径成像算法对浅地层探地雷达数据进行处理,得出结论:对于浅地层探地雷达,基于微波全息成像的SAI算法和基于Stolt偏移的SAI算法更有效。 基于作者所提的方位分辨率衡量方法,研究了波速误差对基于微波全息成像合成孔径算法的影响,给出了波速误差对方位分辨率影响的关系曲线。 基于作者所提的方位分辨率衡量方法,研究了波速误差对基于Stolt偏移合成孔径处理算法的影响,给出了波速误差对其方位分辨率影响的关系曲线。 由于连续波步进变频雷达平均发射功率较高而且可以实现较大的相对带宽,在探地应用中可以获得较高的分辨率和较深的探测深度,因此,作者研究了步进变频探地雷达的基本原理,并对数据进行了合成孔径算法处理。同时提出了一种曲线匹配的合成孔径算法。并对实际数据进行了处理,给出了处理结果。


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