调频连续波探地雷达关键技术研究

【摘要】：线性调频连续波（Linear Frequency Modulated Continuous Wave, LFMCW）雷达具有距离分辨率高、发射功率低、接收灵敏度高、结构简单以及盲区距离极小的优点，因此，基于线性调频连续波的探地雷达是目前研究的热点之一。线性调频连续波探空雷达的理论相对成熟，在军事上也有较广泛的应用，但地层介质与空气介质有着较大差异，其层状介质和孤立介质形态各异，导电性能也不相同，即使是同一介质的电性分布也不均匀，造成电磁波在地下介质中的传播要复杂得多，因而在研制调频连续波的探地雷达时，不能完全照搬调频连续波探空雷达的理论。因此，本文首先从线性调频连续波在地层介质中的传播特性出发，对调频连续波探地雷达的发射功率、探测能力和探测精度间的关系进行了仿真研究；其次从硬件实现的角度，对调频连续波探地雷达的发射波形、回波信号进行了研究，给出了调频连续波探地雷达的系统框图，并用硬件加以实现，研制出了样机；最后对调频连续波探地雷达的高分辨率处理方法和成像技术进行了研究；并通过试验测试证明调频连续波探地雷达的优点和本文所提出的处理方法和成像技术的有效性。论文取得的主要成果及创新点有： 1.从分层波阻抗与反射系数关系式出发，推导了不同介电常数与电磁谐波相位吸收和幅度吸收的关系式和特定吸收条件下传播系数的表达式，计算了浅地表探测典型地质体的电磁波传播参数； 2.从探地雷达信号传递函数推导出步进频率增量与最大不模糊距离的关系式；以三角波的线性调频形式为例，讨论了差拍信号的表达式，与距离信息提取的处理方法组合，形成了线性调频连续波探地雷达信号处理体系。 3.从步进调频连续波的信号传递过程出发，推导了宽频带合成的时域算法、频域算法和合成距离包络三种算法公式，并用三层模型和五层模型进行了验证和对比，得出：从合成的效果上看，合成距离包络法信息损失较大，对弱信号识别效果最差，时域合成和频域合成的效果相对较好；从波速的影响方面来说，这三种方法对速度都很敏感，合成距离包络法尤其严重，对波速需要进行较精确的估计；从计算量方面看，合成距离包络法计算量最少，时域算法计算量最大。另外，选取不同的介电常数用三层模型研究了介电常数和分辨能力间的关系。 4.从波速宽度、近景场、远边缘、与测线垂直距离等因素出发，研究了距离徒动和距离徒动差与距离分辨率和横向分辨率间的关系，提出了正侧视距离徒动校正算法、斜侧视距离徒动校正方法，并根据综合分辨率要求，分四种情况对距离徒动对包络时延的影响进行了校正讨论；结合合成孔径成像理论提出了基于Stolt迁移的探地雷达合成孔径成像改进方法。 5.采用DDS器件，设计了发射信号产生电路，根据成像算法，分析了系统信号处理的运算量，提出了基于高性能FPGA技术和DSP技术的实时信号处理技术，设计了信号处理硬件实施框图和信号处理板卡，研制了一套原理样机，并进行了现场试验。