高速脉冲技术的新应用──从探地雷达到掌上雷达

高速脉冲技术的新应用──从探地雷达到掌上雷达中国科学院半导体所周旋一、探地雷达的独特思路──用高速脉冲作为宽频带探测信号传统探空雷达用于探测空中和地（海）面目标极其成功,其技术也已成熟;然而,为了探测地下情况,它们却几乎是无能为力的。这是因为探地与探...     

步进扫频宽带探地雷达信号处理

基于一种步进扫频的宽带探地雷达前端设计,有效地解决探地雷达探测深度和高分辨率的矛盾。该前端系统发射151个步进频脉冲,接收地下物体反射的回波信号,对回波信号进行混频和滤波,然后,选取不同脉冲数处理回波信号,实现了对地探测深度深和分辨率高的优点。用Matlab对步进扫频宽带探地雷达信号进行仿真,并由实验平台验证超宽带步进频在目标探测应用中的有效性。实验结果表明,步进扫频宽带探地雷达可以实现较大的浅地层探测深度和较高的分辨率。     

基于非恒Q衰减模型探地雷达的回波仿真

电磁波在地下介质层中的传播特性及回波仿真技术对于反演地下介质层结构具有十分重要的意义。文中研究了探地雷达信号在有耗介质层中传播的回波仿真问题,基于Debye色散模型定义介质层电磁参数,讨论电磁波在地下介质层中的非恒Q衰减特性和模拟回波信号,得到了探地雷达脉冲在层状介质中传播的回波信号模型和反射回波曲线。仿真结果与当前通用的探地雷达数据仿真软件GprMax进行对比,证明了该方法的有效性。     

有问有答

问1:用什么仪器或设备能够将埋入地下1米到1.5米深处的金属物和非金属物探测出来?(福建肖月德等问)答:用探地雷达探测地表面以下的金属物或非金属物体的位置和深度是一种快速、有效而价廉的方法。探地雷达是利用电磁波逆散射原理设计制造的,它适用于市政建设、交通、农业、矿产、能源及考古等各部门以判明埋于地下的管道、电缆等金属物体以及尸体等非金属物体。探地雷达与普通雷达的区别是:1.普通雷达探测距离以千米计算,而探地雷达则以米计算,相差三个数量级。2.普通雷达信号在大气层空间传播时,其衰减主要取决于能量的扩散;而探地雷达的信号衰减则主要取决于传播介质的损耗。     

地下目标探测的LFMCW RD成像方法分析

在地下目标探测过程中,由于地下介质与空气的介电特性不一致,发射信号的传播速度和传播路径会发生改变,传播速度不再保持恒定,传播路径也不再是沿直线传播。由于采用连续波体制,此时传统的回波信号模型和成像处理方法都不再适用。根据地下目标成像的特点,针对线性调频连续波体制探地雷达,给出了地下目标成像的接收回波模型,并以此为基础,建立了以分层成像处理为基础的RD成像处理方法,并通过仿真进行了验证。     

全极化探地雷达系统

作为一种无损探测技术,探地雷达在地下探测领域发挥着重要作用。传统的探地雷达一般采用单极化天线进行测量,只能获取目标回波中的频率、振幅、相位信息,对目标体的辨识能力相对较弱。全极化探地雷达(Full Polarimetric Ground Penetrating Radar,FP-GPR)利用4种不同的天线组合方式对目标体进行探测,能获得相对于传统探地雷达4倍的信息量。通过改变发射天线与接收天线的放置方式,全极化探地雷达除了能采集到传统探地雷达所能获得的频率、振幅、相位等信息,还能获得目标体的极化属性。所谓极化属性,是指目标体使电磁波在其表面发生变极化效应的性质,这些性质往往与目标体的形状相关。因此利用FP-GPR可以对目标体进行更准确的探测。     

频谱校正技术在频率步进探地雷达中的应用研究

频率步进方法是探地雷达的工作体制之一。由于地下介质在各个频点对电磁波的衰减程度不同,导致频率步进探地雷达中回波信号频谱已经严重变形。文中基于恒Q模型推导了当考虑地下介质衰减特性时回波频谱的表达式,提出采用频谱校正技术对回波谱白化后进行匹配滤波。仿真结果表明,该技术大大提高了距离像的主旁瓣抑制比和分辨率,提高了地下目标检测能力。     

探地雷达在地下管线探测中的应用

探地雷达技术是如今适应快速、准确、无损地探测地下障碍物而迅速发展的电磁技术。文中介绍了探地雷达的工作原理及工作方式，并通过结合工程实例来探讨探地雷达在地下管线探测中的广泛应用。     

频率步进探地雷达的SAR成像处理方法

由于冲激脉冲探地雷达平均功率低,限制了其作用距离和探测深度,多用于近地表和浅低层探测。为了提高系统的作用距离和探测深度,常采用频率步进探地雷达。利用频率步进信号的大带宽和高平均功率的特点,不但可以提高作用距离和探测深度,而且成像分辨率可以大为改善。由于介质与空气的介电特性不一致,电磁波的传播路径和传播速度会发生相应的改变,常用的回波模型和合成孔径成像方法不再使用。本文推导出了频率步进探地雷达的回波信号模型,并结合SAR成像理论,针对地下目标探测的特点,提出了分层聚焦的SAR成像处理方法,取得了良好的效果。     

极化格雷互补码探地雷达探测地下管线分布

提出基于格雷互补码的极化探地雷达系统。将格雷互补码作为探测信号,通过改变天线的极化方式获得地下管线回波的极化数据,实现管线分布探测。仿真及实验结果表明,相较于交叉极化,当天线采取共极化方式时管线的散射能量更强。进一步,在同等条件下,对比基于格雷互补码和步进频率信号的极化探地雷达管线探测效果。典型无参考量化指标表明,前者目标响应更强,成像更清晰,更有利于地下管线走向分布的准确识别。     

浅地层步进频率探地雷达的一种预处理方法

在浅地层步进频率探地雷达的实际应用中,地表回波等杂波及各种干扰噪声严重影响了探地雷达对地下目标的探测。对探地雷达数据进行预处理,其目的就是要去除地表回波等杂波及各种干扰噪声以加强目标信息。由于实际中地表不是均匀平整的,因而地表回波在每个A-scan数据中的分布位置都不尽相同,这使得传统的一些方法不能很好的去除地表回波。本文从步进频率探地雷达的原理出发,提出了一种极值点定位去除地表回波的方法,并将该方法与均值法去杂波及小波变换去噪相结合来完成对浅地层步进频率探地雷达数据的预处理。通过对实测数据进行处理,其结果表明本文所提的预处理方法取得了很好的效果。     

无载频脉冲探地雷达性能分析及其FD—TD法数值模拟计算

探测深度和分辩率是探地雷达的两项重要指标。本文分别对无载频脉冲探地雷达的探测深度和分辩率进行了分析，指出了影响雷达探测深度和分辩率的因素，并利用２。５维时时有限差分方法对雷达的探测性能进行了数值模拟计算，给出了地下单体目标和多体目标的回波信号电平图，并将部分计算结果与实验测试结果进行了对比，二者具有好的一致性。     

天气雷达探测机理

天气雷达是雷达大家族中的一员。雷达是通过发射电磁能量来检测和定位目标，并利用目标反射回波来提取目标信息的一种高科技机电设备。     

OFDM-MIMO雷达低空目标探测性能研究

针对低空多径效应和地杂波复合作用导致的低空目标探测性能下降, 利用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)-多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)雷达的空间和频率分集特性提高低空目标探测性能.在建立正交频分复用-线性调频发射信号模型、多径效应模型和基于对称阿尔法稳定分布的地杂波模型基础上, 得出了OFDM-MIMO雷达接收信号模型.采用匹配滤波器恢复发射-接收天线对信号, 通过接收信号融合实现参差补偿, 减小了接收信号能量的深度衰减和剧烈起伏.仿真算例表明OFDM-MIMO雷达能够有效减小回波信号剧烈起伏和杂波对目标探测的影响, 实现多径干扰和杂波背景下对低空目标的稳定探测.     

毫米波测云雷达回波的衰减订正研究

毫米波测云雷达探测云目标时,电磁波除了受到云目标衰减之外,还受到大气传输中氧气以及水汽的衰减,电磁波的衰减导致雷达观测到的回波强度小于云目标的实际回波强度,这种误差将影响云内结构的反演。因此,为了使毫米波测云雷达的探测数据正确地反演出云目标的宏观物理特征,必须对进行毫米波测云雷达工作频率下气象目标物的衰减进行订正。主要利用逐库衰减订正算法以及分级逐库衰减订正算法对英国Chilbolton 观测场94GHz 毫米波测云雷达的一次降水云观测结果进行了垂直方向的大气衰减订正研究,并比较逐库衰减订正算法以及分级逐库衰减订正算法间的反演差异。同时,利用国际电信联盟ITU-RP. 676-10 建议书中氧气以及水汽衰减订正公式进行了毫米波测云雷达探测数据的二次订正。分析和对比结果表明,衰减系数的变化对于云目标的宏观物理特征反演有着明显的影响,并且分级逐库衰减订正法的订正效果强于逐库衰减订正法。     

基于探地模型的目标散射特性研究

以不同情况下的地埋目标散射特性为前提，能够准确地从探地雷达图像中提取目标体的结构信息。使用CST仿真软件上的时域求解器构建频率范围在0.5～3.5 GHz的脉冲体制探地雷达系统的目标散射仿真模型，并对不同传播介质、不同目标体与不同埋藏深度的地埋目标散射特性进行电磁仿真模拟，预演了多种情况下探地雷达系统的探测过程。通过比较不同情况下探地模型的目标回波信号，得出结论：土壤含水会使地面反射增强，目标回波衰减不易识别；目标的尺寸改变对回波幅度有影响，对波形影响不大；当目标材质的电参数改变时，目标体回波波形变化明显；当目标与传播介质的电参数相差较大时，目标回波明显；随着目标埋深增加，目标体回波在时域上向后延迟，可以根据回波时间差计算目标体埋深。通过对仿真结果的分析证明该方法可靠有效，并且仿真过程简便，适用于不同情况下探地雷达的目标散射模拟。     

面向识别的雷达回波仿真技术可信度分析

按照系统仿真技术的一般方法研究了面向识别的雷达回波仿真技术的基本原理和模型。根据目标的三维CAD模型,利用电磁计算方法得到全姿态的一维距离像模板。在凝视状态下,利用雷达发射信号和目标的一维距离像模板模拟目标低分辨率回波;在扫描状态下,利用全姿态一维距离像重构不同角区中目标的散射中心模型,结合雷达波束的扫描方式获得仿真回波。最后立足仿真结果的校验,提出了可用于分析雷达目标回波仿真技术可信度的一些准则和方法。     

基于同时多波束跟踪的任务调度方法研究

目前对雷达多波束技术的研究多基于如何实现发射多波束,对跟踪时的资源调度和能量管理策略研究较少,对多波束进行目标跟踪的使用条件,以及如何在多波束跟踪和雷达能量损失、时间消耗间平衡缺少必要的原则。文中对同时多波束的工作方式进行了分析,并建立了多波束跟踪的模型;同时,通过时间资源优化和回波能量感知两方面研究,提出了同时多波束跟踪的资源调度和能量管理准则,并设计了多波束跟踪时的自适应任务调度算法。     

基于压缩感知的混沌探地雷达空洞检测

城市道路地下空洞检测可有效减少道路塌陷,保证道路安全,是城市建设工作中的重要任务。基于混沌信号的探地雷达相比传统探地雷达具有抗干扰性强,信噪比高,已被证明可以用于空洞检测,但现有混沌探地雷达在确定空洞位置时需要采集大量数据,并对回波信号和延迟后的发射信号进行互相关运算,所需时间较长,给信号的存储和传输也带来很大负担, 不利于实际应用。文中针对混沌探地雷达,提出了一种基于压缩感知的二维成像新方法,并将其用于地下空洞检测,该方法采用混沌脉冲相位调制信号作为信号源,利用压缩感知取代传统混沌信号处理过程中的互相关运算,减少信号采集数据量。仿真和实验结果表明,基于压缩感知的混沌探地雷达成像新方法与传统混沌探地雷达成像方法相比,在保持成像结果的有效性和准确性的同时,只需传统方法采样信号数据量的10％即可准确检测地下空洞目标。     

一种空间目标大时宽雷达回波处理方法

空间目标距离很远,为充分利用雷达时间资源,可采用单基地收发分置的方式,发射脉冲宽度远大于探空雷达的单脉冲信号,即大时宽信号,以探测更远、更小和更多的目标。而空间目标高速运动的特性将导致回波信号出现距离和多普勒徙动,引起积累增益损失,时宽越大损失越严重。为此,提出一种基于运动补偿的大时宽回波信号处理方法,用于跟踪阶段的目标距离的精确获取,仿真结果表明:该方法可以有效消除目标高速运动的影响,准确地完成距离估计,并且逼近精度理论下界。