基于高性能DDS芯片AD9959的超宽带步进频率探地雷达设计

探地雷达作为一种高分辨率无损探测新技术,具有探测速度快、定位准确、轻便灵活和图像实时显示等优点,已广泛应用于工程勘察的各个领域。高性能DDS（直接数字频率合成器）芯片AD9959是美国AD公司采用先进的DDS技术生产的4通道、10位D／A转换器、最高时钟为500MHz的高集成度频率合成器,可方便快速地产生线性调频、单频脉冲及步进频率信号。介绍了AD9959工作原理和特性,给出AD9959在超宽带步进频率探地雷达设计中的应用方案。     

步进频率连续波前视探地雷达的研究

研制了一种步进频率连续波探地雷达系统,能对载体前方较大范围浅地表穿透实时二维成像.该系统采用双发射天线和接收天线的组合线阵接收方位回波,将接收天线数量降低一半;利用分频段多级均衡校正、设置参考通道、数字中频接收等方案保证系统具有良好的幅频、相频特性;利用中频耦合对消方案抑制收发耦合;利用快速双站后向投影算法进行合成孔径成像.试验表明,系统可实现浅地表穿透成像探测.     

步进频率连续波探地雷达数字信号处理机

设计实现了一种超宽带步进频率连续波探地雷达数字信号处理机。处理机以TS201芯片为处理核心,采用了分布式存储和独立总线结构,利用link口实现处理器间和板间高速数据交换。基于处理板结构设计实现了信号处理算法流程。该步进频率探地雷达信号处理从流程上划分为数据整合与回波预处理、合成孔径成像、图像增强与杂波抑制和跟踪检测四个模块,可实时输出雷达图像和检测结果。该处理机成功地应用于某探地雷达系统,运行稳定。     

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。     

步进频率连续波探地雷达耦合信号的抑制

步进频率连续波是探地雷达常用波形之一,该体制雷达存在的一个严重问题是发射信号直接耦合到接收天线,降低接收机灵敏度,导致接收机前端饱和甚至损坏.针对步进频率连续波体制探地雷达,采用通过收发天线设计降低耦合信号,保证其不会导致接收系统饱和,再在中频数字域进行对消的耦合抑制方案,详细分析了其工程实现流程和应用条件,给出了某步进频率连续波合成孔径探地雷达耦合波对消前后的雷达图像,说明了耦合对消方法的有效性.该方法在某探地雷达中获得实际应用,工作稳定可靠.     

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。     

基于熵的步进频率探地雷达距离旁瓣抑制

步进频率探地雷达因频谱截断和杂波干扰而产生严重的拖尾旁瓣,降低了系统分辨目标的能力。文中分析了熵表征的信号特征,从距离旁瓣产生的机理出发,提出用最大熵、最小熵谱外推技术对截断频谱外推,降低频谱截断产生的拖尾旁瓣。实验结果表明,最大熵可以有效地去除因频谱截断产生的Gibbs振荡,最小熵对峰值旁瓣电平抑制效果较好,两者都有效地提高了系统分辨率。     

压缩感知理论在频率步进探地雷达偏移成像中的应用

该文针对频率步进探地雷达的具体工作过程,利用目标成像空间的稀疏性提出了一种基于压缩感知理论的频率步进探地雷达偏移成像算法,成像过程中首先采用杂波抑制方法在频率域去除直达波,同时利用交叉验证算法来估计成像过程中的正则化参数,最后基于稀疏约束最优化方法实现对地下目标成像,仿真和实验数据表明了该算法的可行性和有效性。     

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。     

频率步进探地雷达及其在地雷探测中的应用

频率步进方法是探地雷达技术的工作体制之一,与时域无载频脉冲体制的探地雷达技术相比,在探测性能上具有较多的优越性.本文在简述其工作原理的基础上,介绍了作者研制的一种频率步进探地雷达系统,该系统主要用于对地雷目标进行三维成像探测.在研制该雷达系统过程中,对已有的反对称Vivaldi天线提出了改进设计.实验测量结果表明,本文研制的反对称Vivaldi天线与传统的同类天线相比,性能更加优越.同时,为了得到更加清晰的地雷图像,本文还分别引入了f-k偏移成像方法和合成孔经雷达(SAR)处理技术对雷达探测信号进行处理,得到了满意的结果.探测实例表明,频率步进探地雷达系统能够实现对浅层地下地雷目标的高分辨率三维成像探测.     

采用阻抗匹配抑制探地雷达中的地面杂波

在由收发天线组成的探地雷达系统中，接收天线接收到的信号由直耦波、地面反射信号以及目标信号组成。地面反射和直耦波所组成的直达波远大于目标信号，从而使系统的信杂比降低。文中提出了一种通过在地面上加入分层平板介质对空气到土壤间阻抗进行宽带匹配的方法，该方法可以减小地面反射杂波，增加电磁波透入地下的信号。理论计算结果表明，通过选择合适的平板介电常数和厚度，在一定程度上将减小地面的直接反射回波，从而提高系统的动态范围和信杂比。     

探地雷达中的衍射层析算法

给出了二维情况下进行地下目标反演的线性衍射层析算法。该方法采用线性Born近似和傅里叶变换,避免了一般非线性逆散射算法的逐步迭代,因而可用于地下目标的快速检测和位置标定。本文的衍射层析算法考虑了空气地面交界面的影响并计入了凋落场。计算结果表明,该方法可以较好地描述低对比度目标的位置、轮廓和介电参数等信息,也可用于高对比度目标的检测和定位。     

Research on Signal Processing Arithmetic of Subsurface Ground Penetrating Radar

Ground penetrating radar (GPR) is an impactful detection method of buried targets developed in these decades and has been broadly used in the world. Compared with other detection method, for example, resistivity, EMI and seismology, the GPR has many advantages. For this reason, the GPR is always one of the researching hotspots in the world in these years and has become an important branch of remote sensing. Although the design of GPRs is very complex and difficult, the demands of applications from different fields are continuously increasing. It is obvious that the research of GPR is very significant for the development of civil economy.     

一种等效时变增益探地雷达接收机设计

无载波冲激体制的探地雷达具有脉冲波形产生简单、测量速度快、不存在频域旁瓣干扰等特点,目前的商用探地雷达大多采用这种体制。但是现有的探地雷达系统普遍存在接收机动态范围较小的问题,限制了其在深层探测领域的应用。针对冲激体制探地雷达的大动态范围接收机技术进行深入研究,提出了适用于等效采样电路的时变增益动态范围压 缩技术,设计的动态压缩电路可以有效地对接收信号进行20 dB的动态范围压缩,并且研制出了性能优越的等效时变增益探地雷达接收机。     

浅地层探地雷达合成孔径算法的研究

本文重点总结了目前常用的各种探地雷达合成孔径算法,针对这些算法应用到浅地层的情况进行了研究, 同时提出了一种修改的基于基尔霍夫偏移的合成孔径算法;通过对实测数据的处理,得出结论:基于微波全息成像的SAR 算法和基于Stolt偏移的SAR算法更适合应用到浅地层探地雷达;对于浅地层探地雷达合成孔径算法的研究有重要的指导 意义。     

用于超宽带探地雷达的新型功率纳秒级开关

将高速断路开关与电感储能元件结合应用于功率脉冲产生系统中非常有前景,短时间内负载上产生的脉冲电压是储能元件电压的好几倍.在20世纪末期.发现了一种当电流从正向转至反向时,硅半导体PN结中出现高电压快速恢复现象,由此产生了一种新型固态等离子体断路开关漂移阶跃恢复二极管.这种开关具有长寿命、低抖动、高重频等优点.详细地分析了这种开关快恢复的物理特性,设计了基于此开关的发射机,可应用于探地雷达系统中.     

脉冲探地雷达小型化控制与采集系统设计

根据脉冲探地雷达低成本、高精度和小型化的要求,研制了一种基于微控制器的超宽带(UWB)探地雷达信号控制与数据采集系统。文中分析了延时式等效时间采样原理,阐述了系统总体结构,描述了触发脉冲生成电路和回波数据采集通道的工作原理和设计方法,给出了底层固件的开发流程以及系统软件功能。研制的高集成度嵌入式控制与采集系统,降低了探地雷达系统整体成本,提高了系统的实时性和可靠性。     

一种探地雷达用的渐变槽线加载天线

提出了一种可用于探地雷达系统的电阻加载渐变槽线天线。在分析影响渐变槽线天线加载效果凼素的基础上，提出了一种改进的槽线金属面形状，提高了电阻加载的效果。实际测试结果显示，电阻加载渐变槽线天线拖尾脉冲的幅度非常低。     

超宽带探地雷达多目标压缩感知成像研究

压缩感知成像要求信号在某个域上能满足稀疏性要求,地下多目标在空域上降低了信号的稀疏性,导致成像出现散焦和虚像。扩大成像背景保证了稀疏性要求但又使得成像计算量上升,实时性不足。提出一种根据探地雷达回波特征预提取出潜在目标位置的压缩感知成像方法。通过对数据进行去噪、滑动矩阵过滤来确定目标的水平位置,再对水平位置处的几道A-Scan 数据进行极值搜索,从而可以提取出成像区域目标位置信息,进而在建立成像冗余字典时只需考虑目标位置处的字典元素,无目标处字典元素直接剔除,减少字典建立所需的元素,降低了压缩感知求解计算量。该方法由于只对潜在目标区域进行成像,因此在保证成像实时性的同时也保证了成像精度。实验结果表明算法可行、有效。