合成孔径探地雷达探测浅埋小目标的信号处理算法研究

摘要

探地雷达是一种通过超宽带电磁波进行地下探测的无损探测技术，在国防和国民经济建设方面正得到日益广泛的应用。国际上早在80年代末90年代初就已经基本解决了探地雷达系统硬件设计上的诸多难题，而探地雷达的信号处理技术相对来说还不成熟，因而近年来研究重点转向了信号处理技术的研究，近年来国际上发表的探地雷达文章中，绝大部分文章都是研究探地雷达的信号处理方法，因此本文也定位于探地雷达信号处理方法的研究。
　　早先的探地雷达都是用于中深层探测的，在超宽带技术成熟并应用于探地雷达后，探地雷达才逐渐应用于浅地层探测。因此，与中深层应用的探地雷达相比，探测浅地层的探地雷达的研究时间较短，浅地层探地雷达信号处理技术还不成熟。而在浅地层探测中，地雷等浅埋小目标的探测，对浅地层探地雷达的信号处理方法提出了更高的要求。此外，探测浅埋小目标时，要求雷达具有较高的分辨率，因此合成孔径探地雷达成为研究热门。本文主要研究合成孔径探地雷达浅地层探测应用中的浅埋小目标的探测的信号处理方法。
　　探地雷达按照体制不同可以分为：无载频脉冲雷达，步进频率探地雷达等；按照系统配置不同可以分为：下视探地雷达，前视探地雷达，机载探地雷达等。
　　其中，无载频脉冲探地雷达是目前实际使用最广泛的探地雷达；步进频率探地雷达是近年来国际上的热门研究内容，国内目前还没有研制出步进频率探地雷达系统，且国内对步进频率探地雷达技术的研究还很少；前视探地雷达是近年出现的新型探地雷达，目前国内还没有其他单位研究前视合成孔径探地雷达。本文在国防“十五”预研项目基金的支持下对无载频下视脉冲探地雷达、步进频率下视探地雷达的信号处理算法做了系统的研究，并在自然科学基金的支持下对前视探地雷达的关键技术做了有成效的研究。
　　所用数据主要来自欧盟反雷研究中心以及作者所在课题组采集的数据。所述各种处理方法对作者能得到的探地雷达数据的处理都是有效的，但是限于篇幅，各章并没有列出全部数据的处理结果。本文的主要工作及创新点如下：1.讨论了目前最常用的三种探地雷达杂波抑制方法，并在分析这三种杂波抑制
　　1.讨论了目前最常用的三种探地雷达杂波抑制方法，并在分析这三种杂波抑制方法各自优缺点的基础上，针对基于SaS的杂波抑制方法提出了改进，并提出了一种定量衡量探地雷达杂波抑制效果的方法；最后，用三种常用方法和所提改进方法对实测数据进行了对比处理分析。
　　2.波速估计是探地雷达中计算目标深度和合成孔径成像的基础。本文在分析小目标雷达图像的特点的基础上，提出了基于模板匹配的下视探地雷达波速估计方法；针对前视探地雷达中雷达接收目标后向散射信号，因此目标信号弱，且前视探地雷达中波速变化时，目标回波曲线变化范围小的特点，提出了一种新的前视探地雷达波速估计方法，该方法首先提取目标回波曲线顶点区域，然后在此区域选取对波速变化敏感的回波曲线顶点来估计波速，对实测数据的处理结果表明，所述方法是有效的；
　　3．对已有的探地雷达目标探测方法进行了分析，并根据浅地层探地雷达图像中小目标的雷达图像特点，提出了基于模板匹配的探地雷达目标探测方法，该方法能较准确的探测出探地雷达中的小目标。该方法可以和所提波速估计方法联合应用：首先对某一探测区域的图像用人工方法圈选一个目标回波双曲线，对这个目标回波曲线用模板匹配方法估计波速，然后用估计的波速对整个雷达探测图像进行基于模板匹配的目标自动探测和定位；
　　4．对探地雷达合成孔径成像方法进行了研究。对下视探地雷达提出了基于图像分割的下视探地雷达快速全息合成孔径成像方法；对前视探地雷达，提出了基于等效波场和分层成像的前视探地雷达合成孔径成像方法；分析了单通道步进频率探地雷达和双通道步进频率探地雷达的探测成像原理，并将单通道步进频率探地雷达经过 DFT后获得的频谱图与实际的探测空间相结合,进而提出了单通道步进频率探地雷达合成孔径成像方法；
　　5．讨论了目标识别方法，并针对传统的探地雷达目标特征提取方法提取的目标特征区分度不大的问题，提出了基于核方法的探地雷达目标特征提取方法，该方法首先用基于核的非线性变换，将探地雷达数据投影到高维数据空间，然后在高维数据空间中用传统的探地雷达目标特征提取方法提取目标特征，所述方法提取的目标特征的区分度大，易于识别；所提基于核方法的探地雷达目标特征提取方法中，核矩阵通常是奇异的，而传统的正则化方法存在正则化参数选取困难的问题，针对这个问题，提出了基于PCA（主成分分析）的核矩阵降维重建的探地雷达目标特征提取方法，进一步完善了所提基于核方法的探地雷达目标特征提取方法。
　　此外，本文还讨论了探地雷达的不同类型，合成孔径探地雷达的探测原理，并对探地雷达的进一步研究内容提出了一些建议。

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第一章 绪 论

1.1 探地雷达技术的国内外概况

1.2探地雷达的应用

1.3探地雷达的类型

1.4本文的研究内容及研究意义

1.5 探地雷达信号处理的特点

1.6 本文的内容安排和所做的主要工作

第二章 合成孔径探地雷达探测的基本原理

2.1探地雷达的分辨率

2.2 探地雷达合成孔径成像原理

2.3探地雷达数据形式

2.4 探地雷达中常见介质的特性

2.5本章小结

第三章 探地雷达的杂波抑制方法的研究

3.1探地雷达杂波的特征

3.2常用的三种杂波抑制方法及其优缺点分析

3.3所提杂波抑制方法

3.4对实测数据的处理结果及分析

3.5杂波抑制效果的定量比较

3.6本章小节

第四章 探地雷达波速估计方法的研究

4.1所提基于模板匹配的下视探地雷达波速估计方法

4.2所提前视合成孔径探地雷达波速估计方法

4.3本章小结

第五章 探地雷达目标探测方法的研究

5.1基本原理

5.2 所提目标探测方法

5.3 对实测数据的处理分析

5.4 本章小结

第六章 探地雷达合成孔径成像方法的研究

6.1下视探地雷达的一种快速合成孔径成像方法

6.2 前视探地雷达合成孔径成像方法的研究

6.3 单通道步进频率探地雷达合成孔径成像方法的研究

6.4本章小结

第七章 探地雷达目标分类识别方法的研究

7.1基于核方法的探地雷达目标特征提取方法的研究

7.2所提基于PCA降维重建的探地雷达目标特征提取方法

7.3 本章小结

第八章 全文总结及下一步工作的建议

8.1全文简要总结

8.2下一步工作的建议

参考文献

致谢

个人简历

读博期间作为第一作者发表与录用的探地雷达方面的论文

攻读博士学位期间参与的探地雷达项目