合成孔徑探地雷達探測淺埋小目標的信號處理算法研究.pdf

1、探地雷達是一種通過超寬帶電磁波進行地下探測的無損探測技術(shù)，在國防和國民經(jīng)濟建設方面正得到日益廣泛的應用。國際上早在80年代末90年代初就已經(jīng)基本解決了探地雷達系統(tǒng)硬件設計上的諸多難題，而探地雷達的信號處理技術(shù)相對來說還不成熟，因而近年來研究重點轉(zhuǎn)向了信號處理技術(shù)的研究，近年來國際上發(fā)表的探地雷達文章中，絕大部分文章都是研究探地雷達的信號處理方法，因此本文也定位于探地雷達信號處理方法的研究。
　　早先的探地雷達都是用于中深層探測的，

2、在超寬帶技術(shù)成熟并應用于探地雷達后，探地雷達才逐漸應用于淺地層探測。因此，與中深層應用的探地雷達相比，探測淺地層的探地雷達的研究時間較短，淺地層探地雷達信號處理技術(shù)還不成熟。而在淺地層探測中，地雷等淺埋小目標的探測，對淺地層探地雷達的信號處理方法提出了更高的要求。此外，探測淺埋小目標時，要求雷達具有較高的分辨率，因此合成孔徑探地雷達成為研究熱門。本文主要研究合成孔徑探地雷達淺地層探測應用中的淺埋小目標的探測的信號處理方法。
　　探

3、地雷達按照體制不同可以分為：無載頻脈沖雷達，步進頻率探地雷達等；按照系統(tǒng)配置不同可以分為：下視探地雷達，前視探地雷達，機載探地雷達等。
　　其中，無載頻脈沖探地雷達是目前實際使用最廣泛的探地雷達；步進頻率探地雷達是近年來國際上的熱門研究內(nèi)容，國內(nèi)目前還沒有研制出步進頻率探地雷達系統(tǒng)，且國內(nèi)對步進頻率探地雷達技術(shù)的研究還很少；前視探地雷達是近年出現(xiàn)的新型探地雷達，目前國內(nèi)還沒有其他單位研究前視合成孔徑探地雷達。本文在國防“十五”預研

4、項目基金的支持下對無載頻下視脈沖探地雷達、步進頻率下視探地雷達的信號處理算法做了系統(tǒng)的研究，并在自然科學基金的支持下對前視探地雷達的關(guān)鍵技術(shù)做了有成效的研究。
　　所用數(shù)據(jù)主要來自歐盟反雷研究中心以及作者所在課題組采集的數(shù)據(jù)。所述各種處理方法對作者能得到的探地雷達數(shù)據(jù)的處理都是有效的，但是限于篇幅，各章并沒有列出全部數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。本文的主要工作及創(chuàng)新點如下：1.討論了目前最常用的三種探地雷達雜波抑制方法，并在分析這三種雜波抑制<

5、br>　　1.討論了目前最常用的三種探地雷達雜波抑制方法，并在分析這三種雜波抑制方法各自優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，針對基于SaS的雜波抑制方法提出了改進，并提出了一種定量衡量探地雷達雜波抑制效果的方法；最后，用三種常用方法和所提改進方法對實測數(shù)據(jù)進行了對比處理分析。
　　2.波速估計是探地雷達中計算目標深度和合成孔徑成像的基礎(chǔ)。本文在分析小目標雷達圖像的特點的基礎(chǔ)上，提出了基于模板匹配的下視探地雷達波速估計方法；針對前視探地雷達中雷達接收目

6、標后向散射信號，因此目標信號弱，且前視探地雷達中波速變化時，目標回波曲線變化范圍小的特點，提出了一種新的前視探地雷達波速估計方法，該方法首先提取目標回波曲線頂點區(qū)域，然后在此區(qū)域選取對波速變化敏感的回波曲線頂點來估計波速，對實測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明，所述方法是有效的；
　　3．對已有的探地雷達目標探測方法進行了分析，并根據(jù)淺地層探地雷達圖像中小目標的雷達圖像特點，提出了基于模板匹配的探地雷達目標探測方法，該方法能較準確的探測出探地雷

7、達中的小目標。該方法可以和所提波速估計方法聯(lián)合應用：首先對某一探測區(qū)域的圖像用人工方法圈選一個目標回波雙曲線，對這個目標回波曲線用模板匹配方法估計波速，然后用估計的波速對整個雷達探測圖像進行基于模板匹配的目標自動探測和定位；
　　4．對探地雷達合成孔徑成像方法進行了研究。對下視探地雷達提出了基于圖像分割的下視探地雷達快速全息合成孔徑成像方法；對前視探地雷達，提出了基于等效波場和分層成像的前視探地雷達合成孔徑成像方法；分析了單通道步

8、進頻率探地雷達和雙通道步進頻率探地雷達的探測成像原理，并將單通道步進頻率探地雷達經(jīng)過 DFT后獲得的頻譜圖與實際的探測空間相結(jié)合,進而提出了單通道步進頻率探地雷達合成孔徑成像方法；
　　5．討論了目標識別方法，并針對傳統(tǒng)的探地雷達目標特征提取方法提取的目標特征區(qū)分度不大的問題，提出了基于核方法的探地雷達目標特征提取方法，該方法首先用基于核的非線性變換，將探地雷達數(shù)據(jù)投影到高維數(shù)據(jù)空間，然后在高維數(shù)據(jù)空間中用傳統(tǒng)的探地雷達目標特征提

9、取方法提取目標特征，所述方法提取的目標特征的區(qū)分度大，易于識別；所提基于核方法的探地雷達目標特征提取方法中，核矩陣通常是奇異的，而傳統(tǒng)的正則化方法存在正則化參數(shù)選取困難的問題，針對這個問題，提出了基于PCA（主成分分析）的核矩陣降維重建的探地雷達目標特征提取方法，進一步完善了所提基于核方法的探地雷達目標特征提取方法。
　　此外，本文還討論了探地雷達的不同類型，合成孔徑探地雷達的探測原理，并對探地雷達的進一步研究內(nèi)容提出了一些建議。