探地雷达成像算法研究
摘要
探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)集无损检测、穿透能力强、分辨率高等众多优点而成为检测和识别地下目标的一种有效技术手段。性能优良的探地雷达成像方法有助于精确定位地下目标，同时提高对目标的检测和识别能力，从而推动探地雷达在城市质量监控、地质灾害、考古挖掘、高速公路无损检测、地雷探测等各个方面得到更广泛的应用。
本文以中国电波传播研究所的探地雷达LD-2000为实验设备，从中读取探测数据。以MATLAB为软件平台，实现了探地雷达数据的显示、处理、成像几个部分。其中数据显示方式包括数据的波形堆积图，剖面面色阶图以及带数据波形图；数据处理部分包括直达波的去除、背景噪声的去除、振幅增益等；雷达成像算法部分主要采用波前成像算法和投影层析成像算法。
Imaging Algorithm of Ground Penetrating Radar
ABSTRACT
GPR (Ground Penetrating Radar, referred GPR) set of non-destructive testing, penetration ability, many advantages of high resolution detection and identification of underground and become the target of an effective technical means. Excellent performance GPR imaging approach helps pinpoint underground targets, while increasing the target detection and identification capabilities, thereby promoting the quality of ground penetrating radar surveillance in the city, geological disasters, archaeological excavation, highway nondestructive testing, mine detection, etc. aspects to be more widely used.
In this paper, China Institute of Radiowave Propagation GPR LD-2000 for the experimental apparatus, reads probe data. MATLAB as the software platform to achieve a ground-penetrating radar data display, processing, imaging several parts. Wherein the data includes a data waveform display stacked, with a cross-sectional side view and a gradation data waveform; data processing section includes the removal of the direct wave, the background noise removal, the amplitude gain, etc.; radar imaging algorithm some of the major imaging algorithm and the wavefront projection tomography algorithms.
1 绪论
1．1 选题的背景及意义
雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。而探地雷达则是利用电磁波在地下媒质中的传播与反射特性进行地下不可见目标体或界面的探查与定位分辨。探地雷达实质是向地下发射电磁波，通过电磁波的回波来分析地下的情况[2]。由于地下的物质与空气相比反射情况会复杂的多，因此，与雷达相比，探地雷达的回波很大程度上会受到各种噪声的干扰。探地雷达在工作的过程中不断的接收回波的数据信息，数据量十分庞大，同时，接收的回波信息中，不可避免的会收到外界或者仪器本身产生的干扰[2]。所以在一般情况下，未经过处理的信号几乎无法判别，因此探地雷达处理准确的可视化成像图形分析越来越受到使用者的重视。再者，由于探地雷达现在的应用已经开拓了很大的应用领域，尤其是在工程地质领域的应用。探地雷达开拓应用领域的优点在于:
(1)探地雷达是一种非破坏性的探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场。工作场地条件宽松，适应性强 (对于轻便类的仪器)；
(2)抗电磁干扰能力强，可在城市内各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；
(3)具有工程上较满意的探测深度和分辨率。现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观；
(4)便携微机控制数字采集、记录、存储和处理。轻便类仪器现场仅需3人或更少人员工作，工作效率高。
本文通过系统研究和阅读大量文献资料，着重的研究了从数据的提取到，到探地雷达回波信号的预处理，再到探地雷达成像算法的研究。
1．2 探地雷达成像算法的发展
探地雷达（Ground Penetrating Radar）是利用电磁波探测地下目标，通过分析电磁信号与地下目标的相互作用，提取目标的性质、形状等信息[1]。由于地球表层和人们生产生活的密切关系，电磁波在地下媒质中的传播与反射比空间更为复杂，有许多新的课题需要研究解决，所以探地雷达技术愈来愈受到人们的重视，得
到了迅速的发展与提高，电磁波探测地下目标成为电磁波应用的一个重要领域。
国外发达国家自20世纪60年代以后，探地雷达技术得到迅速发展，国内自20世纪90年代以来也开始重视和发展探地雷达技术的研究和应用，并开发出了实用的产品。但是国内产品在分辨率、使用方便性、对雷达信号成像和图像解译技术等方面与国外产品存在差距，因此，国内探地雷达的应用中绝大多数采用国外的产品。当前随着探地雷达技术的飞速发展，先进的高分辨数据处理和成像技术成为探地雷达技术发展的关键，成像方法也趋于多样化。
探地雷达合成孔径聚焦成像技术自上个世纪90年代初以来已得到逐步应用，同时基于雷达波和地震波在运动学上的相似性，反射地震学上的波动偏移成像技术也逐步应用于探地雷达数据处理和成像[1]。上个世纪70年代初Standford大学的J．Claerbout教授首先提出了用有限差分法解单程波动方程的近似式，用地面观测的地震数据重建地震波在地下传播过程中的波场，从这些传播过程的波场中提取地震界面剖面像的数据，组成地震偏移剖面，这种成像方法即为有限差分偏移成像。在上个世纪70年代后期，R．Stolt和J．Gazdag等人又先后提出了基于波动方程偏移的Stolt偏移成像方法和Phase—Shift偏移成像方法，由于此两种方法在计算中可以充分利用快速傅立叶交换，因此计算简单，效率高，很快得到推广。波动方程偏移成像在最近十年间迅速发展并不断完善，许多人对此做出了有益的贡献。其中，Loewenthal等人的爆炸反射面的概念，Hubral和Lamer等人的深度偏移的概念，A．J．Berkhout提出的偏移过程是一个空间卷积的概念，我国的马在田院士的高阶方程的分裂算法等都为波动方程偏移成像技术的发展作出了贡献，同时促进了探地雷达成像技术的进一步发展。当前仍有许多学者还在探索波动方程偏移成像，以期更加完善该方法，这也必将为探地雷达成像技术的发展注入新的活力。
最近几年，应用于随机不均匀介质中的时逆(Time Reverse)方法成为国际上研究的热点。时逆方法最早是由法国巴黎大学的Mathias Fink教授提出，并在超声医学中进行研究，其可以分为物理时逆和虚拟或计算时逆[3]。在物理时逆中，逆传播场是由发射天线向未知的真实介质辐射的；而在虚拟或计算时逆中，逆传播是在一个虚拟的参考介质中进行数值仿真。物理时逆在医学上已有许多应用，如肾结石的粉碎等，最近也出现了把物理时逆应用到如地雷引爆、通信等方面的探讨。而虚拟时逆主要应用于成像，最近两年，由Rice大学的Liliana Borcea教授、Standford
大学G．Papanicolaou教授、美国Lawrence Livermore国家实验室的J．Berryman
等学者组成的研究小组对随机介质中时逆成像方法的理论进行了大量深入的研究，并基于超声对此理论进行了大量的数值仿真，为时逆成像方法在各个领域的应用提供了坚实的基础。最近，Northeastern大学的Anthony J．Devaney教授在Standford 大学作报告时首先开始了时逆成像方法在探地雷达对地下目标成像中的探讨，为探地雷达成像技术开辟了新的方向[4]。
当前，探地雷达成像技术由于受到各自数学模型的影响，都有自己的不足和
优点。成孔径聚焦成像方法适用条件广，但计算复杂；Stolt偏移成像方法和Phase．Shift偏移成像方法计算简单，但无法适用于复杂的地下结构，复杂的速
度模型；时逆成像方法要求地下介质有随机变化，但变化幅度必须限制在一个很
小的范围[5]。另外，探地雷达像基本上是一个二维截面图，探地雷达三维成像技
术还处于研究之中。探地雷达成像方法作为探地雷达的关键技术之一，其发展方
向是高分辨力、高效率、高精度成像。在此要求之下，在国内外大量科研人员的
不懈努力下，探地雷达技术将不断提高，其应用范围也将逐步拓展。在我国，探
地雷达除了用于各种建筑和公路质量监控外，还将在国防和国家安全部门有很大
的应用前景，现实的或潜在的应用还包括：地雷探测、地下掩体的探测、货物安
全检查、打击毒品走私等方面[7]。
1．3 本文的研究内容
本文的主要研究内容如下：
第一章绪论
本章介绍了课题的选题背景和原因。介绍了探地雷达发展过程，探地雷达成像算法的国内外发展状况以及今后的发展趋势。
第二章探地雷达基础
本章是从电磁波的基础理论出发，讲述了电磁波在岩石介质中的传播特性。同时分析了探地雷达的工作原理和探地雷达回波模型，研究了探地雷达的三种数据显示方式（A-scan,B-scan,C-scan），三种显示方式（Wiggle曲线，灰度图，彩色图）。第三章探地雷达数据预处理
探地雷达所接收到的信号十分复杂，脉冲在通过地下介质的过程中，波形和波幅将发生较大的变化，而脉冲余振、系统内部干扰、地表不光滑或地下介质不均匀
等引起的散射以及剖面旁侧的绕射等干扰，均使得实时记录图像多变和不易分辨。为此我们需要先对我们所测量的数据进行一些处理。做奇异值分解以去除探地雷达最大的干扰成分直达波；做道内增益以补偿电磁波在传播的过程的衰减；对探地雷达数据做中值滤波以去除背景噪声的影响。
第四章探地雷达成像算法的研究
本章开始介绍的两种探地雷达的扫描方式（合成孔径，实孔径）。然后主要介绍基于合成孔径扫描方式下两种成像算法（波前成像算法，投影层析成像）。
投影层析成像与CT类似，通过接收空间各方位的散射场，就可以通过层析技术实现目标的反演。只是在CT中接收的是前向透射场，而在雷达扫描中接收的是后向散射场。目标函数可以用逆拉顿变换得到[8]。
波前重建最早作为地震波迁徙技术出现在地震学中。基于地震波与电磁波传播的相似性，Cafforio和Soumekh提出了两个基本相同的SAR模型。在系统模型中Cafforio和Soumekh运用一阶波恩近似，假定目标电磁散射可以模型化为目标各个离散散射中心相应的矢量和[8]。
2 探地雷达基础
2．1 探地雷达理论基础
2．1．1 电磁场基础理论
探地雷达采用高频电磁波进行探测，电磁波的传播满足麦克斯韦方程组，即
B E t D H J t B D ρ????=-???????=+?????=????=? （2.1）
式中，E 为电场强度(V m ),B 为磁感应强度(T), H 为磁场强度(A m )J 为电流密度(2A m ), D 为电位移(2C m ),p 为电荷密度(3C m )。
式2.1中，各个方程依次分别为微分形式的法拉第电磁感应定律，安培电流环路定律，磁场无源定律以及电场高斯定律。当求解E, B, H 和D 四个未知矢量时，仅己知J 和P 是不够的，需要引入介质的本构关系。本构关系就是场量之间的关系，它决定于电磁场所在介质中的性质。对于均匀、线性和各向同性介质而言，它的本构关系可以简化为
J E D E B H σεμ=??=??=?
（2.2）
式中，σ为电导率(S/m)，ε为介电常数(F/m) , μ磁导率(H/m ) 。
结合介质的本构关系，麦克斯韦方程组可以改写为只含两个矢量场的形式 即
()0
()H E t E H J t H E μεμερ
????=-???????=+?????=????=? （2.3） 麦克斯韦方程组表明，随着时间变化的磁场会产生随时间变化的电场，随时间变化的电场会产生随时间变化的磁场。麦克斯韦方程组揭示的现象简单的说就变化的磁场和变化的电场相互激发，并且变化的磁场和变化的电场以一定的速度向外传播，这就形成了电磁波[9]。
2．1．2 电磁波在岩土介质中的传播
电磁波根据其波面的形状可以分为平面波、柱面波和球面波，其中平面波是最基本、最具有电磁波普遍规律的电磁波类型。探地雷达所发射的的电磁波可以经傅立叶变换换算一系列的谐波，这些谐波近似为平面波，则探地雷达电磁波传播以平面谐波的传播规律为基础。
在实际应用中，介质为有损介质，即电导率0σ≠。根据欧姆定律0J E σ=≠，麦克斯韦方程组可写成如下复数形式
()0
E j H H j E j E H E ωμσωεωερ??=-????=+=????=????=?
（2.4） 其中，
(1)c j σεεωε=-为介质中的等效复介电常数。由此可以得出如下波动方
程: 222c E E E ωμεγ?=-= （2.5）
其中，22c γωμε=-为复数，令j γαβ=+，则可得到衰减常数α（Nb m ）、相
位常数β（rad m ）。
αβ??=????=???
（2.6） 在探地雷达应用中，我们通常比较关心电磁波的传播速度和衰减因子。其中电磁波的相速度并不是一个常数，而是频率ω的函数，即(,,,)p p v v ωσεμ=，即
p v ωβ== （2.7） 在描述导电介质中均匀平面波特性的公式中，)σωε称为损耗角正切，表示了导电电流和位移电流幅度之比。当σωε>>时，只有位移电流则为理想介质;当0σ=时，传导电流远远小于位移电流为低损耗介质;当σωε<<时，传导电流远远大于位移电流为良导体。损耗角正切与,,ωσε三者都密切的关系，即便在同一介质中，对于不同频率的电磁波，其体现出来的介电常数与电导率会随之变化。
若介质为低损耗介质，即σωε<<，此时
p v αβωβ?=???=???==?? （2.8） 此时，平面波的电场强度近似等于磁场强度。大多数岩石介质为非磁性、非导
电介质，其传播速度为p v =，其中c 为光速，r ε为相对介电常数。此时，电
磁波的速度主要取决于介质的介电常数。衰减常数与电导率成正比，与介电常数的平方根成反比，电磁波能量的衰减主要是由于感生涡流损失引起的。
若介质为良导体，即σωε>>，此时
p v αβωβ?≈≈=????=≈??
（2.9） 此时，随着电导率、磁导率增加，以及电磁波频率升高，电磁波的衰减越快。波速与频率的平方根成正比，与电导率的平方根成反比，波速是频率和电导率的函数[7]。
2．1．3 探地雷达工作原理
探地雷达利用主频为数十兆赫兹至上千兆赫兹的高频电磁波，以高频带短脉冲的形式由Tx 向地下发射，经由地下目标体或者地层反射回来并由接收线圈Rx 所接收。当相邻介质的电磁特性有差异时，电磁波在接触面附近发生电磁波的反射与折射等现象，每次遇到存在电磁特性差异的接触界面电磁波均发生反射与折射。原理如下图2.1所示
图2.1 探地雷达探测示意
脉冲波双程走时为p t v =，对于雷达波速p v
，可以采用/p c v =似求解。
电磁波垂直入射的情况下，反射系数R 由接触界面两侧介质的相对常数1ε，
2ε确定，如下
R=（2.10）
探地雷达移动发射和接收天线的同时，接收到反射电磁波的双程走时相应变化，如下图2.2所示为同步移动发射和接收天线，对地下目标体反射波接收的原理图及回波曲线图。
图2.2 探地雷达探测原理及对应的回波曲线
2．1．4 探地雷达回波模型
根据电磁波传播和反射理论，对于近距离的探地雷达，接收信号常常由四个部分组成:天线串扰、地面反射、目标反射和白噪声。模型如下图所示：
图2.3 探地雷达接收信号模型图
因此，接收信号可公式化为:w s b c n
=+++。公式中各个变量分析：
C 是发射天线和接收天线之间的串扰信号。一般情况下，当发射天线和接收天线之间位置固定后，信号C可以认为是一个确定的信号。对于这个干扰信号可以通过天线校正或者在发射天线和接收天线之间加屏蔽隔板进行消除。
b信号是地面反射信号及地下各种杂质干扰带来的噪声信号。由于天线和地面之间的阻抗不匹配，所以引起电磁波的多次反射。地面的第一次反射信号最强，以后逐渐衰减。对于探测浅地层的探地雷达来说，这种多次反射造成的影响是较大的，地下各种杂质带来的干扰统称为背景噪声。都是在杂波抑制中要去除的信号。
S信号是目标反射的信号，也是真正需要的信号。这是一个与目标体相关的确定信号，由于与到达的时间和目标体的位置有关，因此它也是一个变化的信号；n 是噪声项，它由测量噪声和模型噪声组成，可以假定它是一个加性高斯白噪声[4]。
本文中的杂波抑制算法部分即是根据上述这些杂波的特性，完成一个信号处理的算法对上述的杂波干扰给予有效的去除。
2．2 探地雷达数据显示
探地雷达的工作方式是在水平方向的一个位置上，发射天线对地下发射脉冲信
号，接收天线接收在该位置上的回波信号，以此作为一列的回波数据;然后收发天
线移动到下一位置，发射天线再对地下发射脉冲信号，接收天线再接收在该位置上的回波信号并作为新的一列回波数据;以此类推，等间隔的移动N 个位置，便可接收到N 列的回波数据，即得到一次扫描的数据。如下图所示，是在一个位置上接收到一列回波信号的情况，称之为A 扫描(A 一Scan)。
图2.4 探地雷达A-scan 示意图
0100200300400500600
-1-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
4
图2.5 探地雷达A-scan 数据图
下图所示的是在等间隔的N 个位置上接收到的N 列回波信号的情况，称之为B 扫描(B-Scan)。
图2.6 探地雷达B-scan示意图
由上图所示可知，一个B扫描是由N个A扫描组成，当对一个B扫描的回波信号进行抽样量化后，便得到探地雷达的原始数据，它是一个M N
的矩阵。(M是对每个A扫描数据的采样点数，N是包含的A扫描的个数)。若对一个B扫描的图像直接成像，将在所成的像中看到一条由目标反射所形成的范围很宽的双曲线带。本文的算法针对的是B-Scan的数据进行数据处理和成像。
若数据采集在x0y平面内，沿多条平行的测量线，完成对某一区域的测量，这种扫描方式为C-scan。C-scan数据是由多条测量线的B—scan数据所构成，可对媒质内部形成立体全面的扫描[8]。
2．3 探地雷达的显示方式
2．3．1 Wiggle曲线的显示方式
在分析探地雷达信号过程中，Wiggle曲线图能从整体上、直观的解释不同深度的接收到回波的变化情况，是解释地质情况的重要分析方法。在一个探地雷达的二维成像图中，如果能够通过曲线描绘出各个通道振幅变化情况，那么这样的曲线就是Wiggle曲线。实际上，Wiggle曲线是并不是由一条曲线而成的，每通道的曲线都是由许多小线段组成。线段的横坐标表示通道数，纵坐标表示时间深度，幅值则由数据值的大小来表示。Wiggle图能较为直观的看出通道波形的变化以及同相轴的位置[2]。Wiggle曲线的算法可以表述如下。
探地雷达的数据值，表示幅值的大小，正负表示方向。并且在二维图像的位置
不会由于数值大小的改变而发生位置改变的现象。根据这个特点，可以将每通道振幅归一到[-1 ,1]的范围内。
归一化的方法是，遍历各个通道数据，找出各通道数据中绝对值最大的数据max i D ，与其对应的通道数据都以这个最大值作为基准值进行相应的计算。己知，
某采样点的值为raw D ，那么归一化后的值为max show raw i D D D 。
显示Wiggle 曲线，需要计算各道曲线的间隔。设定各个基本参量和其对应的计算表达式如下表2.1所示。
表2.1 wiggle 曲线坐标设置 基本参数
计算表达式 设置显示的X 轴长度
Ntraces 设置显示的Y 轴长度
Nscale 横轴各道间隔
Trace = ntraces/tracescount 纵轴各采样点间隔
Avsample = nscale/samplecount 各点X 轴坐标
Trace*itrance + trace*Dshow 各点Y 轴坐标 Avsample*jscale
将各坐标点依次连接，在MATLAB 中，主要是通过plot 指令完成曲线的绘制。
5001000150020002500
050
100
150
200
250
300
350
400
450
500
图2.7 探地雷达wiggle 图显示
2．3．2 灰度图显示式
在MATALB 中，inshow (Data)用于显示导入的雷达采样数据图。在没指定颜色情况下，默认颜色映像是‘jet'。colormap)函数用于设定颜色映像，colormap (gray)用于设定常用的灰度图显示方式。灰度图显示方式是以各个色度的大小来区分各个扫描道的雷达波的振幅值大小，同时，各个扫描道按照一定的位置以及时间的间隔进行顺次排列，显示出渐变且均匀的灰度图。
5001000150020002500
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
图2.8 探地雷达灰度图显示
2．3．3 彩色显示方式
彩色显示方式是利用不同的色彩代表不同的扫描道的雷达波的振幅值。与灰度图显示方式一样，各个扫描道按照一定的位置和时间的间隔进行顺次排列，显示出渐变、均匀并且无断层现象的彩色显示方式。为了能够更加直观表示雷达图像中的目标区域，在绘图中，用两种颜色分别表示雷达数据中的最大值和最小值，定义渐变的变化模式。彩色显示也是本研究中主要的显示方式。显示效果如下图
探地雷达原始数据图像彩色显示
5001000150020002500
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
图2.9 探地雷达数据彩色显示
3探地雷达数据的预处理
在探地雷达成像过程中，数据的预处理和成像算法是密不可分的两部分。本文的主要流程也是按照这两部分展开。由下图为本文的主要流程图
图3.1 探地雷达主要流程图
从图中可以看出预处理是成像处理的基础。
一般来说，信号预处理的目的是减少杂波对目标回波的干扰，尽可能的恢复目标回波的数据。在原始探地雷达信号中，由于干扰噪声的存在，导致目标的反射回波无法得到有效的显示。因此，使得对于地下目标的探测变得非常困难，给探地雷达工作者带来了不必要的问题。针对探地雷达的噪声分析，发现各类的干扰噪声信号，都具有其自身的特点。可以通过相应的方法去除或抑制那些非目标的反射波信号，使目标回波得到增强，使得目标的得到有效的探测出来。
3．1 探地雷达直达波的去除
根据去除方法的不同，可以将直达波去除方法分为两类。一类是依据直达波与目标回波的不同特性，在不同的域内直接滤除的方法，主要有时间窗去除法、二维滤波法、小波变换去除法、子空间投影去除法、主元分析去除法等。另一类是根据接收信号先估计出直达波的参考波形，然后在接收信号中减去参考波形，以达到抵消直达波的目的，可统称为抵消法，这一类主要有参考波抵消法、平均抵消法、参数模型抵消法、信号模型去除法、自适应抵消法等。本文主要研究的是主元分析去除法作为直达波的去除方法[8]。
如果根据直达波和目标回波目标回波在二维扫描图像上的差异，将其投影到不同的子空间中，在去除直达波所在子空间后，重构信号可以实现直达波的去除，这种方法即为子空间投影去除法。利用奇异值分解（SVD）、主元分析（PCA）、独立元分析（ICA）等方法，可对接收信号矩阵进行分解，实现子空间投影。本文所研究的是基于奇异值分解的主元分解的主元分析去除法[9]。
主元分析方法（PCA）又被称为主成分分析方法，是一种建立在最小均方误差
基础上的线性变换处理方法。作为一种多元统计方法，主元分析可以将一组变量的原有特征进行组合，抽取所谓的主元作为新的特征，并保证熵达到极小值。
实际应用中，探地雷达接收到的B-scan 信号可以表示为矩阵M N R W R ?∈，其中
M 为某测线的测量点数目，N 为时间上的采样点数。对R W 进行奇异值分解：
,1,min{,}P
T
T R i i i i i W UDV u D v P M N ====∑ （3.1） 其中,123{}{,,,...,}M N m i N U U u u u u R ?==∈，
,123{}{,,,...,}M N n i N V V v v v v R ?==∈为正交矩阵，其中列向量分别为对称矩阵T R R W W 和T R R W W 的特征向量。N N D R ?∈为对角阵，对角元素即为其奇异值，按从大到小排列，可以表示为1,12,2,...N N D D D ≥≥≥。令,i i j i y D v =，i=1,2,3…N ，i y 即为”主元”，对应时间采样信息。接收信号矩阵R W 就可以认为是主元i y 与相应特征图像的i u 的加权和，即1N
R i i i W u y ==∑。由于V 为正交矩
阵，因此,0T i i i j y y ?≠=。
接收信号矩阵可以表示为R R R W S D =+,其中R S 与R D 分别为目标回波信号矩阵
和直达波信号矩阵。由于在同一测线的各个测量点直达波信号变化不是很大，因此在理想情况下可以近似认为个测量点直达波相同，即直达波矩阵R D 秩为1。而对于
地下目标的反射回波信号会变化，在B-scan 图上一般多呈双曲线形状，因此目标反射回波矩阵R S 的秩大于1。由
2
()(,)(,),min l R i j R i j i j err W W =-→∑ （3.2）
可知，当l =1时，即(1)11R W W σ=为矩阵R W 的最近秩1矩阵，由于直达波信号能
量远远大于目标回波信号，矩阵(1)R W 在R D 中占主导地位，其秩为1，及(1)R W 包含R
D 的全部或者绝大部分信息，仅含有少许的目标回波信号的信息，通过去除(1)R W 可以有效去除直达波，并较好的保留目标回波信号的信息，通过去除(1)R W 可以有效去除直达波，并较好地保留目标回波的信息。
探地雷达操作规程 （文件编号：****-010） 共1页第1页版本/版次：D/ 0 生效日期：2016-01-01 1. 目的 为了使检测员更好地熟悉和掌握检测仪器的操作方法，保证检测数据的科学、公正和准确性，特制定本规程。 2. 适用范围 适用于探地雷达仪器 3 操作步骤 3.1测试前的安装准备 检查所有部件是否带齐，包括：电池、雷达主机、数据线、处理器电源线、信号线、工具箱、备件、固定用绑扎带、记录本； 3.2试验/检测的工作程序 （1）测试连接。将地质雷达天线通过支架安装。 （2）在扫描前调试主机并对主机进行参数设置。 （3）打开电源，控制天线移动的人员根据操作主机的人员口令，将天线紧贴待测界面上匀速移动。 （4）测试结束。按下stop结束测试点，保存文件并退出； （5）拆除信号线，拆除天线，支架。 3.3扫描之前的仪器调试和参数设置 （1）菜单系统—>设置—>调用，选择所用的天线。 （2）系统—>单位垂直刻度设为时间，单位为ns （3）测程：900M天线探测混凝土的量程约为15纳秒，为使所有有效信号完全显示，一般设置为20ns （4）采样点数：一般设为512或1024 采样点数越多，扫描曲线越光滑，垂直分辨率越好。但是采样点数增大，使得扫 描速率下降 （5）每秒扫描数：64 （6）增益点数：2 （7）垂向高通滤波器：225MHz
（8）垂向低通滤波器：2500MHz （9）数据位：16位 （10）发射率：100 KHz，发射功率越高，采集速度越快，但若采集过高，易损坏雷达系统 （11）信号位置设为手动 （12）表面设为0 （13）调出完整的直达波（首波），调整延时参数 若检测结构与上次相同，可不再次设置以上参数，系统默认上次检测参数。 （14）增益设置为自动，增益函数手动设置，可以改变增益点数多少、并且可以调整各增益点的函数大小，进而调整信号强度。增益函数调整过大，在探测资料中可能 人为造成假象。设置方法为先设为手动，再设为自动。 编制/日期：批准/日期：
探地雷达成像算法研究 摘要 探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)集无损检测、穿透能力强、分辨率高等众多优点而成为检测和识别地下目标的一种有效技术手段。性能优良的探地雷达成像方法有助于精确定位地下目标，同时提高对目标的检测和识别能力，从而推动探地雷达在城市质量监控、地质灾害、考古挖掘、高速公路无损检测、地雷探测等各个方面得到更广泛的应用。 本文以中国电波传播研究所的探地雷达LD-2000为实验设备，从中读取探测数据。以MATLAB为软件平台，实现了探地雷达数据的显示、处理、成像几个部分。其中数据显示方式包括数据的波形堆积图，剖面面色阶图以及带数据波形图；数据处理部分包括直达波的去除、背景噪声的去除、振幅增益等；雷达成像算法部分主要采用波前成像算法和投影层析成像算法。
Imaging Algorithm of Ground Penetrating Radar ABSTRACT GPR (Ground Penetrating Radar, referred GPR) set of non-destructive testing, penetration ability, many advantages of high resolution detection and identification of underground and become the target of an effective technical means. Excellent performance GPR imaging approach helps pinpoint underground targets, while increasing the target detection and identification capabilities, thereby promoting the quality of ground penetrating radar surveillance in the city, geological disasters, archaeological excavation, highway nondestructive testing, mine detection, etc. aspects to be more widely used. In this paper, China Institute of Radiowave Propagation GPR LD-2000 for the experimental apparatus, reads probe data. MATLAB as the software platform to achieve a ground-penetrating radar data display, processing, imaging several parts. Wherein the data includes a data waveform display stacked, with a cross-sectional side view and a gradation data waveform; data processing section includes the removal of the direct wave, the background noise removal, the amplitude gain, etc.; radar imaging algorithm some of the major imaging algorithm and the wavefront projection tomography algorithms.
探地雷达的发展与现状 探地雷达的历史最早可追溯到20世纪初。1904年，德国人Hülsmeyer首次将电磁波信号应用于地下金属体的探测。1910年，Leimback和L?wy以专利形式提出将雷达原理用于探地，他们用埋设在一组钻孔中的偶极天线探测地下相对高导电性质的区域，正式提出了探地雷达的概念。1926年Hülsenbeck第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路，他指出介电常数不同的介质交界面会产生电磁波反射。由于地下介质具有比空气强得多的电磁衰减特性，加之地下介质情况的多样性，电磁波在地下的传播比空气中复杂的多，之后二三十年尽管在美国出现过一些相关的专利，这项技术很少被运用到其它领域,直到50年代后期，探地雷达技术才慢慢重新被人们所重视。探地雷达在矿井(1960,、冰层厚度(1963,、地下粘土属性(1965,Barringer)、地下水位(1966,Lundien)的探测方面得到了应用。1967年，一个与stern最初用于冰川探测的仪器类似的系统被设计研制出来，1972年Procello将其于探测月球表面结构。同样在1972年，Rex Morcy和Art Drake开创了GSSI(Geophysical Survey Systems Inc.)公司，主要从事商业探地雷达的销售。随着电子技术的发展，数字磁带记录问世，加之现代数据处理技术的应用，特别是拟反射地震处理的应用，探地雷达的实际应用范围在70年代以后迅速扩大，其中有：石灰岩地区采石场的探测(1971,Takazi;1973,kithara;)、淡水和沙漠地区的探测(1974,、工程地质探测(1976,和、煤矿井探测(1975,、泥炭调查(1982,、放射性废弃物处理调查(1982,、以及地面和井中雷达用于地质构造填图(1997, )、水文地质调查(1996, ;1997,Chieh-Hou Yang )、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测、水坝的缺陷检测、隧道及堤岸探测等。自70年代以来、许多商业化的通用数字探地雷达系统先后问世，其中有代表性的有：美国Geophysical Survey System Inc公司的SIR系统、Microwave Associates 的MK系列，加拿大Sensor & Software的Pulse Ekko系列，瑞典地质公司(SGAB)的RAMAC/GPR系列，日本应用地质株式会社OYO公司的GEORADAR系列及一些国内产品(电子工业部LTD系列，北京爱迪尔公司CR-20、CBS-900等)。这些雷达仪器的基本原理大同小异，主要功能有多通道采集、多维显示、实时处理、变频天线、多次叠加、多波形处理等，另外还有井中雷达系统，多态雷达系统，层析成像雷达系统等。国内探地雷达的研究始于70年代初。当时，地矿部物探所、煤炭部煤科院，以及一些高校和其他研究部门均做过探地雷达设备研制和野外试验工作，但由于种种原因，这些研究未能正式用于实际。90年代以来，由于大量国外仪器的引进，探地雷达得到了广泛的应用与研究。1990-1993年，中国地质大学(武汉)在国家自然科学基金
浅谈探地雷达的原理与特点 摘要：地下管线系统的建立是城市现代化建设的重要因素，但由于地下管线中的非金属管线的大量存在以及城市建设快速安全的需要，探地雷达探测技术的独特优势就显现出来，本文通过对探底雷达和地下管线的分析，为应用探底雷达在城市地下管线建设提供参考。 关键字：探地雷达；地下管线；探测技术 0 引言 随着城市现代化的发展，地下管线的密集程度也在不断地扩大。地下管线作为城市的重要基础设施之一，它一方面关系着城市居民生活及城市工业的发展，担负着巨大的社会责任，另一方面又由于它深埋于地下，具有不透明性，纵横交错、结构复杂。近年来，在许多大城市出现施工时挖断通信、电力电缆导致通讯中断、区域性停电、停产事故，这些事故给该地区经济和人们的生产生活带来了巨大的损失。因此，地下工程在施工时如何避免破坏这些地下管线就变得越来越重要，建立完整的城市地下管线系统成为现代城市快速建设的关键因素。 探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一种对地下或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁法，并以其探测的高分辨率和高效率而成为地球物理勘探的一种有力工具。随着信号处理技术和电子技术的不断发展及工程实践的增多和经验的不断积累，探地雷达技术也得到极大提高，仪器也不断更新，探地雷达检测技术具有分辨率高、采集速度快、后期数据处理简便等特点。因此在铁路、公路、建筑、市政、考古等领域得到广泛的应用,并受到广大现场技术人员的认可和喜爱。 1 探地雷达的发展 国外探底雷达技术最早可追溯到二十世纪初，西方国家以专利形式提出将雷达原理用于探地，正式提出了探地雷达的概念。但是直到50年代后期探地雷达技术才被慢慢重视起来。探地雷达在矿井、冰层厚度、地下粘土属性、地下水位等方面的得到了应用。1967年，一个与Stern最初用于冰川探测的仪器类似的系统被设计研制出来，1972年，Rex Morcy和Art Drake开创了GSSI公司，主要从事商业探底雷达的销售。随着电子技术的发展，电子存储设备的问世，加之现代数据处理技术的应用，特别是拟反射地震处理的应用，探底雷达的应用领域迅速扩大，其中有：石灰岩地区采石场的探测、淡水和沙漠地区的探测、工程地质探测、煤矿井探测、泥灰调查、放射性废弃物处理调查、埋设物探测、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、水坝的缺陷检测、隧道及堤坝探测等。 自70年代以来，许多商业化的通用数字探地雷达系统先后问世，其中有代表性的有：美国GSSI公司的SIR和MK系列，加拿大Sensor&Software公司的Pulse Ekko系列。这些雷达的基本原理大同小异主要功能有多通道采集、多维显示、实时处理、变频天线、多次叠加、多波形处理等，另外还有井中雷达系统，
道路探地雷达检测方法 1 检测仪器及设备 1.1 探地雷达主机技术指标应符合下列规定: 1 系统增益应不低于120dB； 2 信噪比应不低于60dB； 3 模数转换应不低于12位； 4 信号迭加次数应可选择； 5 采样间隔宜不大于0.5ns； 6 实时滤波功能可选择； 7 应具有点测与连续测量功能； 8 应具有手动或自动位置标记功能； 9 应具有现场数据处理功能。 1.2 探地雷达天线可采用不同频率的天线组合，技术指标应符合下列规定: 1 应具有屏蔽功能； 2 最大探测深度应大于2m； 3 垂直分辨率应高于2cm。 1.3 探地雷达工作环境应符合下列规定: 1 工作环境温度-10℃～+40℃； 2 工作环境湿度<90%。 2 现场检测 2.1 检测前的准备应符合下列规定: 1 检测前应对被检工程进行现场调查，搜集设计、施工资料，了解工作条件及环境安全状况。 2 应调查施工过程中特殊施工段，记录结构物位置和影响检测工作障碍物和电磁干扰源的位置。 3 应调查已发病害，并记录其位置和类型。 4 检测前应正确连接雷达系统，并在检测前进行试运行。 5 检测前应准确标记检测里程桩号及测线位置。 6 测量轮连续采集时应保持测量轮随检测距离运转良好，计程准确。
7 在不间断通行道路检测时，检测仪器车后应跟保通警示车辆，检测车内应有专人负责安全。 2.2测线布置应符合下列规定： 1 测线布置应以纵向布线为主，横向布线为辅。 2 每车道应布设一条纵测线。应选取有代表特征部位布设部分横测线，对于重点病害异常区段宜进行加密测线，必要时应根据缺陷目标体形状布置横向测线。 3 测线每1km应有一个里程标记，标记应清晰。 2.3 介质参数标定应符合下列规定: 1 检测前应对道路结构层的介电常数或电磁波速做现场标定，每同类道路结构层宜不少于3处，取平均值为该类道路结构层的介电常数或电磁波速。当检测长度大于10km时应适当增加标定点数。 2 标定宜采用钻孔实测方法，标定记录中的界面反射信号应清晰、准确。 3 标定结果应按下列公式计算： （2.3-1） （2.3-2） 式中：ε—相对介电常数； v—电磁波速(m/s)； t—双程旅行时间(ns)； d—标定目标体厚度或距离(m)。 2.4现场参数应根据检测目标体特征而设定，检测参数应包括中心频率、时窗、采样率、测点点距等。现场检测参数设定应符合下列规定: 1 天线中心频率应按下列公式选定: （2.4-1） 式中：f —天线中心频率(MHz )； x—要求的空间分辨率； ε—相对介电常数。 2 时窗应按下列公式确定:
ReflexW读取意大利IDS雷达数据DT和处理方法 Dr.Zhang/ 2020.2.23 1雷达数据 1.1雷达数据文件 .DT格式（意大利RIS系列探地雷达的数据格式） 国内其他常用的GPR数据还包括：，DT1格式（加拿大Pulse-Ekko 系列探地雷达的数据格式）以及RD3格式(瑞典MALA系列探地雷达的数据格式)。GSSI 公司的TerraSIRch SIR3000地质雷达系统(简称SIR-3000) ，格式dzt（美国SIR系列探地雷达的数据格式）。 1.2 雷达文件.DT数据 目IDS的探地雷达（GPR）数据格式。
2REFLEXW软件简介 2.1 REFLEXW软件简介 本文基于MATLAB开发的GUI界面，主要实现了REFLEXW软件的相应功能。 REFLEXW是地质雷达数据（类地震）数据处理及解释软件，应用于地质雷达的数据处理以及资料解释。Reflexw软件兼容了世界上大多数雷达的数据格式，在欧美地区，Reflexw已经成为了地质雷达数据处理的标准软件。随着地质雷达行业的发展，在国内也越来越多的人开始使用Reflexw软件。 软件特点：功能强大，可做多种滤波处理可对个雷达数据进行批量处理导入GPS数据，可绘制测线轨迹、修正地形可显示测线中的标记对不需要的雷达数据可进行删除可做2D剖面处理和3D时间切片处理。 2.2 REFLEXW软件功能分析 通过REFLEXW软件，可以实现对探地雷达数据的读入，一维滤波，校正，二维滤波，波形图观察等功能，REFLEXW提供了较为全面的滤波手段，可以将探地雷达图谱处理的更加容易观察 在REFLEXW软件中，在显示数据方面，也同样提供了大量的处理方式。其中，最主要的处理方式为Plot Options。在Plot Options选项中，包括了绘图模式，点模式比例，能量衰减和振幅比例。其中，点模式比例又分为了XY比例绘图，每样点像素，每道像素，能量衰减，振幅比例。以上的这些选项，在用户导入探地雷达图谱之后，可以对图谱进行一个基本的预处理，或者通过不同的方式来观察图谱。 3 读取.DT文件 3.1 建立预处理的工程文件 雷达信号分析时会产生一系列的文件，因此最好为每个雷达文件建立一个工程，并指定其存放位置。ReflexW会自动生成相应的文件。
本技术公开了一种基于MATLAB的二维探地雷达三维成像方法，包括以下步骤：S1、对二维探地雷达进行组装和调试；S2、对采集路线中的各条车道进行数据采集；S3、三维成像模型建立；S4、对三维成像模型进行外观优化和尺寸调整；S5、三维数据导出；S6、数据格式转换；S7、三维反射电压数据模拟；S8、对最大及最小值的颜色进行设定；S9、将三维数据导入三维成像模型，得到三维成像；S10、对异常位置进行切片化显示，直观地显示出道路深层病害。本技术通过三维模型的建立与优化，形成能够容纳三维雷达数据的成像模型，在将模拟的三维数据导入后，实现三维雷达成像，并具备图像切割功能，以便观察道路内部异常图像。 权利要求书 1.一种基于MATLAB的二维探地雷达三维成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： S1、准备工作：对二维探地雷达进行组装和调试，将其安装在雷达车上，确认进行数据采集的路段和采集时间，并制定数据采集计划； S2、数据采集：通过雷达车按照采集计划中的采集路线，对采集路线中的各条车道进行数据采集，为让雷达车按直线行驶，在采集左轮迹带时，将左轮轧在车道左标线上；在采集右轮迹带时，将右轮轧在车道右标线上；通过二维探地雷达配套数据处理软件Pavecheck对数据进行数据完整性检查； S3、三维成像模型建立：通过生成超立方体定义域中的数据点矩阵的方法，在MATLAB中建立用于存储三维数据的三维矩阵，作为三维成像模型；S4、模型优化：对三维成像模型进行外观优化和尺寸调整，使其符合道路外形； S5、三维数据导出：通过二维探地雷达配套数据处理软件Pavecheck对数据进行导出； S6、数据格式转换：对导出的数据进行格式转换，转换为MATLAB中三维成像模型能够识别的Excel格式数据； S7、三维反射电压数据模拟：目前采集到的单车道测线为3条，将两条测线间的数据进行线性扩充模拟，每两条测线间的数据扩充4组，提高其分辨率； S8、颜色设定：对最大及最小值的颜色进行设定；
浙江公路技师学院试验检测中心 作业指导书 （版本：第一版第0次修订） 文件编号：GLJX/ZD-32-2017 试验类别：探地雷达测路面厚度检测作业指导书 编写： 审核： 批准： 受控状态： 分发号： 20XX年XX月XX日发布20XX年XX月XX日实施浙江公路技师学院试验检测中心
目录 目录 (2) 1、目的与适用范围 (3) 1.1 (3) 1.2 (3) 2、依据标准 (3) 3、仪具与材料技术要求 (3) 3.1 (3) 3.2 (3) 4、方法与步骤 (4) 4.1 准备工作 (4) 4.2 测试步骤 (8) 5、数据导出 (8) 5.1 (8) 5.2 (8) 6、数据处理 (11) 6.1 (11) 6.2 (11) 7、报告 (11)
GSSI Sir30数据采集作业指导书 1、目的与适用范围 1.1本方法适用于采用短脉冲雷达检测沥青路面面层厚度，可供道路施工过程质量控制、质量评定及旧路调查使用。 1.2本方法不适用于潮湿路面或用富含铁矿渣集料等介电常数较高的材料铺筑的路面。 2、依据标准 《路基路面现场测试规程》JTG E60-2008 3、仪具与材料技术要求 3.1雷达测试系统由承载车、发射天线、接收天线和控制单元等组成。 3.2测试系统技术要求和参数 (1)距离标定误差：≤0.1%； (2)最小分辨层厚：≤40mm； (3)系统测量精度要求如下表： 测量精度技术要求
(4)天线：采用空气耦合方式，带宽能适应所选择的发射脉冲频率。 4、方法与步骤 4.1 准备工作 (1) 检测前应收集设计图纸、施工配合比等资料，以便合理确定标定路段。 (2) 给电池及笔记本电脑充满电，保证野外数据采集能够正常进行。 (3) 把主机、天线、大缆及其他配件列一个详细清单，出野外之前由专人照着清 单清点一遍，保证需要带的设备全部齐全。 (4) 先连接系统各个部件，笔记本电脑+主机+电缆+天线+标记杆+测距轮； 注：设备连接要求无电操作不能带电连接、插拔各个部件，电缆连接防止虚接。联机时注意电缆接口方向，电缆接头应与面板垂直，拧紧，与主机端旋转至红线处。天线端旋转至三个小卡槽露出，同时注意固定电缆。电缆与天线应用环行扣连接。 (5)数据采集---参数设置 双击采集软件图标，进入如下系统设置界面：
探地雷达数据采集以及解释 山东大学岩土中心
第1章．探地雷达简介 1．1工作基本原理 探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是利用频率介于106～109Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器。随着微电子技术和信号处理技术的不断发展，探地雷达技术被广泛应用于工程地质勘察、建筑结构调查、公路工程质量检测、地下管线探测等众多领域。 探地雷达的基本原理如图1所示。发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。对所采集的数据进行相应的处理后，可根据反射波的旅行时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的，所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。其中，目标体与介质间的电性差异越大，二者的界面就越清晰，表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续。可以说，目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本条件。 图1 探地雷达基本原理 1．2电磁波传播特征 探地雷达的电磁脉冲在介质中的传播速度为： v = 其中c为电磁波在空气中的传播速度，ε为介质的介电常数，常见介质的介电常数如表1所示。
材质相对介电常数材质相对介电常数 粉质粘土 6 水81 干砂3～5 灰岩4～8 湿砂20～30 花岗岩4～7 金属300 砂岩 6 PVC塑料 3.3 页岩5～15 混凝土 6.4 淤泥5～30 空气 1 海水80 粘土5～40 表1各种常见介质的介电常数 电磁波脉冲在地质界面上的反射系数为： k= 根据电磁脉冲的传播规律，在地质界面上如果反射系数为负，则相位与发射脉冲相反，若反射系数为正，则相位与反射脉冲一致。如图2和图3，可以清除看到反射波相位的变化规律。 图2
摘要 有大量的记载探地雷达的相关书籍和论文，我们可以对探地雷达的发展概况有一个大致的了解，不难看出探地雷达未来的发展方向。 多输入多输出（Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO）雷达是在数字阵列雷达、多基雷达以及现代通信技术基础上发展起来的一种新体制雷达，具有显著的技术优势和巨大的发展潜力，逐渐成为下一代雷达的主要发展方向之一。 由于采用了波形分集技术，与传统相控阵雷达相比，MIMO雷达具备多项优点，如突破阵元间距半波长限制、提高角度分辨率、提高系统自由度等。MIMO雷达在提高信号处理灵活性的同时，也由于其新体制特征及结构特点，带来了新的问题，如多通道积累检测问题，波形设计和阵列结构优化问题以及系统自由度过高导致的自适应算法性能下降等问题。 雷达成像方面有很多相关的软件，比如GprMax，一款基于FDTD（时域有限差分）的探地雷达仿真软件，其生成文件包括几何图和数据剖面图，这些生成文件是由MATLAB 读取的。 雷达成像最关键的部分就是成像的算法，通过对算法的不断研究和改进，提出了很多算法，有些算法可以相互结合，从而改善成像效果，基于不同的理论基础，这些算法又衍生出很多不同的算法，诸如RD-BP算法、TCC-BP算法等，针对不同的算法，借助MATLAB 对算法进行仿真，并得到仿真图像。 关键词：多输入多输出雷达；数字波束形成；反向投影算法；MATLAB
Abstract There are a large number of records of books and papers related Ground Penetrating Radar (GPR).W e can have a general understanding of the development of GPR, it is not difficult to see the development direction of the GPR in the future. Multiple-input and multiple-output (MIMO) radar is a new mode of radar system developed on the basis of digital array radar, multistatic radar and modern communication techniques. Since its obvious technical advantages and huge development potential, MIMO radar will become one of the major directions of the radar system development in future. By using waveform diversity technique, Through proper improvements traditional array signal processing techniques can be applied to MIMO radar. Moreover, this new type of radar system offers a new paradigm for radar signal processing. the strong demands for waveform and array structure optimization, and a noticeable performance decline of adaptive algorithms for the excessive degree of freedom, etc. There are a lot of software related to radar imaging, such as GprMax, a Ground Penetrating Radar (GPR) simulation software based on FDTD (finite difference time domain). The generated files including geometric figure and data section are read by the MA TLAB.. The most critical part of radar imaging is the imaging algorithm. Based on different theoretical basis, the algorithm derives a lot of different algorithms, such as RD-BP algorithm, the TCC-BP algorithm, etc. For different algorithms ,we can get the simulation images with the help of MA TLAB. Key words: MIMO radar, digital beamforming, back projection，MATLAB
信息检索结课论文 题目：探地雷达的发展现状 学院：信息与通信学院 专业：电子与通信工程 学生姓名：甘睿 学号：1502303016 授课教师：蔡国永
探地雷达的发展现状 【中文摘要】(GPR)是一种利用电磁波对地下区域进行无损探测的装置，它根据电磁波在地下介质不连续处产生的反射和散射等现象来反演地下场景和目标的信息，实现对地下目标的检测和识别。通过GPR成像技术，可以对地下目标的信息进行直观显示，便于人们对地下目标的解译。由于GPR成像技术具有非破坏性、高分辨率、探测速度快、操作方便、安全性高等优点，其在军事和民用领域中得到广泛的应用，具有很好的发展前景。与传统雷达成像不同，GPR成像场景较为特殊，具体表现为GPR工作于近场条件，且工作场景和目标特性均比较复杂。 【英文摘要】GPR(GroundPenetratingRadar)uses electromagnetic waves to probe theunderground region nondestructively. GPR can be used to reconstruct the information ofunderground scenes and targets by the reflection and scattering phenomena stimulatedby the discontinuity of the underground medium, as well as underground targetdetection and recognition. The information of underground targets can be displayeddirectly by GPR imaging technique, which is also convenient for the interpretation ofunderground targets. Because of the advantages such as nondestructive, high resolution,fast probing and high safety, GPR has been widely used both in military and civilianapplications, and it possesses great developing potential. Unlike traditional radarimaging, the observing scene of GPR is relatively special because GPR works in nearfield conditions and the characteristics of both the imaging scene and targets are rathercomplicated. In order to solve these problems, an in-depth and detailed research hasbeen carried out in this thesis in the aspects of time domain imaging technique,frequency domain imaging technique, super resolutionimagingtechniqueandcompressive sensing imaging technique. 【关键词】探地雷达发展现状研究技术 【正文】 1.探地雷达的研究背景和意义 探地雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)是用来对地下目标或场景进行探测的雷达系统。利用电磁波在地下介质电磁特性不连续之处产生的反射和散射象，GPR可以获取地下目标或场景的几何和物理信息。与传统的对地探测方式相比，GPR具有不破坏探测场景、可重复性强、采样密集、安全可靠、高分辨率、操作灵活、经济性强等优势，己在军事和民用的诸多领域得到广泛应用。 在系统层面，GPR存在着参数设计、信号形式选择、系统结构设计、天线设计、数据采集等方面的问题。这些问题是GPR系统性能和应用范围的决定性因素，在GPR相关研究中具有基础性的作用。在应用层面，GPR己在地雷或未爆炸武器(Unexploded Ordance, UXO)探测、无损探伤、冰川冰层探测、冻土探测、地质水文探测、市政工程、管线定位、考古勘测、海岸环境探测、河流沉积探测、风蚀沙丘探测等领域发挥了巨大作用。在信号处理层面，GPR 主要存在介电常数估计、直祸波与直达波去除、噪声抑制、射频干扰抑制、目标检测与识别、成像等方面的问题。信号处理方法的性能从一定程度上影响了GPR的性能，对降低数据处理和解译的难度具有重要的意义，其中目标检测和识别是信号处理最本质的目的，而其余方面的问题则是目标检测和识别的预处理过程或辅助手段。 由于GPR探测的根本目标是为了对地下目标或场景进行检测和识别，而最初人们直接使用一维或二维回波来完成检测或识别工作，这种工作方式既不方便直观，又对操作人员的专