探地雷达成像算法研究

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