梁文婧,馮 晅,劉 財,恩和得力海,張明賀,梁帥帥

吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026

0 引言

20世紀70年代以來，在電子技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展的推動下，受政治以及軍事需求的影響，探地雷達技術(shù)開始得到飛速發(fā)展。相比于美國、加拿大、瑞典等國相繼研發(fā)的商用時域脈沖探地雷達，頻域探地雷達的發(fā)展速度較為緩慢：1974年，Robinson等[1]首次應(yīng)用步進頻率信號作為探地雷達的發(fā)射信號，開啟了頻域探地雷達的研究工作；1984年，Lizuka等[2]對步進頻率探地雷達的原理與方法做出詳細介紹。20世紀90年代后，價格低、體積小的商用儀器隨著電子元件的快速發(fā)展得到了進一步開發(fā)和應(yīng)用。頻域探地雷達系統(tǒng)的構(gòu)建也隨著微電子技術(shù)、材料學(xué)技術(shù)以及數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展進入了嶄新階段。

近年來，步進頻率探地雷達越來越多地應(yīng)用于雷達的相關(guān)研究工作中[3-8]，各大科研院所及高等學(xué)校構(gòu)建了以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為主體的步進頻率探地雷達，在不斷發(fā)展和改進硬件系統(tǒng)性能的同時，進行探地雷達天線性能分析、目標體屬性分析、目標體識別等工作[9-10]。本研究基于多種極化模式天線布局的時間同步性，利用開關(guān)控制器及同軸開關(guān)對原有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的雙通道進行擴展與開發(fā)，旨在實現(xiàn)多種極化模式天線寬頻帶信號多通道發(fā)射及多通道接收的目的，以提高探測優(yōu)勢和時間效率。

1 步進頻率探地雷達工作原理

步進頻率探地雷達系統(tǒng)(step frequency ground penetrating radar，SFGPR)是頻率域雷達系統(tǒng)的典型代表，是以階梯形式步進的連續(xù)波雷達。SFGPR在頻率域?qū)崿F(xiàn)信號的發(fā)射和采集，獲得地下目標體響應(yīng)的頻率域復(fù)信號，即振幅與相位信息，通過傅里葉變換的方法獲得地下目標體的響應(yīng)特征。頻率域雷達發(fā)射信號的起始頻率為fstar，在一個掃描周期內(nèi)，信號以固定頻率間隔Δf逐步上升至終止頻率fstop。工作頻帶寬度為B=fstop-fstar，頻率間隔為Δf=B/(N-1)，N為步進頻點數(shù)，步進頻率波形則表示為N個頻率遞增的脈沖疊加。

2 多發(fā)射多接收極化步進頻率探地雷達系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

基于電磁波理論，高頻率的電磁波可獲得高的空間分辨率信息，具有寬頻帶特征的極化探地雷達系統(tǒng)，又具有區(qū)分目標特征能力強、抗干擾能力強的優(yōu)勢。寬頻帶信號的發(fā)射需要較長時間來完成，頻帶越寬，所耗時間越長。在實際探測應(yīng)用中，為了獲得探測目標的多維度信息，多采用多種極化模式的天線組合，在寬頻帶信號源的配合下來綜合完成目標豐富信息的獲取。在實際探測的天線布置工作中，這種多極化模式天線的探測方式，若分步多次布置多種模式極化天線，耗時較長，在一定程度上影響了探測效率，且由于天線重復(fù)定位精度的影響，將給高精度目標探測引入外部誤差。若能一次性地將多種極化天線同時布置到位，不僅可以提高探測時間效率，且可有效控制天線位置誤差所帶來的影響。基于多種極化模式天線布局的時間同步性設(shè)計思想與設(shè)計原則，利用開關(guān)控制器及同軸開關(guān)對原有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的雙通道進行擴展與開發(fā)，旨在實現(xiàn)多種極化模式天線寬頻帶信號多通道發(fā)射及多通道接收的目的，以提高探測優(yōu)勢和時間效率。

以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心構(gòu)建的多輸入多輸出極化步進頻率探地雷達系統(tǒng)如圖 1。該系統(tǒng)主要由計算機、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、三維直角坐標儀、開關(guān)控制轉(zhuǎn)換器及同軸開關(guān)、極化天線及天線陣列、同軸電纜等組成(表 1)。其中：三維直角坐標儀定位范圍為3.3 m×3.3 m×1.2 m，位置定位精度可實現(xiàn)0.1 mm；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可發(fā)生9.0 kHz～8.5 GHz的電磁波信號，滿足寬頻帶特征的極化探地雷達系統(tǒng)的實現(xiàn)。

表1 多輸入多輸出極化步進頻率探地雷達系統(tǒng)組成部分

圖1 多輸入多輸出極化步進頻率探地雷達硬件系統(tǒng)實物圖Fig.1 Photograph of multiple-input and multiple-output polarimetric stepped-frequency ground penetrating radar system

如圖 2所示：計算機通過LAN( local area network)線與雙通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連接，用以控制雙通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)射和接收電磁波并傳輸數(shù)據(jù)；雙通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通道端口通過同軸電纜與開關(guān)中心端口相連接，開關(guān)通過同軸電纜與天線陣列相連接作為發(fā)射端和接收端；開關(guān)控制器給開關(guān)供電，同時選擇接收通道，即選擇接收某一接收天線的數(shù)據(jù)。

圖2 多輸入多輸出極化步進頻率探地雷達系統(tǒng)工作框圖Fig.2 Diagram of multiple-input and multiple-output polarimetric stepped-frequency ground penetrating radar system

工作流程：計算機發(fā)出指令，雙通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的1通道發(fā)射電磁波，開關(guān)控制器進行發(fā)射通道選擇，發(fā)射天線發(fā)射電磁波；接收天線接收由目標體散射后產(chǎn)生的回波信號，開關(guān)控制器進行接收通道選擇；同軸開關(guān)將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)傳回矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2通道，網(wǎng)絡(luò)分析儀將數(shù)據(jù)傳回計算機，計算機進行存儲和分析。

3 多次覆蓋極化天線陣列布局分析

本文構(gòu)建了一種信號多次覆蓋的極化天線陣列，如圖 3所示，是基于“口字形”組合模式為基本單元構(gòu)建而成的矩形天線陣列。

圖3 極化天線陣列實物圖Fig.3 Photograph of polarimetric antenna array

在此借鑒勘探地震中的多次覆蓋技術(shù)，用天線陣列采集共中心點(CMP)數(shù)據(jù)，通過疊加CMP數(shù)據(jù)來壓制噪音，提高系統(tǒng)測量信噪比。

圖 4為矩形極化天線陣列實現(xiàn)信號多次覆蓋的原理示意圖。天線陣列位于雷達探測坐標系下，O(0,0)為坐標軸原點，即天線陣列中心坐標點，x軸為測線方向，V1—V4為垂直于測線方向的單個天線單元，H1—H6為沿測線方向的單個天線單元。

圖4a是兩種共極化模式(HH，VV)下實現(xiàn)信號多次覆蓋的原理示意圖。

1)HH極化模式下，兩次信號覆蓋工作方式為：H1發(fā)射H6接收，H3發(fā)射H4接收，對于水平層狀介質(zhì)，其反射點位于O點正下方。

2)VV極化模式下，兩次信號覆蓋工作方式為：V1發(fā)射V4接收，V2發(fā)射V3接收，對于水平層狀介質(zhì)，其反射點也位于O點正下方。

基于此，HH與VV兩種共極化模式的CMP位于O點，即對于水平層狀介質(zhì)，探測點位于O點正下方。

圖4b是兩種交叉極化方式(HV，VH)下實現(xiàn)信號多次覆蓋的工作原理示意圖。相比于共極化模

式(HH，VV)，交叉極化模式更細致地分為上VH、下VH、上HV與下HV共4種子模式。

1)上VH極化模式下，兩次信號覆蓋工作方式為：V1發(fā)射H3收，V4發(fā)射H1接收，對于水平層狀介質(zhì)，其反射點位于(0，0.25l)正下方處，其中l(wèi)為天線寬度。

2)下VH極化模式下，兩次信號覆蓋工作方式為：V1發(fā)射H6接收，V4發(fā)射H4接收，對于水平層狀介質(zhì)，其反射點位于(0，-0.25l)正下方處。

同理：

3)上HV極化模式下，兩次信號覆蓋工作方式為：H1發(fā)射V4接收，H3發(fā)射V1接收，對于水平層狀介質(zhì)，其反射點位于(0，0.25l)正下方處。

4)下HV極化模式下，兩次信號覆蓋工作方式為：H4發(fā)射V4接收，H6發(fā)射V1接收，對于水平層狀介質(zhì)，其反射點位于(0，-0.25l)正下方處。

由此可見，在不同模式的交叉極化方式下，其目標反射點是不一致的，具有4個不同的坐標位置，其間距為0.25l，且每個反射點均與共極化模式下的目標反射點也不同。因此，在極化雷達測量過程中，為了便于實現(xiàn)共反射點的多次覆蓋，實現(xiàn)極化雷達探測方式的本質(zhì)優(yōu)勢，測網(wǎng)的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則，即測線間距為0.25l，測點間距為0.25l，如圖 5所示。

a.共極化方式； b.交叉極化方式。圖4 極化天線陣列工作示意圖Fig.4 Diagram of polarmetric antenna working

l為天線寬度。圖5 極化天線陣列測網(wǎng)示意圖Fig.5 Detection network design of polarmetric antenna working

4 系統(tǒng)測試及實驗

步進頻率探地雷達(SFGPR)系統(tǒng)所獲取的原始數(shù)據(jù)都是頻率域數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理部分的處理流程為：1)消除天線耦合。消除天線陣列中天線對間的耦合效應(yīng)。2)帶通濾波。壓制高頻和低頻噪音。3)反傅里葉變換(IFFT)。將頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時間域數(shù)據(jù)，獲得時間域數(shù)集。4)道均衡。通過道均衡處理調(diào)節(jié)由于電磁波在各對天線之間發(fā)射接收的距離，導(dǎo)致數(shù)據(jù)集中各道能量不均衡。5)動校正。將各道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為自激自收的零偏移距數(shù)據(jù)。6)疊加。將每一個道集的數(shù)據(jù)進行疊加，形成疊后數(shù)據(jù)體，提高信噪比。

實驗天線采用自主研發(fā)的多次覆蓋極化天線陣列，目標體分別為金屬平面板和金屬二面體，天線測量方式有共極化方式和交叉極化方式。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射信號的掃描頻帶范圍為：0.8 ～4.0 GHz，掃描點數(shù)為512，每條測線有測點N=50，中頻帶寬為100 kHz，發(fā)射平均功率為5 dBm。

將金屬平面板作為目標體的剖面圖見圖6，將金屬二面體作為目標體的剖面圖見圖7。

雷達信號在傳輸過程中不可避免會受到噪聲的影響，主要為系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的帶電粒子不規(guī)則擾動所產(chǎn)生的隨機噪聲，該噪聲的特點是在所有頻帶內(nèi)均存在連續(xù)不規(guī)則的起伏變化。

由兩組不同目標體的實驗結(jié)果可以看出，HH極化模式有2個疊加道，VV極化模式有2個疊加道，HV極化模式有4個疊加道，其疊加后顯示的剖面圖有效壓制了噪聲，達到了提高信噪比的目的。

為了進一步量化對比數(shù)據(jù)疊加前后的效果，計算疊加前后數(shù)據(jù)的信噪比：

對疊加道結(jié)果進行Pauli極化分解，其中每個Pauli基矩陣對應(yīng)著一種基本的散射機制，表示形式[11]為

S為辛克萊散射矩陣，系數(shù)a、b、c和d的值為

對應(yīng)的4種散射機制為：第1種為平面單次或奇次散射；第2種和第3種分別為0°和45°的二次或偶次反射；第4種為不對稱分量。

在滿足單站互易定理的條件下，即SHV=SVH，則d=0，此時Pauli基可簡化為3個基矩陣，總功率為

Span=|SHH|2+2|SHV|2+|SVV|2=

|a|2+|b|2+|c|2。

將Pauli分解得到的|a|2,|b|2和|c|2對應(yīng)RGB偽彩色圖像，紅色=|b|2，綠色=|c|2，藍色=|a|2，得到金屬平面板及金屬二面體的偽彩色圖像(圖8)。

從圖8可以看出：平面板顯示為藍色，對應(yīng)第一種散射機制為單次散射；二面體顯示為紅色，對應(yīng)第二種散射機制為二次或偶次散射。

a.H1發(fā)射H6接收；b.H3發(fā)射H4接收；c.HH極化模式疊加；d.V1發(fā)射V4接收；e.V2發(fā)射V3接收；f.VV極化模式疊加；g.H1發(fā)射V4接收；h.H3發(fā)射V1接收；i.H4發(fā)射V4接收；j.H6發(fā)射V1接收；k.HV極化模式疊加。圖6 金屬平面板為目標體的剖面圖Fig.6 Vertical profile of a metallic plate as the target

a.H1發(fā)射H6接收；b.H3發(fā)射H4接收；c.HH極化模式疊加；d.V1發(fā)射V4接收；e.V2發(fā)射V3接收；f.VV極化模式疊加；g.H1發(fā)射V4接收；h.H3發(fā)射V1接收；i.H4發(fā)射V4接收；j.H6發(fā)射V1接收；k.HV極化模式疊加。圖7 金屬二面體為目標體的剖面圖Fig.7 Vertical profile of a metallic dihedral as the target

a.金屬平面板 b.金屬二面體。圖8 Pauli極化分解偽彩色圖像Fig.8 RGB image of Pauli polarmetric decomposition

5 結(jié)論

1)在實驗室應(yīng)用自主研發(fā)的多輸入多輸出步進頻率探地雷達系統(tǒng)和多次覆蓋極化天線陣列，對金屬平面板和金屬二面體進行極化信息數(shù)據(jù)采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到響應(yīng)剖面圖，說明該系統(tǒng)可較精確地完成電磁波測量實驗，為驗證理論結(jié)果提供良好的實驗平臺。

2)通過對兩種典型目標體的探測實驗可以看出，用多次覆蓋極化天線陣列采集到的共中心點(CMP)數(shù)據(jù)，通過疊加CMP數(shù)據(jù)來壓制噪音，有效達到提高系統(tǒng)測量信噪比的目的。

3)通過應(yīng)用Pauli極化分解方法可以分類典型模型，得到目標體的偽彩色合成圖。

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