探地雷達(dá)高輻射效率天線與目標(biāo)檢測.pdf

1、天線和目標(biāo)檢測是制約沖激探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）目標(biāo)探測能力的兩個(gè)關(guān)鍵問題。本文對這兩個(gè)問題開展了研究，分別從系統(tǒng)層面和算法層面提高了沖激GPR的目標(biāo)探測能力。在開始天線研究前，本文首先從時(shí)域上解釋了沖激輻射現(xiàn)象，并將此作為天線研究的理論基礎(chǔ)。考慮到蝶形天線具有帶寬大、體積小、幾何結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于沖激信號(hào)輻射以及GPR系統(tǒng)的集成，本文將蝶形天線作為具體的天線研究對象。通過對蝶形天線基

2、本特性的分析，本文給出了天線幾何結(jié)構(gòu)和激勵(lì)脈沖的選取原則，解決了蝶形天線基本的設(shè)計(jì)問題。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、庞捎跊_激GPR天線工作在時(shí)域模式以及近場，傳統(tǒng)的頻域以及遠(yuǎn)場的天線性能指標(biāo)不適合衡量沖激GPR天線的性能。提出用沖激輻射效率來解決這一問題。根據(jù)本文的定義，沖激輻射效率是指天線將激勵(lì)脈沖轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量探測脈沖的能力，而高質(zhì)量的探測脈沖則是指其具有強(qiáng)的主脈沖以及弱的拖尾。輻射效率不高正是蝶形天線的瓶頸問題，分別從主脈沖增

3、強(qiáng)和拖尾抑制兩方面研究了蝶形天線輻射效率提高的方法。
　　⑵在主脈沖增強(qiáng)方面，設(shè)計(jì)了一款超寬帶巴倫來改善蝶形天線饋點(diǎn)處的阻抗匹配，以增加饋入天線的整體能量。然后考慮到拖尾中蘊(yùn)含的可觀能量，提出了一種利用拖尾來增強(qiáng)主脈沖的全新方法，與常規(guī)蝶形天線相比，該方法可以將主脈沖的峰值提高約100％。在拖尾抑制方面，由于最有效的方法是阻抗加載，因此本文對末端集中加載和分布式加載進(jìn)行了深入研究。首先研究了末端電阻集中加載中加載位置、加載數(shù)量以及

4、加載阻值三個(gè)問題。然后針對分布式加載中存在的不利于主脈沖增強(qiáng)的問題，提出了一種兼具拖尾抑制和主脈沖增強(qiáng)功能的分布式加載方式。
　?、悄繕?biāo)檢測的關(guān)鍵在于特征的提取，在研究檢測算法前，詳細(xì)分析了GPR目標(biāo)在不同回波數(shù)據(jù)形式中的特征，并再此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)目標(biāo)檢測方案。然后根據(jù)目標(biāo)特征分析結(jié)果以及目標(biāo)檢測方案，提出了一種改進(jìn)的基于隱馬爾可夫模型的檢測算法，以及一種基于互相關(guān)和Hough變換相結(jié)合的快速檢測算法。與已有的檢測算法的對比實(shí)驗(yàn)

5、表明，改進(jìn)的隱馬爾可夫模型方法具有優(yōu)良的檢測性能，但卻沒有計(jì)算效率上的優(yōu)勢，而基于互相關(guān)和Hough變換的方法在具有高計(jì)算效率的同時(shí)，還保證了不錯(cuò)的檢測性能。為了進(jìn)一步去除雜波，降低目標(biāo)檢測的虛警率，提出了一種基于回波干涉原理的目標(biāo)回波相位提取方法，提取相位值可從材質(zhì)上鑒別可疑目標(biāo)，實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)表明了方法的有效性。此外，還提出了一種利用匹配追蹤提取目標(biāo)散射頻率依賴因子的方法，所提取的頻率散射因子則可從幾何形狀上鑒別可疑目標(biāo)，并用仿真實(shí)驗(yàn)