探地雷达技术与应用.ppt
探地雷达技术,报告人：周正欧，教授、博导,内容简介,探地雷达研究动态； 探地雷达应用； 探地雷达原理； 探地雷达基本概念； 信号处理方法；,探地雷达：Ground-Penetrating Radar (GPR)；Ground-Probing Radar (GPR) ; Subsurface-Penetrating Radar (SPR),一、探地雷达研究动态,电子科技大学1986开展雷达探测地雷的研究，对埋地30多公分深的塑料地雷（直径约30cm）进行了较清晰的剖面成像，获1987年电子工业部科技进步二等奖。 其他单位，如西安交通大学、清华等，以及电子部22所、50所，航天部等单位都对探地雷达进行了卓有成效的研究，已有产品推出。但是，到目前为止，尚未见到我国有用合成孔径技术的探地雷达报道。,1、国内研究动态：,一、探地雷达研究动态,电子科技大学研制的探地雷达样机,一、探地雷达研究动态,1、国外研究动态：,1904年，德国的Hulsmeyer首次采用电磁波探测地 下的金属物体； 1910年Leimbach和Lowy在德国首次获得关于利用电磁波对埋藏物体进行定位的专利； 在1926年Hulsenbech第一次使用脉冲技术探测埋藏介质的结构； 从1930年起探地雷达获得迅速发展并被应用到各行各业。 上个世纪七十年代，开始展开对频域探地雷达的研究。,国外探地雷达类型：,下视探地雷达（人拖或车载）； 前视探地雷达；,国外探地雷达类型：,侧视探地雷达； 机载探地雷达；,二、探地雷达应用,探地雷达应用领域综述：,二、探地雷达应用,桥梁检测：,二、探地雷达应用,地基检测,二、探地雷达应用,高速公路、机场质量检测及地基检测：,二、探地雷达应用,高速公路、机场质量检测及地基检测：,二、探地雷达应用,城市地下管线探测：,二、探地雷达应用,管线探测的探地雷达图像：,二、探地雷达应用,建筑物质量检测，公路检测：,二、探地雷达应用,探测地雷：,二、探地雷达应用,探测雷场：,二、探地雷达应用,地质勘查：,左图：大同某隧道地裂缝勘探,二、探地雷达应用,地质勘查：,二、探地雷达应用,月球探测,二、探地雷达应用,北极冰下水流线探测（1975年）：,二、探地雷达应用,考古探测：,二、探地雷达应用,其它应用：,三、探地雷达原理,1、特殊性（与机载雷达相比）：,目标不动； 两层介质；其中一层介质（土壤）是有耗、不均匀、色散； 空气地界面的存在导致很强的地表杂波； 目标处于天线近场；,2、探地雷达体制：,三、探地雷达原理,三、探地雷达原理,目前成熟的商用GPR系统：,三、探地雷达原理,3、基本概念：,电磁阻抗：,其中：,物质电磁特性：介电常数，磁导率，导电率； 电磁阻抗不同导致电磁波反射； 对非磁性材料，磁导率是常数；此时介电常数不同产生反射，导电率决定衰减；,介电常数：,三、探地雷达原理,探地雷达探测中常见物质的电参数：,三、探地雷达原理,电磁参数不同导致反射：,三、探地雷达原理,探地雷达距离分辨率：,探地雷达距离分辨率取决于信号带宽；,探地雷达方位分辨率：,探地雷达方位分辨率取决于天线孔径； 天线孔径：合成孔径；实孔径；,三、探地雷达原理,探地雷达数据格式：,三、探地雷达原理,双曲线的形成：,四、探地雷达系统,探地雷达系统框图（以冲激雷达为例）：,四、探地雷达系统,探地雷达主要组成部分：,发射机和接收机 光纤电缆 天线 控制台 笔记本电脑,四、探地雷达系统,探地雷达天线：,超宽带； 超宽带定义：相对带宽大于25 ； 最大相对带宽200； 浅地层探地雷达波形谱能量在几MHz到几GHz，相对带宽接近200； 可分为双站雷达和单站雷达；,四、探地雷达系统,探地雷达发射机：,冲激源； 信号宽度1ns左右； 发射脉冲前沿陡峭、拖尾小； 峰值功率大于400伏； 典型冲激GPR峰值电压达到1KV，峰值功率达到10KW；,四、探地雷达系统,探地雷达接收机：,浅地层GPR工作在几个GHz； 目前8位的ADC最多能实现几百MHz的采样率；16位的ADC最多工作到几十MHz; 能实现几个GHz采样的ADC位数少，价格昂贵； 常规ADC不能对接收的回波采样。,四、探地雷达系统,序贯采样的工作原理,时序控制电路基于快斜信号和慢斜信号； ADC转换时间由交点决定； 几GHz的采样速率可以降低到几MHz甚至几KHz。,四、探地雷达信号处理,信号处理方法：,杂波抑制； 合成孔径成像； 波速估计； 目标识别。,数据采集,去除天线等的系统误差: 天线串扰 传递函数不同 非线性效应,参数估计 数据插值 抑制表面杂波 去背景 合成孔径成像（ SAR） 三维成像,空间特征 时域特征 频域特征,去除虚警 目标识别,五、探地雷达信号处理,杂波抑制：,杂波产生原理；,地面,目标,五、探地雷达信号处理,合成孔径：,目的：提高方位分辨率，增强信噪比； 二维合成孔径成像，三维合成孔径成像； 时域合成孔径成像（全息成像，kirchhoff偏移，等），频域合成孔径成像（fk偏移，Gazdag、stolt偏移，等）；,五、探地雷达信号处理,基于微波全息成像的SAR方法：,电子科大操场沙堆上的实验数据原始成像，以及用我们的合成孔径算法处理后的二维合成孔径成像。,五、探地雷达信号处理,Stolt 合成孔径方法：,五、探地雷达信号处理,三维合成孔径处理前后对比图,五、探地雷达信号处理,波速估计不准会导致合成孔径处理后的图像发散； 波速估计是确定目标深度的前提；,探地雷达波速估计方法：,用我们的基于霍夫变换的方法进行波速估计的结果；左图是用极值法提取边缘轮廓，右图是滤波后一次霍夫变换。,五、探地雷达信号处理,目标信号很弱的探地雷达图像：,五、探地雷达信号处理,上图中目标的时频特征：,五、探地雷达信号处理,基于核方法和PCA的目标特征提取方法,左图：探地雷达目标原始特征； 右图：用我们的方法处理后的目标特征。,问题？,
