多输入多输出极化步进频率探地雷达硬件系统开发

对基于矢量网络分析仪的单发单收探地雷达系统进行扩展,组建了可实现信号多通道发射和多通道接收的步进频率探地雷达系统。该系统主要由计算机、矢量网络分析仪、三维直角坐标仪、开关控制转换器、同轴开关以及多次覆盖极化天线阵列构成。系统信号发射通道和信号接收通道均可扩展至6个通道,可满足一般天线阵列测量需求。多次覆盖天线阵列采集共中心点（CMP）数据,每个测点可获取2个共极化模式数据和4个交叉极化模式数据,数据叠加后噪声可得到有效压制,系统信噪比可获得较大提升;同时应用Pauli分解方法获得伪彩色剖面图以对目标物体进行散射机制的分类。对该多输入多输出步进频率探地雷达系统进行系统测试和实验的结果,验证了其可靠性。     

基于DOA估计的阵列式探地雷达逆向投影目标成像方法

本文针对阵列式天线探地雷达系统的目标成像问题,理论模拟分析了最小二乘(LS)估计、Capon估计、幅度相位估计(APES)三种波束形成算法在目标回波到达角(direction of arrival,DOA)估计上的效果和精度,提出了基于DOA估计的阵列式探地雷达逆向投影目标成像方法。该方法综合利用多输入多输出(MIMO)阵列信号估计得到的目标回波信号DOA和阵列空间观测信息对目标体进行成像,通过成像点空间扫描对各测点估计DOA幅度值在成像点的加权积分进行目标定位及反射强度估计。该方法实现简单高效,可以广泛应用于地下简单目标体的快速成像。     

电性源短偏移距瞬变电磁地形影响特征分析

电性源短偏移距瞬变电磁法是进行山区矿产资源勘探的一种有效手段,然而地形起伏对观测数据影响严重,给瞬变电磁数据精细化解释带来很大困难。为此,本文基于三维非结构时间域有限元正演模拟方法开展电性源短偏移距瞬变电磁地形影响特征分析。首先利用非结构网格对起伏地形进行精细剖分,结合矢量有限元和后退欧拉离散技术实现复杂地质模型快速正演。然后通过模拟大量典型起伏地表模型,系统分析了三维地形响应的空间分布特征,结果表明地形对电性源短偏移距瞬变电磁响应影响严重,而且影响特征十分复杂。在此基础上,我们进一步分析了复杂地形对地下目标体探测的影响,结果发现复杂地形与地下目标体相互耦合导致无法对地下目标体进行有效分辨,这给地下目标体的准确探测带来了巨大困难。     

一种用于混凝土结构探测的探地雷达天线阵列的设计

基于脉冲体制探地雷达天线原理,针对混凝土结构探测的需求,以变形领结天线为基础,设计了一种双极化、多天线的探地雷达天线阵列,该天线阵列具有0.75~2.25 GHz的频带宽度,且方向性良好。该天线阵列不仅可以提高雷达系统的探测深度,也提高了雷达的探测效率。设计的天线阵列已成功应用于成像探地雷达项目中,对工程质量检测具有重要意义,为探地雷达三维成像设备的进一步开发提供了强有力的技术支撑。     

基于反正切法的定向钻孔雷达三维成像算法

作为探地雷达的一种特殊方式,定向钻孔雷达系统除了能够探测地下目标的深度和径向距离外,还能够对钻孔四周目标进行方位识别,进而利用所求方位进行三维成像。本文所研究的定向钻孔雷达包含一个发射天线和4个接收天线,4个接收天线等角度分布在垂直于井轴的圆环上。基于4个接收天线所接收到的四个信号的微弱不同,提出利用反正切法计算目标方位角,再利用方位角和各道信号组合计算井周地层纵横切片的算法,最终实现钻孔雷达三维成像算法。利用数值模拟结果检验了算法的正确性。     

用连续小波变换分析探地雷达回波信号

脉冲探地雷达回波信号是典型的非平稳、非线性信号.本文通过连续小波变换,对地下圆柱目标实测结果进行分析,得到了目标冲击响应的典型波形特征.分析结果证明,这种方法可以有效地用于目标检测,时延估计等脉冲探地雷达信号处理中的关键问题     

时域有限差分法(FDTD)模拟探地雷达极化测量

由于探地雷达偶极天线具有电磁极化特性,其发射天线主要发射沿着天线长轴方向的线性极化波,而接收天线对这种极化方向的电磁波也最灵敏。因此,在对混凝土中钢筋、电缆等目标体进行检测时,利用天线的极化特性可以了解目标体的延伸。时域有限差分法是麦克斯韦方程的直接时域法,其计算简单、直观、灵活性强、计算精度高、动态范围大。利用时域有限差分法(FDTD)对地质雷达极化测量进行了正演模拟,取得了很好的效果。     

三维探地雷达数据的拟地震处理技术研究

采用三维阵列天线技术,探地雷达虽然能够采集到高密度、无缝拼接的海量数据,但受仪器配套软件的局限,无法发挥其三维数据的优势,实现对地下目标的空间刻画。三维探地雷达与三维地震勘探在传播方式等方面具有相似性。将三维探地雷达数据转换成三维地震数据格式,利用比较成熟的三维地震勘探数据处理系统,可实现三维探地雷达数据的真三维处理。兰州某地的试验性研究表明:统一网格化后三维探地雷达数据,经过静校正、滤波、反褶积、噪音衰减、三维偏移等拟三维地震数据处理,可有效提高三维探地雷达数据的纵、横向分辨率,进而提高三维探地雷达数据的探测精度。     

利用GPR天线-目标极化的瞬时属性分析方法探测LNAPL污染土壤

轻非水相流体(LNAPL)泄漏后会对土壤和地下水造成严重污染,为了准确探测出LNAPL泄漏范围,本文将GPR天线-目标极化的瞬时属性分析方法应用于轻非水相流体污染土壤探测的研究中。采用注入柴油的石英砂砂箱在实验室建立污染土壤模型,利用探地雷达对该污染土壤分别进行天线方位为0°、90°的测量。LNAPL土壤污染物形状、大小、结构并不规则,因此可以通过0°和90°方位天线测量来分析天线-目标极化特征,了解目标物的走向、形状等地下介质信息。通过对预处理后的包含天线-目标极化特征的信息进行瞬时属性分析,LNAPL污染范围可以被清晰地识别,提高了GPR探测能力。     

电阻加载蝶形天线的性能研究

由于探地雷达系统大多采用超宽带窄脉冲信号,因此要求天线具有极宽的工作带宽。利用矩量法对线性离散电阻加载蝶形天线进行分析,结果表明,线性离散电阻加载在使天线获得宽带特性的同时,并使辐射的脉冲信号拖尾变得平稳,因此能够满足探地雷达系统的需要。     

独立分量分析在探地雷达信号处理中的应用初探

针对探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)信号信噪比低、背景杂波强,事先对探测目标的信息所知甚少,近乎处于“盲”状态,因而实际处理难度大等实际问题,提出了将独立分量分析(In-dependent Component Analysis,ICA)这种盲信号处理技术应用于GPR信号处理,并利用ICA中的Fast-ICA算法,对ICA法在GPR信号处理中的应用进行了初步探索,实现了GPR信号中弱目标信号和强背景杂波的有效分离,并初步解决了对所分离目标信号的正确排序,以及由ICA方法本身带来的所分离目标独立分量信号符号的不确定性等问题,使GPR信号信噪比大幅提高,从而使GPR的目标检测性能也得以显著改善。在对诸如地雷、地下管线等局部目标的时域有限差分法(Finite-dif-ference Time-domain,FDTD)、仿真GPR数据和室外试验观测GPR数据进行ICA处理后,都取得了理想的结果。      

偏移技术在GPR资料处理中的研究

针对GPR剖面中存在的绕射波影响资料处理和解释问题,根据雷达波波动方程和声波波动方程在形式上的一致性,合理地将地震勘探中成熟的相位移波动方程偏移法、克希霍夫积分偏移法和有限差分波动方程偏移法引入到GPR资料处理中。理论模型的试验和实测资料的处理分析表明,该方法有较好的效果。     

差分GPS实现探地雷达图像地形校正方法研究

针对在地形起伏较大的区域探地雷达获取的图像不能表达地形变化的缺点,通过探地雷达与差分GPS同步采集记录数据,实现探地雷达图像与GPS数据时间同步,选择某一标准水准面为参考面,根据时间位移和线性插值方法,将探地雷达数据进行时深转换,从而实现探地雷达地形校正。探地雷达图像地形校正前后对比表明此方法在保留地下介质体水平方向分布特征的同时,实现了探地雷达图像在垂直方向的精确校正,对地下目标的解译和精确定位有很大的帮助,对浅层活动断层探测具有一定的实际意义。      

利用探地雷达的极化特性检测建筑物结构

探地雷达偶极子天线激发的是线性极化波,其主要极化方向与天线的长轴平行。接收天线对与其长轴平行的入射电场分量最敏感。对于高导圆柱体,当半径与波长之比较小时,其散射场TE极化的后向散射宽度要小于TM极化的后向散射宽度。通过桥梁结构检测实例证明,利用这种特性,在建筑物结构检测时,采用发射天线和接收天线平行、且垂直于钢筋走向的天线布置,可以减少浅部钢筋的散射,增强雷达剖面中对深部目标的辨识。     

基于时频域极化滤波的勒夫型槽波提取

矿井槽波地震勘探数据中,含有多种类型地震波,包括线性极化的纵波、横波、勒夫型槽波和椭圆极化的瑞利型槽波。由于槽波频散现象严重,不同类型槽波互相重叠,在地震记录上难以区分,合理地进行波场分离是槽波数据处理的重要环节。根据不同类型槽波振动极化特征,提出基于S变换的时频域自适应协方差矩阵极化滤波方法;在时频域中,针对槽波水平双分量信号建立自适应协方差矩阵;利用矩阵对应特征值和特征向量,计算椭圆率和方位角参数来描述槽波极化振动特征;依据极化参数建立极化滤波函数,对槽波地震信号进行波场分离。经过理论合成信号和实际数据测试表明,该方法可以有效地从槽波地震记录中提取出勒夫型槽波,避免其它类型地震波在槽波数据处理过程中产生的干扰,为槽波地震勘探数据处理提供新的技术手段。      

基于小波域KL变换的探地雷达信号处理

探地雷达目标回波信号通常会受到串扰(或直达波)、随机噪声等的干扰,致使目标信号难以分辨。利用小波分析的时频局部化特性和多道探地雷达记录中直达波、目标回波信号以及随机噪声等的不同相关性,对探地雷达记录进行小波分解,得到多频段的小波剖面,再对不同频段的小波剖面做KL变换,实现了串扰抑制。通过实验数据和现场实测数据验证了该方法的有效性。