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步进频率全极化探地雷达及Freeman极化分解研究

发布时间:2020-06-21 06:50
【摘要】:探地雷达利用高频电磁波在地下传播及反射的现象对地下或物体内部不可见的目标或界面进行定位,是一种应用广泛的非破坏性浅层探测技术。随着生产生活以及科研工作对探地雷达的数据质量和携带信息量的要求不断提高,同时,由于大量数据处理方法的引入,弥补了探地雷达的数据处理的空白。极化雷达研究主要利用雷达回波表现目标体特征,由于极化信息在对目标信号的滤波和增强、抗有源和杂波干扰、目标检测与识别中具有一定优势,所以极化雷达越来越受到广泛关注。为高效完成不同极化模式下的数据采集,尽可能多的获取探测目标的反馈信息,探地雷达系统由最初的单对天线即单一极化模式天线逐步向多种极化模式天线组合的方向发展,以此满足实际探测中获取丰富目标反馈信息的需要。然而若分次分步的布置不同极化模式天线组合,受天线重复定位精确度的影响,在不同程度上给探测工作引入巨大误差。若能一次性完成多种极化模式天线组合的布置工作,将大大提高工作效率。极化目标分解方法已经在遥感研究领域中得到成熟的发展及应用,通过探测得到的极化数据来分辨不同目标体具有极高的准确性。近年来,一些探地雷达领域的研究学者将极化目标分解方法引入探地雷达的研究工作中,对探地雷达勘探中的目标体数据进行处理,也得到了良好效果,但对于实际工作中还需要更有效的方法以提升辨识效果。本文旨在实现上述目标,本着天线布局的时间同步性思想与设计原则,围绕探地雷达领域中全极化数据采集和属性分析两个重要步骤展开,开展步进频率全极化探地雷达的构建和极化分解技术的相关问题研究。全文共分六章:第1章,分析频域探地雷达和极化探地雷达的发展历程和现状,汇总极化分解技术的国内外研究现状,以此提出本文拟解决的问题、研究内容和研究创新点。第2章,在详细阐述天线理论的基础上,应用HFSS仿真软件仿真并优化四种探地雷达常用天线,通过分析不同天线的特性甄选适合于本研究的极化探地雷达天线单元并制作实物,完成天线性能测试。建立了两种同时包含HH和VV共极化模式,HV和VH交叉极化模式的天线阵列,分别为多次覆盖全极化天线阵列和全极化共中心点天线阵列。第3章,构建步进频率全极化探地雷达,通过开关控制转换器和同轴开关将原矢量网络分析仪上的双通道各自扩展为六个通道,实现多通道发射及多通道接收,多种极化模式一次性获取的目的。基于Labview开发平台设计开发出数据采集控制系统,实现计算机远程操作,通道间转换、数据保存的自动控制。第4章,全极化探地雷达数据分析理论,详细介绍极化的表征方法和几种基本散射机理,比较几种常见的极化分解方法,对极化相干矩阵与极化协方差矩阵进行进一步研究,相较于传统的单极化探地雷达理论,建立的全极化雷达波的地下探测原理能提取地下目标的散射矩阵、特征矢量、极化相干矩阵和极化协方差矩阵。第5章,选取非相干目标分解方法中基于散射模型的Freeman分解方法结合地震勘探中的偏移技术,发展出一种适用于全极化探地雷达的极化分解技术,可对地下目标体进行分类,并重建高质量目标图像,以提取表层目标体属性。将该极化分解技术应用于实验采集到的全极化探地雷达数据对目标体进行分类,重建增强效果的高质量目标图像,并进行数据解释。第6章,研究结论及展望。本研究的主要贡献如下:(1)利用HFSS仿真软件仿真与优化了四种探地雷达常用的天线单元,通过比较同频段不同天线的特性,优选并制作适合于本研究的极化探地雷达系统的Vivaldi天线作为天线单元,利用网络分析仪测试该天线性能。(2)设计并组建多次覆盖全极化天线阵列和全极化共中心点天线阵列,前者通过叠加采集到的共中心点数据来压制噪音,有效提高系统测量信噪比,后者以数量较少的天线单元组建包含HH和VV的共极化模式,HV和VH的交叉极化模式天线阵列,可完成四种极化模式的共中心点数据采集。(3)构建步进频率全极化探地雷达,通过开关控制转换器和同轴开关将原矢量网络分析仪上的双通道各自扩展为六个通道,实现多通道发射及多通道接收的目的。基于Labview开发平台,设计开发了一个数据采集控制系统,通过对控制系统用户界面的操作,可以快速完成数据采集参数的设置和多个通道的数据采集并保存。以应用实验为例验证该雷达硬件和软件系统、两种天线阵列系统的可靠性。(4)建立了全极化雷达波地下探测的数据分析理论,能提取地下目标的散射矩阵、特征矢量、极化相干矩阵和极化协方差矩阵,更完善的包含了目标的尺寸、形状、结构等属性信息。融合使用这些矩阵和矢量,可以对地下目标进行更精确的极化分析,进而提高目标的成像质量,并进行分类识别。(5)将基于散射模型的Freeman分解方法和地震勘探中的偏移技术结合,发展出一种可应用于全极化探地雷达的极化分解方法,对全极化数据进行处理可实现对地下目标体分类,并重建高质量目标图像,以提取表层目标体属性。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:P631.325
【图文】:

示意图,H面,示意图,方向函数


图 2. 1 E 面 H 面示意图. 1 所示,在 E 面的 , 方向上可表示为:E , af , 和 φ 是三维极坐标角度,a 为系数,f(θ, φ)为方向函数, , ,EFEm E 在(θ, φ)方向上的最大幅度值,P(θ, φ)为某方位归一化的为: 2P , F ,

方向图,方向图,天线,辐射功率


图 2. 2 天线平面方向图强度用辐射功率表示为: , ,indPUd ··················角, Pin为辐射功率。 2 220 0 0 0, , sininP U d F d d 入各向同性天线辐射功率作为参考,在相同馈电功率与各向同性天线辐射功率比值[123],表示为 , ,4inUDP ··················· 2 2220 04 ,,, sinFDF d d ········

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 梁文婧;冯fE;刘财;恩和得力海;张明贺;梁帅帅;;多输入多输出极化步进频率探地雷达硬件系统开发[J];吉林大学学报(地球科学版);2018年02期



本文编号:2723699

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