探地雷達高輻射效率天線與目標檢測.pdf

1、天線和目標檢測是制約沖激探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）目標探測能力的兩個關(guān)鍵問題。本文對這兩個問題開展了研究，分別從系統(tǒng)層面和算法層面提高了沖激GPR的目標探測能力。在開始天線研究前，本文首先從時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)?？紤]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，非常適合于沖激信號輻射以及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)和激勵脈沖的選取原則，解決了蝶形天線基本的設(shè)計問題。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、庞捎跊_激GPR天線工作在時域模式以及近場，傳統(tǒng)的頻域以及遠場的天線性能指標不適合衡量沖激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、強和拖尾抑制兩方面研究了蝶形天線輻射效率提高的方法。
　?、圃谥髅}沖增強方面，設(shè)計了一款超寬帶巴倫來改善蝶形天線饋點處的阻抗匹配，以增加饋入天線的整體能量。然后考慮到拖尾中蘊含的可觀能量，提出了一種利用拖尾來增強主脈沖的全新方法，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、加載阻值三個問題。然后針對分布式加載中存在的不利于主脈沖增強的問題，提出了一種兼具拖尾抑制和主脈沖增強功能的分布式加載方式。
　　⑶目標檢測的關(guān)鍵在于特征的提取，在研究檢測算法前，詳細分析了GPR目標在不同回波數(shù)據(jù)形式中的特征，并再此基礎(chǔ)上提出了一個目標檢測方案。然后根據(jù)目標特征分析結(jié)果以及目標檢測方案，提出了一種改進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驗

5、表明，改進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算效率的同時，還保證了不錯的檢測性能。為了進一步去除雜波，降低目標檢測的虛警率，提出了一種基于回波干涉原理的目標回波相位提取方法，提取相位值可從材質(zhì)上鑒別可疑目標，實測數(shù)據(jù)實驗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，并用仿真實驗