CN110297237B - 考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法及系统，该方法包括下述步骤：在待测构件上设置收发天线和相应测线，收发天线沿测线进行共偏移距B‑Scan采样；提取接收的每一道回波信号；计算电磁波经发射天线发射、点散射体散射和接收天线接收的行程；提取成像空间每个成像点电磁波的旅行时；设置成像区域的范围值和像素点的采样间隔，根据旅行时建立接收信号索引；根据旅行时索引提取各成像空间点散射的电场值；获取雷达系统中天线的方向图；修正绕射叠加偏移，将每一道接收数据计算的成像空间点散射电场值叠加作为偏移后的成像结果。本发明在偏移成像方法中引入天线辐射方向图，提高了对地下目标的成像精度和成像效果。

Description

考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法及系统

技术领域

本发明涉及探地雷达探测技术领域，具体涉及一种考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法及系统。

背景技术

探地雷达技术已经被广泛应用于土木工程检测、行星探测、地质勘探等领域，随着探测环境日益复杂，探测任务要求越来越高，高精度的探地雷达信号处理和偏移成像技术已成为实际工程应用中的迫切需求。探地雷达通过天线向地下辐射高频电磁波脉冲信号，并由接收天线在地表接收来自地下目标的回波信号，天线向地下不同方向辐射的电磁波能量不同，由天线辐射方向图来表征。在经典的绕射叠加偏移成像方法中，发射源被理想近似为理想的点源，根据射线理论近似的认为散射信号的相位与电磁波所具有的行程时间(或距离)成正比，忽略了实际雷达系统中天线真实的能量辐射特性，忽略了天线辐射电磁波信号强度随辐射角度和介质参数的变化，从而对偏移的效果产生影响。

天线辐射方向图作为描述天线辐射性能的最重要参数之一，深受天线设计本身和土壤介质参数和湿度等制约，对地下目标的雷达反射信号产生显著的影响，深入研究如何在偏移成像方法中引入天线辐射方向图，对进一步扩大探地雷达的应用面具有重要的实际意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法及系统，在偏移成像方法中引入天线辐射方向图，解决了经典的绕射叠加偏移成像中成像精度不够的问题，提高了对地下目标的成像精度和成像效果。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法，包括下述步骤：

S1：在待测构件上设置收发天线和相应测线，发射天线向构件内部辐射电磁波，接收天线接收回波信号，收发天线按照设定的道间距，沿测线进行共偏移距B-Scan采样；

S2：提取接收天线接收的每一道回波信号；

S3：计算电磁波经发射天线发射、点散射体散射和接收天线接收的行程；

S4：提取成像空间每个成像点电磁波的旅行时；

S5：设置成像区域的范围值和像素点的采样间隔，根据成像点散射并被接收天线接收消耗的旅行时建立接收信号索引；

S6：根据旅行时索引提取各成像空间点散射的电场值；

S7：获取雷达系统中天线的方向图；

S8：修正偏移成像：各成像空间点散射的电场值，与散射点到收发天线各自所成夹角的方向图函数值相乘，并修正绕射叠加偏移，最后将每一道接收数据修正后的散射电场值叠加作为偏移后的成像结果。

作为优选的技术方案，所述计算电磁波经发射天线发射、点散射体散射和接收天线接收的行程，具体计算公式为：

其中，点(x,z)表示成像空间像素点(x,z)，x为天线扫描方向，z为地下深度方向，x_T为雷达系统的发射天线位置，x_R为雷达系统的接收天线位置；

所述提取成像空间每个成像点电磁波的旅行时，具体计算公式为：

其中，v表示目标介质中电磁波的传播速度。

作为优选的技术方案，步骤S7中所述获取雷达系统中天线的方向图，具体步骤为：

建立实际雷达系统中天线的模型，采用电磁仿真工具进行模拟，得到天线在目标介质下的方向图。

作为优选的技术方案，步骤S7中所述获取雷达系统中天线的方向图，具体步骤为：

在目标介质内埋设探头，雷达系统中天线在工作高度对覆盖探头的设定区域进行采样，记录每个采样位置接收到的信号能量，拟合得到天线的方向图。

作为优选的技术方案，步骤S7中所述获取雷达系统中天线的方向图，具体步骤为：

采用线极化天线作为收发天线，将得到的线极化天线的H面辐射方向图作为线源方向图，根据无限长线源在半空间模型中方向图函数的远场解析解对偏移方法进行修正，得到雷达系统中天线的方向图。

作为优选的技术方案，所述根据无限长线源在半空间模型中方向图函数的远场解析解对偏移方法进行修正，具体步骤为：

沿z轴放置线源，令y＝0为介质层分解面，空气层位于y＞0半空间，介电常数为ε的介质层位于y＜0半空间，线源表示为：

其中，

为z方向的单位矢量，I为总电流，δ(x)和δ(y)为狄拉克冲击函数；

将坐标系转换到柱坐标系下：

根据坐标转换公式：

电场z分量设为

磁场ρ，

分量设为

根据麦克斯韦方程得到：

根据

和

得到：

其中，k²＝ω²εμ＝n²k₀ ²，k为传播常数；

傅里叶积分变换关系为：

将傅里叶积分变换关系代入

中，得到：

由辐射边界条件和电场连续性并代入原方程

可得上下半空间电场E_z1和E_z2分别为：

其中，ω为线源的角频率，μ₀为真空中的磁导率，I为线源的幅值，k₀为真空中的波数，h为傅里叶积分变量。

在远场条件下，采用固定相位法求得积分解，得到无限长线源上下半空间的方向图为：

其中，n为折射率，θ_c为临界角，

作为优选的技术方案，步骤S8所述最后将每一道接收数据修正后的散射电场值叠加作为偏移后的成像结果，具体表示为：

其中，f_T(x,z)和f_R(x,z)分别为发射天线到成像点的入射角对应的方向图幅度和成像点到接收天线的出射角对应的方向图幅度，x为天线扫描方向，z为地下深度方向，发射天线的位置为x_T，接收天线的位置为x_R。

本发明还提供一种考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像系统，包括：收发天线、探地雷达剖面数据提取模块、旅行时提取模块、索引接收信号建立模块、成像空间点散射电场值计算模块、天线方向图获取模块和偏移成像修正模块；

所述收发天线，用于沿测线按照设定的道间距进行共偏移距B-Scan采样；

所述探地雷达剖面数据获取模块，用于获取探地雷达剖面成像数据；

所述旅行时提取模块，用于根据电磁波经发射天线发射、点散射体散射和接收天线接收的行程，计算旅行时；

所述索引接收信号建立模块，用于根据成像点散射并被接收天线接收消耗的旅行时建立接收信号索引；

所述成像空间点散射电场值计算模块，用于计算接收到的电场信号经过相应旅行时索引得到的电场值；

所述天线方向图获取模块，用于获取雷达系统中天线的方向图；

所述偏移成像修正模块，用于偏移叠加各个像素点，并与散射点到收发天线各自所成夹角的方向图函数值相乘，修正绕射叠加偏移，最后将每一道接收数据计算的成像空间点散射电场值叠加作为偏移后的成像结果。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明在偏移成像方法中引入天线辐射方向图，对绕射叠加偏移进行修正，获得更好的成像效果和成像精度。

附图说明

图1为本实施例考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法的流程示意图；

图2为绕射叠加偏移成像方法的原理图；

图3为本实施例修正绕射叠加偏移成像方法的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法，包括下述步骤：

S1：在待测构件上设置收发天线和相应的测线，发射天线向构件内部辐射电磁波，接收天线接收回波信号，收发天线按照设定的道间距沿着测线做共偏移距B-Scan采样；

S2：提取接收天线接收的每一道回波信号；

S3：位于点(x,z)的理想点散射体，对于均匀介质，电磁波被发射天线发射并经点散射体被散射最后由接收天线接收的行程为：

其中，x为天线扫描方向，z为地下深度方向，x_T为雷达系统的发射天线位置，x_R为雷达系统的接收天线位置；

S4：提取成像空间每个成像点电磁波的旅行时

其中，v为在目标介质中电磁波的波速。

S5：规定成像区域的范围和像素点的采样间隔，对于成像空间的每个像素点，将其视为理想点散射目标，该点散射目标在雷达时间剖面图中呈现一条绕射双曲线，通过经该成像点散射并被接收天线接收所消耗的旅行时建立接收信号的索引；

S6：根据旅行时索引提取各成像空间点散射的电场值：对于第i道接收时域信号，成像空间点(x,z)处的散射电场值取接收电场对应经过(x,z)散射的旅行时的振幅；

S7：获取探地雷达系统中天线的方向图，真实天线的能量辐射与电磁波的频率和介质的性质有关，在雷达探测中，由接收天线接收的信号能量是各连续频点下能量辐射特性共同作用下的结果；

在本实施例中，获取雷达系统中天线的方向图可采用以下三种方法的任意一种：

方法一：建立实际雷达系统中天线的模型，利用电磁仿真工具进行模拟，得到天线在目标介质下的方向图；

方法二：将辐射源视作一个无限长的线源，在实际的探地雷达应用中，电磁波传播环境可以等效为分层均匀介质，天线近似位于空气和地下介质的交界处，无限长线源在两层介质交界处(即半空间环境)辐射电磁波；本实施例的探地雷达采用线极化天线作为收发天线，包括偶极子天线和各种偶极子天线的变形，如蝶形天线、Vivaldi天线等，这些天线的H面辐射方向图与线源方向图相近，因此线源半空间的方向图是实际天线半空间的方向图的一种良好的近似，利用无限长线源在半空间模型中方向图函数的远场解析解对偏移方法进行修正；

在本实施例中，利用无限长线源在半空间模型中方向图函数的远场解析解对偏移方法进行修正的具体步骤为：

步骤1：沿z轴放置线源，令y＝0为介质层分解面，空气层位于y＞0半空间，介电常数为ε的介质层位于y＜0半空间，线源可表示为：

其中，

为z方向的单位矢量，I为总电流，δ(x)和δ(y)为狄拉克冲击函数；

步骤2：为了表述的方便将坐标系转换到柱坐标系下，根据坐标转换公式：

由对称结构可知，电场只有z分量

磁场包含ρ，

分量

由麦克斯韦方程

可得：

由

和

可得，

其中，k²＝ω²εμ＝n²k₀ ²，k为传播常数；

步骤3：根据傅里叶积分变换关系：

将傅里叶积分变换关系代入上式

得：

上式的解存在固定形式，由辐射边界条件和电场连续性并代入原方程

可得上下半空间电场E_z1和E_z2分别为：

其中，ω为线源的角频率，μ₀为真空中的磁导率，I为线源的幅值，k₀为真空中的波数，h为傅里叶积分变量；

步骤4：在远场条件下，即k₀ρ→∞，应用固定相位法可以求得积分解，由此而得到无限长线源上下半空间的方向图为：

其中，

为折射率,

为临界角；

方法三：通过实测的方式得到雷达系统中天线的方向图的方法，具体步骤为：

步骤1：在目标介质内部埋设探头；

步骤2：使用雷达系统中的天线在实际的工作高度对覆盖探头的设定区域进行采样；

步骤3：记录下每个采样位置接收到的信号能量，拟合出天线的方向图。

S8：修正偏移成像：如图2所示，传统的绕射叠加偏移依据射线理论，假设散射信号的相位与电磁波所具有的行程时间(或距离)成正比，忽略了天线辐射电磁波信号强度随入射和出射角度的变化；如图3所示，对于成像区域内任意一个成像点，实际雷达系统经发射天线激励入射电磁波传播至该点并散射至接收天线被接收的过程中，实际天线的能量辐射并非均匀，各个方向上能量的辐射特性与成像点到收发天线各自所成的夹角有关，并以收发天线的方向图函数表征。为了得到更加精确的成像效果，通过在来自每个成像点处的散射场场值同时乘上该散射点到收发天线各自所成夹角的方向图函数值，对绕射叠加偏移进行修正，最后将所有n道的修正后的散射电场值叠加作为偏移后的结果，由此得到的成像空间成像点(x,z)的二维深度偏移结果为：

其中，f_T(x,z)和f_R(x,z)分别为发射天线到成像点的入射角对应的方向图幅度和成像点到接收天线的出射角对应的方向图幅度。

在本实施例中，如图3所示，x_T为雷达系统的发射天线在侧线位置上的坐标(即T_x)，x_R为雷达系统的接收天线的坐标(即R_x)，f_T(x,z)和f_R(x,z)分别为发射天线和接收天线的方向图函数，L_Tx和L_Rx分别是电磁波在介质中传播到成像目标以及经目标物散射被接收天线接收的传播路径，通过将收发天线的方向图函数引入偏移成像方法进行修正，可以使偏移成像方法获得更好的成像效果和成像精度。

本实施例还提供一种考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像系统，包括：收发天线、探地雷达剖面数据提取模块、旅行时提取模块、索引接收信号建立模块、成像空间点散射电场值计算模块、天线方向图获取模块和偏移成像修正模块；

所述收发天线用于沿测线按照设定的道间距进行共偏移距B-Scan采样；

所述探地雷达剖面数据获取模块用于获取探地雷达剖面成像数据；

所述旅行时提取模块用于根据电磁波经发射天线发射、点散射体散射和接收天线接收的行程，计算旅行时；

所述索引接收信号建立模块用于根据成像点散射并被接收天线接收消耗的旅行时建立接收信号索引；

所述成像空间点散射电场值计算模块用于计算接收到的电场信号经过相应旅行时索引得到的电场值；

所述天线方向图获取模块用于获取雷达系统中天线的方向图；

所述偏移成像修正模块用于偏移叠加各个像素点，并与散射点到收发天线各自所成夹角的方向图函数值相乘，修正绕射叠加偏移，最后将每一道接收数据计算的成像空间点散射电场值叠加作为偏移后的成像结果。

本实施例在偏移成像方法中引入天线辐射方向图，对绕射叠加偏移进行修正，获得更好的成像效果和成像精度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：在待测构件上设置收发天线和相应测线，发射天线向构件内部辐射电磁波，接收天线接收回波信号，收发天线按照设定的道间距，沿测线进行共偏移距B-Scan采样；

S2：提取接收天线接收的每一道回波信号；

S3：计算电磁波经发射天线发射、点散射体散射和接收天线接收的行程；

S4：提取成像空间每个成像点电磁波的旅行时；

S5：设置成像区域的范围值和像素点的采样间隔，根据成像点散射并被接收天线接收消耗的旅行时建立接收信号索引；

S6：根据旅行时索引提取各成像空间点散射的电场值；

S7：获取雷达系统中天线的方向图；

S8：修正偏移成像：各成像空间点散射的电场值，与散射点到收发天线各自所成夹角的方向图函数值相乘，并修正绕射叠加偏移，最后将每一道接收数据修正后的散射电场值叠加作为偏移后的成像结果。

2.根据权利要求1所述的考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法，其特征在于，所述计算电磁波经发射天线发射、点散射体散射和接收天线接收的行程，具体计算公式为：

其中，点(x，z)表示成像空间像素点(x，z)，x为天线扫描方向，z为地下深度方向，x_T为雷达系统的发射天线位置，x_R为雷达系统的接收天线位置；

所述提取成像空间每个成像点电磁波的旅行时，具体计算公式为：

其中，v表示目标介质中电磁波的传播速度。

3.根据权利要求1所述的考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法，其特征在于，步骤S7中所述获取雷达系统中天线的方向图，具体步骤为：

建立实际雷达系统中天线的模型，采用电磁仿真工具进行模拟，得到天线在目标介质下的方向图。

4.根据权利要求1所述的考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法，其特征在于，步骤S7中所述获取雷达系统中天线的方向图，具体步骤为：

在目标介质内埋设探头，雷达系统中天线在工作高度对覆盖探头的设定区域进行采样，记录每个采样位置接收到的信号能量，拟合得到天线的方向图。

5.根据权利要求1所述的考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法，其特征在于，步骤S7中所述获取雷达系统中天线的方向图，具体步骤为：

采用线极化天线作为收发天线，将得到的线极化天线的H面辐射方向图作为线源方向图，根据无限长线源在半空间模型中方向图函数的远场解析解对偏移方法进行修正，得到雷达系统中天线的方向图。

6.根据权利要求5所述的考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法，其特征在于，所述根据无限长线源在半空间模型中方向图函数的远场解析解对偏移方法进行修正，具体步骤为：

沿z轴放置线源，令y＝0为介质层分解面，空气层位于y＞0半空间，介电常数为ε的介质层位于y＜0半空间，线源表示为：

其中，

为z方向的单位矢量，I为总电流，δ(x)和δ(y)为狄拉克冲击函数；

将坐标系转换到柱坐标系下：

根据坐标转换公式：

电场z分量设为

磁场ρ，

分量设为

根据麦克斯韦方程得到：

根据

和

得到：

其中，k²＝ω²εμ＝n²k₀ ²，k为传播常数；

傅里叶积分变换关系为：

将傅里叶积分变换关系代入

中，得到：

由辐射边界条件和电场连续性并代入原方程

可得上下半空间电场E_z1和E_z2分别为：

其中，ω为线源的角频率，μ₀为真空中的磁导率，I为线源的幅值，k₀为真空中的波数，h为傅里叶积分变量；

在远场条件下，采用固定相位法求得积分解，得到无限长线源上下半空间的方向图为：

其中，n为折射率，θ_c为临界角，

7.根据权利要求1所述的考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像方法，其特征在于，步骤S8所述最后将每一道接收数据修正后的散射电场值叠加作为偏移后的成像结果，具体表示为：

其中，f_T(x，z)和f_R(x，z)分别为发射天线到成像点的入射角对应的方向图幅度和成像点到接收天线的出射角对应的方向图幅度，x为天线扫描方向，z为地下深度方向，发射天线的位置为x_T，接收天线的位置为x_R。

8.一种考虑天线方向图的探地雷达绕射叠加成像系统，其特征在于，包括：收发天线、探地雷达剖面数据提取模块、旅行时提取模块、索引接收信号建立模块、成像空间点散射电场值计算模块、天线方向图获取模块和偏移成像修正模块；

所述收发天线，用于沿测线按照设定的道间距进行共偏移距B-Scan采样；

所述探地雷达剖面数据获取模块，用于获取探地雷达剖面成像数据；

所述旅行时提取模块，用于根据电磁波经发射天线发射、点散射体散射和接收天线接收的行程，计算旅行时；

所述索引接收信号建立模块，用于根据成像点散射并被接收天线接收消耗的旅行时建立接收信号索引；

所述成像空间点散射电场值计算模块，用于计算接收到的电场信号经过相应旅行时索引得到的电场值；

所述天线方向图获取模块，用于获取雷达系统中天线的方向图；

所述偏移成像修正模块，用于偏移叠加各个像素点，并与散射点到收发天线各自所成夹角的方向图函数值相乘，修正绕射叠加偏移，最后将每一道接收数据计算的成像空间点散射电场值叠加作为偏移后的成像结果。

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