多站数据采集在探地雷达中的应用

由于地下介质组成相当复杂，且具有非均匀、损耗和色散等特性，以及各种杂散回波的存在，探地雷达（Ground Penetrating Radar, GPR）信号处理与一般的空间雷达有较大差别，其成像效果不尽如人意。本文将衍射层析成像（Diffraction Tomography，DT）中的多站数据采集应用在探地雷达中来实现高质量成像，并经过数值验证，说明了多站数据采集较传统单站数据采集有很大的优越性。
关键词：衍射层析成像；多站数据采集；探地雷达
探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）是利用电磁波探测地下目标，通过分析电磁信号与地下目标的相互作用，提取目标的几何形状、物理性质等信息[1-3]。与其它地下目标探测设备相比，由于探地雷达具有连续探测、实时显示、分辨率高以及设备简单，操作方便等优点，其应用范围日益广泛。目前商用探地雷达系统发射信号均采用脉宽几个纳秒无载频基带脉冲，其有效频谱范围从几十MHz 到几GHz，属超宽带雷达（UWBR）系统。
GPR 在目标探测方面与传统空间雷达有较大不同，主要表现在：（1）地下介质的复杂性。由于地下介质组成相当复杂，其作为电磁场的传播媒质具有非均匀、随机、损耗和色散特性。（2）杂波背景。存在各种杂散回波，包括由地下杂质导致的干扰噪声、地表分界面及天线失配造成的界面反射、浅目标带来的天线余振或振铃效应等，将对有用回波探测产生严重干扰。这些因素导致GPR 信号处理包括杂波抑制和反演成像两大部分，如反褶积滤波处理、偏移处理是当前主流的GPR 信号处理方法。
衍射层析成像历经二十多年发展，受到愈来愈多的关注，目前已广泛应用于超声波工程、生物医学、无损检测、地球物理、光学成像、探地雷达以及军事应用等领域。作为逆散射问题，DT 以亥姆霍兹方程线性解为基础, 利用衍射现象中的散射场信号获取目标函数，实现目标图像的高质量重建。由于衍射现象含有丰富的被测物目标函数信息，DT 正是充分利用了这一衍射信息，能够实现对小散射体和被测物棱边的探测，因而具有理论上的最佳成像能力。
本文以层析成像理论为基础，将DT 中的多站数据采集应用在GPR 来实现高质量成像，并对多站数据采集进行空间谱域分析所得的结论进行了数值验证，说明使用多站数据采集GPR 较现有商业单站GPR 在成像上更具优越性。