专利名称：一种用于探地雷达同心圆回波数据的成像方法
技术领域：
本发明涉及探地雷达成像方法，更为具体地涉及利用雷达在近场条件下穿透介质对目标进行探测并收取呈同心圆分布的回波数据，对该回波数据进行处理实现高分辨ニ维成像的方法。
背景技术：
探地雷达(ground penetrating radar, GPR)成像是指雷达发射电磁波穿透ー层或多层介质对目标进行观测并收集回波进行处理获取目标图像的技木。GPR成像技术具有这样的特点ー是目标处于近场区，这是因为电磁波穿透介质后有较大衰减，雷达到目标的距离一般比较近；ニ是目标一般是静止或慢动目标，目前GPR成像技术主要是针对埋藏的静止目标或隔着障碍物的慢动目标进行成像，对快速运动的目标成像尚未见报道。GPR成 像主要有三种成像技术，其ー是利用雷达阵列来对目标进行单次快拍成像，实时性好，但硬件成本高；其ニ是利用单个雷达对成像区域进行合成孔径扫描，通过一段时间的积累获取足够多的回波数据并处理成像，该技术在GPR中被广泛应用，优点是成本低易于实现，缺点是回波获取时间长，实时性差；其三是二者兼有的成像技木，即采用雷达阵列进行合成孔径扫描来获取回波，兼顾了实时性和成本。从成像机理上看，合成孔径雷达成像的回波是对成像区域的时间采样，而雷达阵列的回波是对成像区域的空间采样，二者在大多数情况下是等效的，二者采用的成像算法在大多数情况下也都可以共用，例如距离-多普勒(RangeDoppler)成像算法在GPR阵列成像技术和GPR合成孔径成像技术中都得到了广泛应用。通常GPR成像技术可以分为两大步骤，一是回波数据的获取，利用雷达在某种扫描方式下获取具有特殊排列的雷达回波数据；ニ是成像算法，即针对该回波数据进行处理成像的具体方法。目前传统的GPR成像技术，一般是获取呈矩形均匀分布的回波数据，然后通过多种经典成像算法，如包括衍射层析(Diffraction Tomography, DT),后向投影(BackProjection, BP),逆时偏移(Reverse Time Migration, RTM),距离偏移(Range Migration,RM)等算法来进行成像。然而在有些特定环境下，GPR获取的回波数据并不是呈矩形均匀分布。例如为了满足实时成像的需求，采用ー个线性阵列做圆形扫描并发射连续波穿透介质来观测目标，得到的目标回波将具有同心圆结构分布。此时，经典的成像算法无法被直接用于该回波数据的处理和成像，需要研究专门的成像方法。事实上，这种具有同心圆分布的GPR回波数据，除了通过上文中线性阵列做圆形扫描来获取外，还可以通过具有同心圆结构的平面阵列直接获取，或者通过合成孔径雷达做圆形扫描来获取。本申请侧重于阐述针对这种具有同心圆结构的GPR回波数据进行成像的算法，并不限定这种同心圆回波数据的获取方式，也就是说，本发明申请所提供的算法对上述几种方式获取的同心圆回波数据均有效且具有相同的处理步骤。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供ー种对在近场条件下获得的具有同心圆分布的GPR回波数据进行处理并实现高分辨ニ维成像的方法。本发明提供的这种用于GPR同心圆回波数据的ニ维成像方法，技术方案是首先对GPR同心圆回波数据进行相位校正，然后对相位校正后的同心圆回波数据做去载频处理，接着沿同心圆回波数据的直径方向做傅里叶变换得到回波频域数据，最后对同心圆回波数据上的每一点以同心圆的圆心到该点的连线为直径画圆，将上述圆的圆周附近的回波频域数据叠加起来取均值作为该点的输出值，从而得到 成像結果。采用本发明可以达到以下技术效果一、可对具有同心圆分布的回波数据进行成像，这是传统算法所无法实现的。ニ、该成像方法对同心圆回波数据的每ー个方向都进行同样的处理，因此具有各向同性，即它对各个方向都具有同样的成像性能；三、成像处理过程简单，运算速度快。


图I是成像流程图；图2是GPR同心圆回波数据的空间分布实例图；图3是仿真实验利用的目标散射点空间分布图；图4是对图3所示目标采用本发明所提出的成像方法进行成像的結果。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细说明。图I是成像流程图。參考图2，已知GPR同心圆回波数据在空间上呈同心圆分布，其中同心圆的数量为M个，同心圆的最大半径为L且各同心圆以相同的间隔Dr分布在同一个平面上，即M = L/Dr，圆心处没有回波数据；姆个同心圆的圆周上以相同的角度间隔Dq均匀分布着N个回波，则N = 2p/Dq。目标中心到同心圆平面的距离为Rtl，中间充斥着相对介电常数为e的介质。
设雷达发射信号为等幅连续波，中心频率为ち，在介质中的波长为Z =,，其中ら=T，c
=3ロ 108m/s是真空中的波速。将这M' N个具有同心圆分布的回波数据矩阵记为Smn (t)，其中m和η表示是回波数据矩阵中的第m行和第η列,t是时间变量,m = l,2,L,M,n = I,2，L，N;首先对输入的回波数据进行相位校正，其中相位校正因子由Dtnm公式一、公式ニ及公式三来计算，相位校正则由公式四来实现，并将校正后的回波数据记为
「 ^ |xm= (m- l)Dr cos[( 1)D^]
j >- = (m- l)Dr sin[( 1)D^]( “一)ORmn = Jx2m + y + 和-凡(公式ニ)
2D RDし=——(公式三)(O = SnJt- m_) exp( )2π/0 ηη)(公式四)
(m = I，2LM ;n = I，2LN)然后对校正后的回波按公式五做去载频处理，得到j (m，η)；j (m,n)=也(i) exp( )2%f0t)(公式五)(m = 1，2LM ；n = 1，2LN)对j (m，n)沿直径方向做一维傅立叶变换，其結果记为jjk，η)，如公式六所示；
M所j r(k,n)= a j 0, )exp{- }2p—k}(公式六)
m=iM
(m = I，2LM ;n = I，2LN ;k = I，2LM)最后对jjk，n)沿圆形叠加并求均值即可得到目标ニ维成像結果。沿圆形叠加的具体做法为在jjk，η)上某点(k，η)处，以同心圆的原点到该点的连线为直径画圆，将jr(k, η)上位于该圆周附近(到圆周的距离不超过Dr)的数据累加再求均值作为该点(k，η)的输出值。按k= 1，2，···，Μ和η = 1，2，···，Ν对jr(k，n)上的每一点都沿圆形叠加并求均值，将求得的均值作为最終的输出值即为ニ维成像結果。图2所示的GPR同心圆回波数据中，M = 6，N = 24，Dr = O. 05m,D^r= 。下面是基于MATLAB平台所进行的仿真实验，相关參数为取M = 80和N = 180，Dr = O. 02m,Dg= ^ , fo = IOGHz, e = I, R0 = O. 5m。 图3是仿真实验所采用的目标分布图，设目标由6个散射中心组成，在以目标中心为原点的直角坐标系O贫ΓB中，这6个散射中心的相对坐标分别为(O，O，O)、(O. 05，O，O)、(-0. 05,0,0), (0,0. 05,0), (O, -O. 05,0)和(O, -O. 1,0. 05)。坐标都以米为单位。图4是对仿真实验得到的GPR同心圆回波数据按本发明申请所提出的成像方法进行处理所得到的成像结果，其中图(a)是成像结果的幅度对比度图，而图(b)是成像结果的幅度图。仿真得到的成像结果，与图3所示的目标分布图基本一致，这证明了本发明申请所提供的成像方法是有效的。
权利要求
1.一种用于探地雷达同心圆回波数据的二维成像方法，其特征在于，首先对探地雷达同心圆回波数据进行相位校正，然后对相位校正后的同心圆回波数据做去载频处理，接着沿同心圆回波数据的直径方向做傅里叶变换得到回波频域数据，最后对同心圆回波数据上的每一点以同心圆的圆心到该点的连线为直径画圆，将所画圆的圆周附近的回波频域数据叠加起来取均值作为该点的输出值得到成像结果。
2.根据权利要求I所述的用于探地雷达同心圆回波数据的二维成像方法，其特征在于，所画圆的圆周附近是指，到所画圆的圆周的距离不超过探地雷达同心圆圆周间隔Dr的范围内。
全文摘要
本发明提供一种用于探地雷达同心圆回波数据的二维成像方法，技术方案是首先对GPR同心圆回波数据进行相位校正，然后对相位校正后的同心圆回波数据做去载频处理，接着沿同心圆回波数据的直径方向做傅里叶变换得到回波频域数据，最后对同心圆回波数据上的每一点以同心圆的圆心到该点的连线为直径画圆，将上述圆的圆周附近的回波频域数据叠加起来取均值作为该点的输出值，从而得到成像结果。采用本发明可对具有同心圆分布的回波数据进行成像，该成像方法对同心圆回波数据的每一个方向都进行同样的处理，因此具有各向同性，成像处理过程简单，运算速度快。
文档编号G01S13/89GK102736080SQ201210128829
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者唐涛, 朱宇涛, 李禹 , 粟毅, 陆珉, 黄春琳 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学