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1、探地雷达技术报告人：周正欧，教授、博导1内容简介探地雷达研究动态；探地雷达应用；探地雷达原理；探地雷达基本概念；信号处理方法；探地雷达：Ground-Penetrating Radar (GPR)；Ground-Probing Radar (GPR) ; Subsurface-Penetrating Radar (SPR)2一、探地雷达研究动态 电子科技大学1986开展雷达探测地雷的研究，对埋地30多公分深的塑料地雷（直径约30cm）进行了较清晰的剖面成像，获1987年电子工业部科技进步二等奖。 其他单位，如西安交通大学、清华等，以及电子部22所、50所，航天部等单位都对探地雷达进行了卓有成效
2、的研究，已有产品推出。但是，到目前为止，尚未见到我国有用合成孔径技术的探地雷达报道。 1、国内研究动态：3一、探地雷达研究动态电电电电子子子子科科科科技技技技大大大大学学学学研研研研制制制制的的的的探探探探地地地地雷雷雷雷达达达达样样样样机机机机4一、探地雷达研究动态1、国外研究动态：1904年，德国的Hulsmeyer首次采用电磁波探测地 下的金属物体； 1910年Leimbach和Lowy在德国首次获得关于利用电磁波对埋藏物体进行定位的专利；在1926年Hulsenbech第一次使用脉冲技术探测埋藏介质的结构；从1930年起探地雷达获得迅速发展并被应用到各行各业。上个世纪七十年代，开始展开
3、对频域探地雷达的研究。 5国外探地雷达类型：国外探地雷达类型：国外探地雷达类型：国外探地雷达类型： 下视探地雷达（人拖或车载）；下视探地雷达（人拖或车载）；下视探地雷达（人拖或车载）；下视探地雷达（人拖或车载）； 前视探地雷达；前视探地雷达；前视探地雷达；前视探地雷达；6国外探地雷达类型：国外探地雷达类型：国外探地雷达类型：国外探地雷达类型： 侧视探地雷达；侧视探地雷达；侧视探地雷达；侧视探地雷达； 机载探地雷达；机载探地雷达；机载探地雷达；机载探地雷达；7二、探地雷达应用探地雷达应用领域综述探地雷达应用领域综述探地雷达应用领域综述探地雷达应用领域综述：8二、探地雷达应用桥梁检测：桥梁检测：9
4、二、探地雷达应用地基检测地基检测10二、探地雷达应用高速公路、机场质量检测及地基检测：高速公路、机场质量检测及地基检测：11二、探地雷达应用高速公路、机场质量检测及地基检测：高速公路、机场质量检测及地基检测：12二、探地雷达应用城市地下管线探测：城市地下管线探测：13二、探地雷达应用管线探测的探地雷达图像：管线探测的探地雷达图像：14二、探地雷达应用建筑物质量检测，公路检测：建筑物质量检测，公路检测：15二、探地雷达应用探测地雷：探测地雷：16二、探地雷达应用探测雷场：探测雷场：17二、探地雷达应用地质勘查：地质勘查：左图：大同某隧道地裂缝勘探左图：大同某隧道地裂缝勘探左图：大同某隧道地裂缝勘
5、探左图：大同某隧道地裂缝勘探 18二、探地雷达应用地质勘查：地质勘查：19二、探地雷达应用月月球球探探测测20二、探地雷达应用北极冰下水流线探测（北极冰下水流线探测（19751975年）：年）：21二、探地雷达应用考古探测：考古探测：22二、探地雷达应用其它应用：其它应用：23三、探地雷达原理1 1、特殊性（与机载雷达相比）：特殊性（与机载雷达相比）： 目标不动；目标不动；目标不动；目标不动； 两层介质；其中一层介质（土壤）是有耗、不均匀、色散；两层介质；其中一层介质（土壤）是有耗、不均匀、色散；两层介质；其中一层介质（土壤）是有耗、不均匀、色散；两层介质；其中一层介质（土壤）是有耗、不均匀、
6、色散； 空气地界面的存在导致很强的地表杂波；空气地界面的存在导致很强的地表杂波；空气地界面的存在导致很强的地表杂波；空气地界面的存在导致很强的地表杂波； 目标处于天线近场；目标处于天线近场；目标处于天线近场；目标处于天线近场；242 2、探地雷达体制：、探地雷达体制：三、探地雷达原理25三、探地雷达原理型号制造商波形频率，MHzSIR-10GSSI,USAImpulse16-1500SIR-2000GSSI,USAImpulse16-1500Pulse Ekko 100Sensors & Software Inc.Impulse12.5-200Pulse Ekko 1000Sensors &
7、Software Inc.Impulse110-1200Noggin 250Sensors & Software Inc.Impulse125-375Noggin 500Sensors & Software Inc.Impulse250-750RamacMala GeoScience,SwedenImpulse25-1000KSD-21Koden,JapanImpulse50-2000GZ6GeoZondas Ltd,LithuanianImpulse200-4000Zond 12cRadar Systems,LatviaImpulse38-2000GeoRadar 1000BGeoRadar
8、,USASFCW100-1000SPRscanERA Technology, UKImpulse500-1000目前成熟的商用目前成熟的商用GPRGPR系统：系统：26三、探地雷达原理3 3、基本概念：基本概念：电磁阻抗：电磁阻抗：电磁阻抗：电磁阻抗：其中：其中：其中：其中： 物质电磁特性：介电常数，磁导率，导电率；物质电磁特性：介电常数，磁导率，导电率；物质电磁特性：介电常数，磁导率，导电率；物质电磁特性：介电常数，磁导率，导电率； 电磁阻抗不同导致电磁波反射；电磁阻抗不同导致电磁波反射；电磁阻抗不同导致电磁波反射；电磁阻抗不同导致电磁波反射； 对非磁性材料，磁导率是常数；此时介电常对非磁性
9、材料，磁导率是常数；此时介电常对非磁性材料，磁导率是常数；此时介电常对非磁性材料，磁导率是常数；此时介电常数不同产生反射，导电率决定衰减；数不同产生反射，导电率决定衰减；数不同产生反射，导电率决定衰减；数不同产生反射，导电率决定衰减；介电常数：介电常数：介电常数：介电常数：27三、探地雷达原理 探地雷达探测中常见物质的电参数：探地雷达探测中常见物质的电参数：探地雷达探测中常见物质的电参数：探地雷达探测中常见物质的电参数：28三、探地雷达原理 电磁参数不同导致反射：电磁参数不同导致反射：电磁参数不同导致反射：电磁参数不同导致反射：29三、探地雷达原理探地雷达距离分辨率：探地雷达距离分辨率：探地雷
10、达距离分辨率：探地雷达距离分辨率： 探地雷达距离分辨率取决于信号带宽；探地雷达距离分辨率取决于信号带宽；探地雷达距离分辨率取决于信号带宽；探地雷达距离分辨率取决于信号带宽；探地雷达方位分辨率：探地雷达方位分辨率：探地雷达方位分辨率：探地雷达方位分辨率： 探地雷达方位分辨率取决于天线孔径；探地雷达方位分辨率取决于天线孔径；探地雷达方位分辨率取决于天线孔径；探地雷达方位分辨率取决于天线孔径； 天线孔径：合成孔径；实孔径；天线孔径：合成孔径；实孔径；天线孔径：合成孔径；实孔径；天线孔径：合成孔径；实孔径；30三、探地雷达原理探地雷达数据格式：探地雷达数据格式：探地雷达数据格式：探地雷达数据格式： 3
11、1三、探地雷达原理双曲线的形成：双曲线的形成：双曲线的形成：双曲线的形成： 32四、探地雷达系统探地雷达系统框图（以冲激雷达为例）：探地雷达系统框图（以冲激雷达为例）：探地雷达系统框图（以冲激雷达为例）：探地雷达系统框图（以冲激雷达为例）： 33四、探地雷达系统探地雷达主要组成部分：发射机和接收机光纤电缆天线控制台笔记本电脑34四、探地雷达系统探地雷达天线：探地雷达天线：探地雷达天线：探地雷达天线： 超宽带；超宽带；超宽带；超宽带； 超宽带定义：相对带宽大于超宽带定义：相对带宽大于超宽带定义：相对带宽大于超宽带定义：相对带宽大于25252525 ； 最大相对带宽最大相对带宽最大相对带宽最大相对
12、带宽200200200200； 浅地层探地雷达波形谱能量在几浅地层探地雷达波形谱能量在几浅地层探地雷达波形谱能量在几浅地层探地雷达波形谱能量在几MHzMHzMHzMHz到几到几到几到几GHzGHzGHzGHz，相对相对相对相对带宽接近带宽接近带宽接近带宽接近200200200200； 可分为双站雷达和单站雷达；可分为双站雷达和单站雷达；可分为双站雷达和单站雷达；可分为双站雷达和单站雷达；35四、探地雷达系统探地雷达发射机：探地雷达发射机：探地雷达发射机：探地雷达发射机： 冲激源；冲激源；冲激源；冲激源； 信号宽度信号宽度信号宽度信号宽度1 1 1 1nsnsnsns左右；左右；左右；左右； 发
13、射脉冲前沿陡峭、拖尾小；发射脉冲前沿陡峭、拖尾小；发射脉冲前沿陡峭、拖尾小；发射脉冲前沿陡峭、拖尾小； 峰值功率大于峰值功率大于峰值功率大于峰值功率大于400400400400伏；伏；伏；伏； 典型冲激典型冲激典型冲激典型冲激GPRGPRGPRGPR峰值电压达到峰值电压达到峰值电压达到峰值电压达到1 1 1 1KVKVKVKV，峰值功率达到峰值功率达到峰值功率达到峰值功率达到10101010KWKWKWKW；36四、探地雷达系统探地雷达接收机：探地雷达接收机：探地雷达接收机：探地雷达接收机： 浅地层浅地层浅地层浅地层GPRGPRGPRGPR工作在几个工作在几个工作在几个工作在几个GHzGHzG
14、HzGHz； 目前目前目前目前8 8 8 8位的位的位的位的ADCADCADCADC最多能实现几百最多能实现几百最多能实现几百最多能实现几百MHzMHzMHzMHz的采样率；的采样率；的采样率；的采样率；16161616位的位的位的位的ADCADCADCADC最多工作到几十最多工作到几十最多工作到几十最多工作到几十MHz;MHz;MHz;MHz; 能实现几个能实现几个能实现几个能实现几个GHzGHzGHzGHz采样的采样的采样的采样的ADCADCADCADC位数少，价格昂贵；位数少，价格昂贵；位数少，价格昂贵；位数少，价格昂贵； 常规常规常规常规ADCADCADCADC不能对接收的回波采样。不
15、能对接收的回波采样。不能对接收的回波采样。不能对接收的回波采样。37四、探地雷达系统序序序序贯贯采采采采样样的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 时序控制电路基于快斜信号和慢斜信号；时序控制电路基于快斜信号和慢斜信号；时序控制电路基于快斜信号和慢斜信号；时序控制电路基于快斜信号和慢斜信号； ADCADCADCADC转换时间由交点决定；转换时间由交点决定；转换时间由交点决定；转换时间由交点决定； 几几几几GHzGHzGHzGHz的采样速率可以降低到几的采样速率可以降低到几的采样速率可以降低到几的采样速率可以降低到几MHzMHzMHzMHz甚至几甚至几甚至几甚至几KHzKHzKHzKHz。38
16、四、探地雷达信号处理信号信号信号信号处处理方法：理方法：理方法：理方法： 杂波抑制；杂波抑制；杂波抑制；杂波抑制； 合成孔径成像；合成孔径成像；合成孔径成像；合成孔径成像； 波速估计；波速估计；波速估计；波速估计； 目标识别。目标识别。目标识别。目标识别。原始数据成像特征提取分类数据校正数据采集去除天线等的系统误差: 天线串扰 传递函数不同 非线性效应 参数估计 数据插值 抑制表面杂波 去背景 合成孔径成像（ SAR） 三维成像 空间特征 时域特征 频域特征 去除虚警 目标识别 39五、探地雷达信号处理杂杂波抑制：波抑制：波抑制：波抑制： 杂波产生原理；杂波产生原理；杂波产生原理；杂波产生原理
17、；esbcTxRxwcb地面地面目标目标40五、探地雷达信号处理合成孔径：合成孔径：合成孔径：合成孔径： 目的：提高方位分辨率，增强信噪比；目的：提高方位分辨率，增强信噪比；目的：提高方位分辨率，增强信噪比；目的：提高方位分辨率，增强信噪比； 二维合成孔径成像，三维合成孔径成像；二维合成孔径成像，三维合成孔径成像；二维合成孔径成像，三维合成孔径成像；二维合成孔径成像，三维合成孔径成像； 时域合成孔径成像（全息成像，时域合成孔径成像（全息成像，时域合成孔径成像（全息成像，时域合成孔径成像（全息成像，kirchhoffkirchhoffkirchhoffkirchhoff偏移，等），频偏移，等），
18、频偏移，等），频偏移，等），频域合成孔径成像（域合成孔径成像（域合成孔径成像（域合成孔径成像（f f f fk k k k偏移，偏移，偏移，偏移，GazdagGazdagGazdagGazdag、stoltstoltstoltstolt偏移，等）；偏移，等）；偏移，等）；偏移，等）；41五、探地雷达信号处理 基于微波全息成像的基于微波全息成像的基于微波全息成像的基于微波全息成像的SARSARSARSAR方法：方法：方法：方法：电子科大操场沙堆上的实验数据原始成像，以及用电子科大操场沙堆上的实验数据原始成像，以及用电子科大操场沙堆上的实验数据原始成像，以及用电子科大操场沙堆上的实验数据原始成像，
19、以及用我们的合成孔径算法处理后的二维合成孔径成像。我们的合成孔径算法处理后的二维合成孔径成像。我们的合成孔径算法处理后的二维合成孔径成像。我们的合成孔径算法处理后的二维合成孔径成像。42五、探地雷达信号处理 StoltStoltStoltStolt 合成孔径方法：合成孔径方法：合成孔径方法：合成孔径方法：43五、探地雷达信号处理 三维合成孔径处理前后对比图三维合成孔径处理前后对比图三维合成孔径处理前后对比图三维合成孔径处理前后对比图44五、探地雷达信号处理 波速估计不准会导致合成孔径处理后的图像发散；波速估计不准会导致合成孔径处理后的图像发散；波速估计不准会导致合成孔径处理后的图像发散；波速估
20、计不准会导致合成孔径处理后的图像发散； 波速估计是确定目标深度的前提；波速估计是确定目标深度的前提；波速估计是确定目标深度的前提；波速估计是确定目标深度的前提；探地雷达波速估计方法探地雷达波速估计方法探地雷达波速估计方法探地雷达波速估计方法： 用我们的基于霍夫变换的方法进行波速估计的结果；左图是用用我们的基于霍夫变换的方法进行波速估计的结果；左图是用用我们的基于霍夫变换的方法进行波速估计的结果；左图是用用我们的基于霍夫变换的方法进行波速估计的结果；左图是用极值法提取边缘轮廓，右图是滤波后一次霍夫变换。极值法提取边缘轮廓，右图是滤波后一次霍夫变换。极值法提取边缘轮廓，右图是滤波后一次霍夫变换。极
21、值法提取边缘轮廓，右图是滤波后一次霍夫变换。45五、探地雷达信号处理探地雷达目标识别方法探地雷达目标识别方法探地雷达目标识别方法探地雷达目标识别方法： 目标特征提取：目标特征提取：目标特征提取：目标特征提取： 选取特征域；特征提取方法；选取特征域；特征提取方法；选取特征域；特征提取方法；选取特征域；特征提取方法； 根据提取的特征进行识别；根据提取的特征进行识别；根据提取的特征进行识别；根据提取的特征进行识别； 主要识别方法：神经网络；主要识别方法：神经网络；主要识别方法：神经网络；主要识别方法：神经网络；46五、探地雷达信号处理 目标信号很弱的探地雷达图像：目标信号很弱的探地雷达图像：目标信号
22、很弱的探地雷达图像：目标信号很弱的探地雷达图像：47五、探地雷达信号处理 上图中目标的时频特征：上图中目标的时频特征：上图中目标的时频特征：上图中目标的时频特征：48五、探地雷达信号处理 基于核方法和基于核方法和基于核方法和基于核方法和PCAPCAPCAPCA的目标特征提取方法的目标特征提取方法的目标特征提取方法的目标特征提取方法左图：探地雷达目标原始特征；左图：探地雷达目标原始特征；左图：探地雷达目标原始特征；左图：探地雷达目标原始特征； 右图：用我们的方法处理后的目标特征。右图：用我们的方法处理后的目标特征。右图：用我们的方法处理后的目标特征。右图：用我们的方法处理后的目标特征。4950 刚才的发言，如刚才的发言，如有不当之处请多指有不当之处请多指正。谢谢大家！正。谢谢大家！51
