（信号与信息处理专业论文）探地雷达回波信号处理及人体呼吸探测算法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 探地雷达是近年来迅速发展的一种高精度无损探测技术，被广泛应用于 工程、考古、生态环境探测等方面。但往往由于地况复杂，接收信号干扰严 重，使得回波剖面的解释工作只能由专业人员来完成，这就限制了探地雷达 的推广与使用。另外，回波信号处理部分一直是探地雷达技术的薄弱环节。 因此通过对信号处理算法的研究来改善图像质量，使其能够清晰、直观的呈 现显得尤为重要。 本文首先介绍了探地雷达工作原理和回波信号预处理方法，这些方法能 够初步完成去噪和时差校正处理。鉴于地震回波与探地雷达回波的相似性， 本文将地震回波处理中的偏移校正算法引入到雷达回波处理中来，详细说明 了偏移归位的基本原理，并重点讨论了几何偏移法和绕射叠加偏移。这两种 方法使偏移归位，从而得到更准确的探测信息。最后通过仿真讨论了各个方 法的优缺点和适用范围。 利用探地雷达来实现外接触人体生命特征信号探测是其在应用领域的叉 一全新拓展。本文首先对这一设想进行了论证，设计了具体的实验方案，根 据实验数据讨论了适合实时处理的信号提取算法和去噪算法，同时给出了人 的具体位置计算公式。最后将这些算法加以总结，并对该方法的处理效果作 了讨论。 关键词：探地雷达；信号处理；偏移；呼吸信号探测；提取 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t b o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) i sah i g hp r e c i s i o na n dn od e s t r o y i n g d e t e c t i o nt e c h n o l o g yw i t hr a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s i ti sa p p l i e dw i d e l y t oe n g i n e e r i n g ，e n v i r o n m e n t ，a r c h a e o l o g ya n do t h e rf i e l d s h o w e v e r ，m o s t l y d e t e c t i o ne n v i r o n m e n ti ss oc o m p l e xt h a te c h oi m a g ec a nb eo n l yi n t e r p r e t e db y s p e c i a l i s t s t h i sa f f c c tt h ep o p u l a r i z a t i o no ft h et e c h n i q u eg r e a t l y i na d d i t i o n ， s i g n a lp r o c e s s i n g i st h ew e a k n e s si ng p ra p p l i c a t i o n c o n s e q u e n t l y ，i ti s i m p o r t a n tf o ru s t oi m p r o v et h eq u a l i t yo fd a t ab ys t u d y i n gs i g n a lp r o c e s s i n g m e t h o d s ，t h u sw ec a ng e tc l e a r e ri m a g ea n dr e c o g n i z eu n d e r g r o u n do b j e c t se a s i l y t ob e g i nw i t h ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fg p ra n dt h e ns t a t e s s e v e r a lc o m m o np r o c e s s i n gm e t h o d sw h i c hc a nc o m p l e t ed e n o i s i n ga n da d j u s t i n g w r o n ge c h ot i m e o w i n gt ot h es i m i l a r i t yb e t w e e ng p rp r o f i l ea n ds e i s m i co n e ， w ea d o p tg e o m e t r ym i g r a t i o na n dd i f f r a c t i o n s u m m a t i o nm i g r a t i o nw h i c hi sb a s e o ns e i s m i cm i g r a t i o nm e t h o d s t h ep r i n c i p l e so f t h et w om e t h o d sa r ei l l u m i n a t e d ， i na d d i t i o n ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v et h a tt h ea l g o r i t h m sa r ee f f e c t i v ei n g p rs i g n a lp r o c e s s i n g f i n a l l y , w ed i s c u s st h ea d v a n t a g ei nd e t a i la n dg i v et h e c o n d i t i o ni nw h i c ht h e ya r ea p p r o p r i a t et ou s e u s i n gg p rt or e a l i z en o n - c o n t a c td e t e c t i o no fb r e a t h i n gs i g n a lo fh u m a n b o d yi sa ne n t i r e l yn e wa p p l i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ea s s u m p t i o ni sd e m o n s t r a t e d ， a n dt h e nd e s i g n ss e v e r a lt r i a l st og e te c h os i g n a lo fb r e a t h i n gd e t e c t i o n a f t e r c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gd i f f e r e n tm e t h o d sw ep r o p o s et h ea l g o r i t h mo f a b s t r a c t i n gb r e a t h i n gs i g n a la n dd e n o i s i n g m e a n w h i l e ，i tc a np r e s e n tt h ea c c u r a t e p o s i t i o no ft h eb o d ya u t o m a t i c a l l y a tl a s t ，w ed i s c u s st h er e s u l t so fe c h os i g n a l p r o c e s s i n g k e yw o r d s ：g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) ；s i g n a lp r o c e s s i n g ；m i g r a t i o n ； b r e a t h i n gs i g n a ld e t e c t i o n ；a b s t r a c t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：整塑羔盔 日期：2 0 0 6 年1 月，日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 工程背景 第1 章绪论 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ) 是一种高科技地球物理探测仪器，目 前被广泛应用于高速公路，机场的质量检测；隧道，桥梁，水库大坝检测； 地下管线，地下建筑的检测等诸多工程领域。它利用电磁波对地表的穿透能 力，从地表向下发射高频脉冲电磁波，电磁波在介质特性变化的界面上发生 反射，根据回波信号的延时、形状及频谱特性等参数解释出目标深度、介质 结构及性质。探地雷达的探测精度较高，理论上纵向分辨率可达厘米级，其 横向分辨率和仪器的扫描参数有关，精度可达毫米级。这样高的分辨率使得 探地雷达有着广泛的应用领域和深远的应用前景。但是目前探地雷达的应用 还受到一定的限制。往往由于地况复杂使得回波信号难以分辨，对回波的解 释工作也只能由经验丰富的专业人员来完成，从而局限了探地雷达的使用与 推广。为解决这一难题，人们不断寻找新的信号处理方法，以期达到对地下 目标真实、直观的再现。由于探地雷达回波信号与地震回波信号相似，所以 对探地雷达回波信号的处理可以充分借鉴地震回波处理的丰富经验，偏移校 正算法就是地震信号处理主要应用，它可以把绕射波聚焦，消除干扰，使得 非工作人员也能够轻松地完成对探测物的识别，有利于探地雷达的推广与应 用”。 随着工程实际需求的不断增多探地雷达的应用范围也在日益扩大。近年 来，我国连续发生了一系列重大伤亡事故，地震、火灾、危旧房屋倒塌等自 然或非自然原因造成的伤亡事件时有发生。据国家安监总局消息，中新网8 月1 6 日电：今年以来( 2 0 0 5 年1 月1 日一8 月1 4 日) ，全国发生一次死亡 3 0 人以上特别重大安全生产事故9 起，死亡6 0 3 人；全国发生一次死亡1 0 人以上特大事故7 5 起，死亡1 6 5 6 人。面对如此触目惊心的数字，一方面我 们要做好安全工作，防范于未然；另一方面要采取更行之有效的办法进行事 后处理。因此，如何采取正确的方法及时、快速地对幸存人员进行搜救是事 哈尔滨工程大学硕士学位论文 故处理中至关重要的一步。目前在国内还没有专门用于事故搜救的仪器，利 用探地雷达完成这设想，无疑是在其应用领域的又一次全新拓展和伟大尝 试，它充分利用了探地雷达无损性、高效性等特点，通过不同介质对呼吸信 号进行非接触探测和提取，这一设想的实现将为事故幸存人员的快速搜救做 出巨大贡献。 1 2 探地雷达发展及现状 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，简称g p r l 是利用高频电磁波在地下 介质中的传播规律进行勘查和检测的一种地球物理方法。用电磁波来探测地 下目标的概念由来以久，早在1 9 0 4 年，德国的h u l s m e y e r 就采用电磁波探测 地下金属物体；但是直到1 9 1 0 年在l c i m b a c h 和l o w y 的一个德国专利中才 有利用电磁波对埋藏物体进行定位的第一次描述。在1 9 2 6 年h u l s e n b e c h 第 一次使用脉冲技术探测埋藏介质的结构，他发现任何电介质的变化都会产生 反射，从而可以对埋藏目标进行探测。从1 9 3 0 年起，在随后的5 0 年中，探 地雷达一直都是一种深层探测有效手段。s t e e n s o n ( 1 9 5 1 年) 和e v a n s ( 1 9 6 3 年) 利用冲激探地雷达实现对冰层厚度的探测；m o r e y ( 1 9 7 4 年) 实现对水的剖面 成像，并探讨了探地雷达在民用工程中的应用；c o o k ( 1 9 7 4 年) 和u n t e r b e r g e r ( 1 9 7 8 年) 利用探地雷达实现对盐层的测量；k a d a b a ( 1 9 7 6 年) 利用冲激探地雷 达实现对沙漠的地下探测；r o e 和e l l e r b r u t h ( 1 9 7 9 年) 利用探地雷达实现对煤 层厚度的量；m c c a n n ( 1 9 8 8 年) 给出了在地质勘查中地震法和探地雷达法的对 比。在2 0 世纪8 0 年代，g p r 被广泛用于测量煤层的厚度，检测管道和电缆； 而且一些军事应用包括隧道检测和非金属雷的检测等也被提出1 2 】。 我国于2 0 世纪7 0 年代初就开始探地雷达的研究，西安交通大学、电子 部二十二所、成都电子大学、北京邮电大学、地矿部物探所、煤炭科学院等 单位先后开展了探地雷达的研究工作，许多单位推出了自己的雷达样机，如 中科院长春地理所的s 1 2 r 型探地雷达，电子二十二所的l t d 系列探地雷达 产品，东南大学的g p r 型探地雷达等 3 1 。 今天，探地雷达在仪器设备上高度集中了现代高新技术的最新成果，从 而使其性能得到了极大的改善。中国、美国、加拿大、日本以及西欧的一些 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = = ；= ；j ；_ j _ ；j j j ；= ；= ；= ；| j t ； 昌ir , ；= = ；= = # ；= j ；= ；j ；i ；_ 习 国家等正大力开发研究这一技术，其服务领域也日益扩大，目前被广泛应用 于工程地质调查、环境污染调查与监测、灾害调查与监测、农业应用、考古 调查、采矿工程等领域。总之，伴随者科学技术的不断进步，探地雷达以其 无损性、分辨率高、操作简便等优点会在众多领域实现更广阔的发展前景。 1 3 本文所做的工作 本文的内容大致分为两部分：一部分是探地雷达回波信号的处理；第二 部分是利用探地雷达实现人体呼吸信号探测方法研究，主要包括： 1 分析一般回波信号的处理方法，包括均值去噪、去除背景、时变增益 等等。通过仿真总结各算法的处理效果及其适用范围。 2 重点分析回波信号的偏移校正算法。首先通过回波信号的正演模型来 分析几何偏移法的效果，然后与绕射叠加偏移法作对比，根据仿真结果讨论 其优缺点和适用范围。 3 论证用探地雷达实现人体呼吸信号探测的可行性。 4 设计具体实验方案，通过对实验数据的分析、讨论，提出能够完成呼 吸信号提取并适合实时处理的算法。 5 通过仿真验证提取效果，并进一步完善该算法使其能够对接收到信号 进行自动提取呼吸波形并完成去噪，同时给出人的具体位置，并与实验结果 对比验证该方法的可行性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章探地雷达工作原理及技术特点 2 1 探地雷达组成 探地雷达主要由发射机，接收机，发射天线，接收天线，信号处理及终 端设备组成。各种型号的探地雷达基本组成是一样的，如图2 1 所示。发射 机产生尖频脉冲经发射天线将其垂直向地面发送，要求发射稳定，功率损耗 小。发射信号经由空气到达地面时，一部分信号会透射地表继续向下传播， 而另一部分则在地表发生反射，这样电磁波在地下传播的过程中，每遇到电 性不同的界面都将产生透射和反射，当然，透射的层面越多雷达信号就越弱。 反射信号由接收天线捕捉并对其进行放大，然后传递给信号处理机进行相关 处理。信号的专门处理过程取决于g p r 系统的应用程序，但都会对接收信号 数字化并存储在数字存储器上。时窗的调整很重要，它关系到是否能通过显 示器看到探测物体。最后由终端设备实时显示出雷达探测剖面图【2 】【3 l 【4 】。 图2 1 探地雷达系统组成 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 探测原理 探地雷达的工作原理非常简单，其基本构成如图2 2 所示。一般情况下， 天线都是尽可能的贴近地表。一个g p r 发射电磁波进入土壤，土壤中任何电 参数( 也就是介电常数，磁导率和导电率) 的不连续都会引起电磁波的后向散 射，这些电参数都是频率的函数。在实际中，基本上都是介电常数的不连续 导致电磁波的反射，土壤基本上都是非磁化材料，所以其磁导率和自由空间 的磁导率相等，= j 生= 1 。导电率基本上影响媒质对雷达波能量的吸收。 胁 介电常数的变化对媒质的特征阻抗的变化影响最大，所以土壤中介电常数的 变化会导致电磁波的反射。探地雷达对目标的探测主要是充分利用了电磁波 在经过电特性( 介电常数) 不同的两种介质时会发生反射这一特点，其传播 的路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态的变化而产 生不同成度的变化。根据回波信号的时延、形状及频谱特性等参数，解释出 目标深度、介质结构及性质【3 】【4 】。 图2 2 探地雷达基本框图 图2 3 是一个典型的g p r 接收回波，第一个也是最大的回波是空气一土 壤界面引起的，在时问上稍微靠后出现的回波是目标回波。通过在地面移动 天线的位置，可以得到二维或三维的图像。 为了能够成功地进行探测，g p r 必须获得足够的信噪比( s n r ) ，足够的 方位分辨率和深度分辨率。目前g p r 的数据记录一般都是一维，二维或三维 堕堡鎏三堡奎兰堡圭耋堡鎏兰； 。；，一； 一 的数据集，采用声学术语称之为a 扫描，b 扫描和c 扫描口1 嘲。 1 0 9 5 0 9 1 0 0 2 0 03 0 04 0 0 图2 3g p r 接收的典型信号 在一个给定的固定位置( t ，m ) ，通过g p r 记录的一个单一的波形 4 ( 五，m ，) 就称之为a 扫描，如图2 4 。波形中唯一的变量是时间，并且通过 媒质中的波速和深度有一定的关系。 冬 谢 馨 王气一飓叫 ni 目标 厂、i v v 一 图2 4 典型的a 扫描 当g p r 的天线沿着一条线x 轴移动时，会产生一系列的a 扫描，构成 一个二维的数据集爿( x ，m ，f ) ，称之为b 扫描，如图2 5 所示。 图2 5 ( a ) 多个a 扫描构成一个b 扫描( b ) 通过灰度级描述b 扫描 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当接收信号的幅度通过灰度级描述时，可以产生一个二维的图像。二维图 象描述了土壤的一个垂直切面。时间轴或相应的深度轴常指向下方。 同理，通过收集多个平行的b 扫描，或者在x y 平面的栅格点上移动天 线就得到一个三维的数据集a ( x ，y ，t 1 ，称之为c 扫描，如图2 6 所示。 2 2 1 点物体探测 图2 6 多个平行的b 扫描构成一个c 扫描 为了了解探地雷达的具体探测原理，我们先介绍几个常用概念f 4 f5 1 。 1 ) 测线：天线在地面移动的轨迹。 2 ) 时距曲线：它是用来表示脉冲从发射天线到接收天线的时间与这段时间 行程距离之间的关系。 3 ) 零偏移距：发射天线和接收天线间的距离为零，即收发共置。 如图2 7 所示，t 表示发射天线，r 表示接收天线，脉冲波由发射端在第 一个界面处( 空气与地面间) 发生反射，同时也有一部分透射波穿过地面经 埋藏物反射回接收端。由此，回波信号主要由两部分组成：地面反射波和物 体反射波。但由于收发天线间存在距离，此时两个波峰的时间差与速度的乘 积并不是物体的真实位置，接收到的回波信号首先要进行时差校正。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t 1 t 2 y 图2 7 点物体测距原理 我们先考虑最简单的情况，如图2 8 ，假设收发天线共置，脉冲波入射路 径和反射路径相同，物体在地面的投影为0 ，埋深h ，天线与0 点距离为兄 分别经过测点a 1 ，a 2 ，0 ，a 3 ，a 4 ，延水平面移动。若电磁波在土壤中的传播 速度为v ，则电磁波在某时刻的传播行程为f v ，由此物体反射回波的时距 曲线满足方程： 九如( 斟眠( 半) 2 埘 p ， 显然，这是一条双曲线，当x = 0 时，也就是说，当天线位于物体正上 端时，反射波行程最短，为物体深度的2 倍。 tr v 一 图2 8 时距曲线形成原理 我们把天线在地面某一点接收到的回波称为一道，也称为一个扫描。如 图2 9 ，是金属球探测回波剖面图，横坐标表示道数，纵坐标表示每道采样点 堕垒鎏三堡奎兰堡圭耋堡兰苎 数，经过去噪处理后能清楚的分辨出地面回波( 水平直线) 和物体回波( 双 曲线) ，灰度图更为直观。 图2 9 点物体的回波双曲线图形 由此我们只要找到剖面双曲线的顶点，计算出它相对应的行程值再除以 二，便可得到探测物的深度值。 2 2 2 多层界面测厚 多层界面测厚与点物体的深度测量基本相同，只是回波存在多次透射与 多次反射，所以要计算多个波峰间的时间差。 图21 0 水平界面的多层反射和透射 如图2 1 0 ，空气介电常数为c o ，第一层介质为。，第二层为乇，脉冲波 在各个界面同时发生反射和透射，由于介质对电磁波能量的吸收，其振幅越 哈尔滨工程大学硕士学位论文 来越小，如图2 1 l 所示： 图2 1 1 由回波信号计算多层界面厚度 如果电磁波在空气中传播的速度为c ，则在各层介质的传播速度为： c v l2 产 毛 心2 再 显然，各层厚度计算公式为： ”小f l - 焘r l h 2 = v 2 a t 2 = 鸲c 2 2 3 探地雷达探测性能 2 3 1 探地雷达的最大探测深度 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 探地雷达的探测性能3 1 一般包括最大探测深度和最高分辨率。探空雷达 的探测距离一般可以通过雷达方程来确定，但探地雷达与探空雷达不同，不 能直接由雷达方程来确定其探测深度，原因在于探地雷达天线辐射的电磁波 在地下传播时传播特性较为复杂，因介质不同会有不同的衰减。在此采用修 正后的雷达方程来估算探地雷达的探测深度。 1 0 母| 奇i 一 母r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 考虑到电磁波在介质中的衰减，将雷达方程修正后为： 血l ：缓2 - 4 a d 二( 2 6 ) m a 。g n g m 刁a 叩m6 4 n - 3 d 二 。 式中：p 。为雷达最小可检测信号功率，p m 躯为雷达的最大发射功率： g 。、g 。分别为发射和接收天线的增益；r 。、r 。分别为发射、接收天线 的效率： 2 , m 、口分别为介质中脉冲电磁波中心频率的波长( 单位为m ) 和 衰减系数( 单位为d b m ) ，在一般的介质中，衰减系数和电磁波的频率有关， 且随频率的升高而增大； 为目标的散射面积； d 一为探地雷达所能探测 到的最大深度( 单位m ) 。从该等式中可以看出，等号左端主要和探地雷达系 统性能有关，右端主要与环境和探测深度有关。对于给定的探地雷达系统， 左端的值是一定的。因此探地雷达的最大探测深度主要与环境因素和目标特 性有关。由电磁理论可知，电磁波在介质中传播时的波长丸为： 以2 习寿 ( 2 - 7 ) 式中：c 为电磁波在真空中的传播速度；疋为脉冲信号的中心频率；占，、 以为介质的相对介电常数和磁导率。由以上公式可以看出探地雷达天线的中 心频率越高，介质的相对介电常数和磁导率越大，探地雷达所能探测的最大 深度越浅。 探地雷达的探测深度可根据上式计算，也可使用简易算法估算，a n n a n 给出了在通常的地理环境中探测深度的估算式： 氏。 一3 0 或d 一 一3 5 ( 2 - 8 ) 式中：口是介质吸收系数，单位为d b m 。盯是电导率，单位为s m 。 需要指出的是这种深度只是相对的，即使是同种天线，当电磁波穿过 的介质电导率不同时，其探测深度也有很大差异。在进行实地探测时，首先 要根据地质资料和工程经验估算目标体深度，然后再根据上述关系选择雷达 天线的中心频率。 表2 1 中列出了般情况下不同频率天线的探测深度 3 】： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 不同频率天线的探测深度值 天线频率探测深度值 2 5 g h z0 3 m 一0 6 m 1 0 g h z0 6 m - 1 m 9 0 0 m h z0 7 5 r n - 1 5 m 5 0 0 m h z1 5 m - 3 m 3 0 0 m h z3 m 6 m 1 0 0 m h z1 0 m 2 0 m 2 3 2 探地雷达的分辨率 探地雷达的分辨率是指雷达区分两个在空间上相距很近的目标的能力。 分辨率决定了探地雷达分辨最小异常介质的能力和其应用的范围，可分为垂 直分辨率和水平分辨率。 根据雷达系统理论，雷达的距离分辨率为： 址2 赤( 2 - 9 ) 2 ， 7 其中a f = 仇为雷达发射信号的频带宽度，v 为电磁波的传播速度。 垂直分辨率 雷达在垂直方向上能够区分个以上反射界面的能力称为垂直分辨率。 垂直分辨率取决于三个因素：1 ) 信噪比；2 ) 信号形式：3 ) 信号处理方法。 假定天线发射出的脉冲宽度为t 。，天线中心频率正= 1 t 。，我们通常选取天 线频率宽度b 。= 正。如果在同一垂直方向上有两个目标存在，目标的深度差 为d ，则探地雷达在空间上能分辨出两个目标的回波信号，必须满足： a d i 弓_ ，即：a d 。1 2 ( 2 一l o ) c 其中九为脉冲信号中一i i , 频率所对应的电磁波的介质波长，因此雷达的垂 直分辨率为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a a ) 。l 。= 九2 = i _ 壬一 ( 2 1 1 ) 2 ) c 心t 耻r 由此可知雷达的最小垂直分辨率( j ) 。；。和天线的中心频率正成反比。雷 达中心频率越高，其分辨率越高。在实际测量时，从分辨率角度考虑，所选 雷达天线的频率越高越好，但是中心频率越高其探测深度越小，所以不能无 限制地选择高频率天线，探测深度和分辨率两者应兼顾。另外，雷达的最小 分辨率和目标所处的周围环境也有关系。 水平分辨率 探地雷达在水平方向上所能分辨的最小探测物的尺寸称为水平分辨率。 t r 图2 1 2 水平分辨率几何原理示意图 图2 1 2 中地下两个平行目标的深度为d ，相距为h ，要使探地雷达在空 间上能区分两个目标的回波信号，则： 扫丐孑一d2v 2 f 。 ( 2 。1 2 ) 而v 五= 厶，通常五。4 d 1 ，综合各式： 日m = 以d = ( 2 1 3 ) 其中日。；。表示探地雷达最高水平分辨率。由此可见，雷达的水平分辨率 除了与雷达本身性能( 中心频率正) 和目标深度d 有关外，还和最高垂直分 哈尔滨工程大学硕士学位论文 辨率一样，跟目标周围介质的特性有关。 2 4 探地雷达测量参数的选择 测量参数是指实地探测时，根据具体目标性质和所处环境需要选择的参 数，包括脉冲波的中心频率、采样率、 参数选择合适与否关系到测量的效果。 环境尽量选取适当的测量参数。 2 4 1 中心频率的选择 时窗长度、雷达扫描点间距等。测量 所以在探测前要根据目标特性和所处 天线中心频率选择需要兼顾探测深度、分辨率和天线尺寸是否符合场地 需要。一般来说，在满足分辨率且场地条件有许可时，应该尽量降低天线中 心频率。 如果要求的空间分辨率为工( 单位m ) ，周围环境的相对介电常数为占， 则天线中心频率可由下式初步选定： c 。2 尸一 ( 2 1 4 ) x r p r 实际测量时，空间分辨率在垂直分辨率和水平分辨率之间该如何取舍， 即是以垂直分辨率还是以水平分辨率为控制指标，应视具体的探测目标和探 测任务而定。 如果探地雷达所要探测的目标为层状目标，目标周围介质的相对介电常 数为，要求的垂直分辨率为d 靠i n ，由公式( 2 1 1 ) 可初步确定探地雷达 的中心频率为： 偿赤( 2 - 1 5 ) 对于呈水平分布的目标，水平分辨率要求较严格，这时就需要根据所要 求的水平分辨率来确定探地雷达的中心频率。为了求得其中心频率，首先应 估计一下目标的深度，再根据水平分辨率h 由式( 2 1 3 ) 可得到： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 2 采样时窗的选择 ，、 谢 厶丽 ( 2 1 6 ) 探地雷达采样时窗是指从采集第一个数据开始到采集最后一个数据结束 期间的时间长度。时窗长度的选择主要取决于所要求探地雷达的最大探测深 度( 单位m ) 和天线发射的电磁波在介质中的传播速度v ( 单位r r d n s ) 。若二 者已知，则探地雷达的采样时窗长度w ( 单位n s ) 可由下式估算： w 1 3 等“3 芈 ( 2 - 1 7 ) vc 、- 1 ， 上式中时窗的选用值增加3 0 ，是为地层速度与目标深度所留出的余量， 其中c 表示光速。 2 4 3 采样率的选择 采样率是采样间隔的倒数，采样率越高，采样间隔越短。而采样由尼奎 斯特采样定律控制，即采样率至少应达到记录的反射波中最高频率的2 倍。 对大多数探地雷达系统，频带与中心频率比大致为1 ，即发射脉冲能量覆盖 的频率范围为o 5 一1 5 倍中心频率。这就是说反射波的最高频率大约为中心频 率的1 5 倍，按尼奎斯特采样定律，采样率至少要达到天线中心频率的3 倍。 为使记录波形更完整，我们建议采样率为天线中心频率的6 倍。设天线的中 心频率为z ( 单位m h z ) ，则采样率出( 单位n s ) 为： a t = 1 0 0 0 6 z( 2 1 8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 4 相邻扫描点间的距离 探地雷达在实地勘测时，采用的是离散测量，相邻扫描点间的距离由探 地雷达天线的中心频率与地下介质的介电特性来确定。为了确保地下介质的 响应在空间上不重叠，也应遵循尼奎斯特空间采样定律：探地雷达相邻扫描 点间的距离缸应小于介质中电磁波传播时波长的1 2 ，即： x ：量 2 五所 ( 2 1 9 ) 式中为z 天线的中心频率，单位为m h z ，0 、以分别为介质的介电常 数和磁导率。 探地雷达连续测量时，天线最大移动速度取决于扫描速度、天线宽度和 目标的大小。般情况下目标体应至少保证有2 0 次扫描通过，于是最大移动 速度为： v m 。 ( 扫描率2 0 ) ( 天线宽度+ 目标大小) ( 2 - 2 0 ) 在实际工作中，根据研究的内容以及目标体的情况，相邻扫描点间的距 离可在几厘米至几米范围内变化。当被测物形状比较复杂时，间距要尽可能 小。当被测物较平整时，间距可适当放宽。 不同测量参数对测量效果影响的程度是不同的，时窗、采样率的选取对 数据采集效果影响不大，而天线中心频率、测点间距的选取对探测效果有显 著影响，实际测量时要谨慎选取这些参数。 2 5 本章小结 本章对探地雷达的总体概况作了简要说明。首先介绍了探地雷达的各部 分组成及其作用，并简要说明了基本工作原理。通过点物体探测和多层界面 测厚的方法进一步说明了探测原理，同时对相关的一些名词作了解释。最后 对雷达的探测性能和参数选择作了详细介绍。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章探地雷达回波信号预处理 3 1 探地雷达回波信号的特点 探地雷达不像探空雷达那样电磁波经过的介质比较单一，探地霄达数据 在采集过程中，电磁波要穿过各种介电常数不同，湿度，温度等均不相同的 复杂介质，总会不可避免地采集到各种干扰信号和一些对目标体识别无用的 信号。此外，雷达波在传播过程中也会衰减。波幅会有很大的减小。因此探 地雷达数据处理的目标就是通过各种数字处理技术来抑制各种干扰信号，尽 可能地突出有用信号，使雷达图像更加明显、准确地反映出被测目标体的实 际情况，并便于提取反射波的各种有用参数。因为雷达波与地震波在运动学 上有相似性，所以目前探地雷达回波处理的许多技术就是来源于较为成熟的 地震回波处理技术。 3 2 回波信号的预处理 接收到的回波信号首先要根据实际情况进行预处理，预处理的方法比较 简单，可以有效地去除噪声和背景，增强弱的回波信号和时差校正，而且计 算量小，适合实时处理，也是进行其它复杂处理的基础1 1 】f 7 】f 8 】0 3 2 1 均值去噪 直接接收到的回波信号里包含噪声，最简单的去噪方法就是用邻近几个 a 扫描中同一反射时间采样点的均值来代替该点。因为相邻扫描几乎是同一 位置的回波，所以可以用均值来消除随机噪声，具体描述如下： 4 。( n ) = m e a n a , 一。( 胛) ，a j 一。( n ) ，a i + 。( n ) ) ( 3 - 1 ) 其中，4 一。( n ) 4 + 。( 摊) 为原第i - k 到第i + k 个扫描中第n 点的采样 哈尔滨_ j 二程大学硕士学位论文 值，4 ( n ) 为4 ( n ) 去噪后的值。 为了验证去噪效果，将直径为8 e m 的一根钢管埋于地下1 4 e m，用1 g h z 天线进行探测，回波结果如图3 1 ( a ) 所示： 图3 1 均值去噪前后对比图 图3 1 ( b ) # j - j 2 噪结果。显然去噪后的剖面在一定程度上消除了随机噪声。 3 2 _ 2 去除背景 在很多g p r 数据中，某些杂波在a 扫描中或者在临近的一些a 扫描中 总是出现在同样的时间位置，如图3 1 所示回波图像。平坦的空气土壤界面 引起的反射波在b 扫描图像中会产生一条水平的线，能量很大，某些情况下 能够掩盖目标。对于这类杂波，可以从每一个a 扫描中减去临近的一些a 扫 描的平均或者整个b 扫描图像中所有a 扫描的平均进行去除，在数学上该算 法可以描述为： 1k l 4 ( n ) = 4 ( n ) 一专4 ( n ) ( 3 2 ) lk t 0 其中，a 。( 船) 是在原始数据中的第i 个a 扫描，4 ( 胛) 是去除背景后第i 个a 扫描。k 是待平均的a 扫描的数目。如果这类杂波在整个b 扫描内都 有，k 常常就等于b 扫描中a 扫描的个数。这样处理大大降低了直达波和地 面反射波的能量，从而突出了反射目标1 8 j 。 图3 2 ( a ) 为经过去噪后的回波剖面，图3 2 ( b ) 为去除背景结果。显然，这 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 2 ( a ) 为经过去噪后的回波剖面，图3 2 ( b ) 为去除背景结果。显然，这 种方法有效地去除了直达波和地面强反射，同时大大增强了物体反射回波的 能量，使反射曲线更加突出。 3 2 3 时变增益 图3 2 背景去除后的对比图像 由于传播损耗和土壤的哀减，探地雷达的接收信号幅度要小于发射信号， 而且越深的区域回波越弱。可以利用时变增益补偿这些损耗。 假设地下介质均匀，则距离发射天线r 处的雷达波振幅a 为： a ：d oe 口(3-3) ， 式中4 是无扩散、无吸收影响的真振幅值：三是雷达波的扩散因子；口 r 是介质的吸收系数；f 为接收的反射振幅的旅行时间，经上式逆推反射波的 原始振幅值乓： 4 = a r e 印( 3 4 ) 根据反射波实际传播路径，= v t ，v 是雷达波在介质中传播的平均速度， 则有： 4 = a v t e 加 ( 3 5 ) 由式( 3 5 ) 可恢复反射波的振幅。同时我们也看到，越深的位置回波增 益越大，在放大信号的同时也放大了噪声，所以对深处增益的选择要慎重， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 最好是根据现场的情况对时变增益进行不同程度的调整，否则这些噪声会被 放大很多。 用1 g h z 天线对赢径为1 0 c m 、埋深为2 4 c m 的金属半球进行探测，图3 3 ( a ) 为回波剖面图，由于物体埋深较前者深，因而反射回波能量较小，采用部分 增益来调整反射能量，结果如图3 - 3 ( b ) 所示。 3 2 4 时差校正 图3 3 增益前后对比图 由于收发天线之间存在一定的距离，回波信号在没有经过偏移校正之前 所呈现的剖面图并不能真正反映物体的正确方位，所以对回波剖面图进行偏 移校正是反射信号处理中不可或缺的一部分。 以最简单的平面介质为例，如图所示：发射与接收天线中点为0 ，天线 与中点距离为x ，探测平面深度为h ，显然，若发射、接收天线均在0 点，反 射回波的双程走时为： 向：丝( 3 - 6 、 v 而实际回波的双程走时为： r = 兰4 x 2 + h 2( 3 - 7 ) v 所以真实值和测量值之间存在时差，其值为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r ：兰( 厮一h ) ( 3 8 ) v 所以对平面物体或点物体进行探测时，回波处理首先要进行时差校正， 即用测量值减去时差。 图3 4 水平界面的时差校正 前面进行的金属半球探测所采用的天线收发距离为2 0 c m ，时窗为l o n s ， 每次扫描采样5 1 2 个点，沙土的介电常数为4 ，半球埋深2 4 5 c m 由此可计算 出电磁波传播速度为v = 1 5 c m i n s ，a t = 0 2 n s ，经过增益并校正处理后结果 如图3 5 所示： 3 3 偏移校正基本原理 图3 5 时差校正结果 由于探地雷达回波是来自地下介质属性有明显变化处的反射波，任何在 测点附近地下介质的反射点，只要其法平面经过测点，都可以被雷达天线接 收。在资料处理中，需要把雷达记录中的每个反射点移到其本来位置，这种 哈尔滨工程大学硕士学位论文 处理方法称偏移归位处理。 偏移技术有两大类：一类是以射线理论为基础的偏移方法：另一类是波 动方程偏移方法。在这里主要介绍第一类。 在上一节所提到的水平界面时差校正并不是对所有的情况都适用。如图 3 6 所示，被探测面为一角度为p 的倾斜界面，反射点为r ，从收、发天线中 点向界面作垂线，交点为r 。如果我们仍然按照水平界面校正办法对倾斜界 面进行时差校正，所得到的是天线中点到r 。的双程走时，而不是真正反射点 r 反射所需时间，另外，对界面进行恢复时，会把r 。点恢复在0 点的正下方， 与实际位置有偏差【5 】。 图3 6 倾斜界面的时差校正 所以要采取另一种有效的方法对倾斜界面进行偏移归位。如果收发天线 共置，得到反射信息对应的反射点可能来自以三v f 为半径，以发射点。为圆 心的圆弧上任意一点，如图3 7 所示。 图37 零偏移距反射点的可能位置 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如果我们在地面两点a 、b 进行探测时，接收到的分别是来自倾斜界面 上、点的反射，但是实际上，如果用时间和速度的乘积来计算反射点 的深度向。和，它们相当于图中的删和船。，我们把接收到的反射点位置 恢复为a 、b 点的正下方，分别为一。、b ，如图3 8 所示： 芝口 一 于+ 0 a b0 八逊彩 一 锄 磊久妒 图3 8 倾斜界面偏移归位原理 连接爿b 所得的反射面并不是地下界面的真实位置，界面爿曰倾角有 误差，是曰而不是p ，显然目 p 。当我们得到来自界面上两点的反射时间，。、 r 。和波速v 后，可以以a 为圆心，用_ - 三t 。v 为半径画弧，该圆弧上所有点 z 的反射时间都与一1 点相同。同理，以b 为圆心，用珞= 去f 口v 为半径画弧。由 上 于两个圆弧都一定有且仅有一个点在真正的反射面上，而且该点与圆心的连 线一定与反射面垂直，因此我们想到了作两个圆弧的公切线，切点为爿、b ”， 显然直线爿”b 满足条件。由此找到了真正的反射点、b ”和反射面0 ， 它的倾角为c p 。 3 4 几何偏移法 3 4 1 基本原理 几何偏移法 9 1 始于解释模拟地震数据的作图法，它是对几何光学原理的 应用。我们已经知道倾斜界面的偏移原理，如果把曲面上任意点的切线看 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成是斜面，那么就可以利用倾斜界面偏移归位原理对任意一个曲面作偏移。 对于一个已知的回波剖面图，我们井不能判断反射面的真实位置，但是 根据偏移原理可以确定： ( 1 ) 反射点位于以发射点为圆心的半圆上； ( 2 ) 半圆的半径等于反射时间与传播速度乘积的一半： ( 3 ) 反射面与半圆相切于反射点，射线轨迹垂直于反射面。 按照这种规律我们可以画出界面曲线上每一个点所对应的半圆，由此组 成了一个半圆集，对于直倾斜反射面来说，其真实位置是两个半圆的切线， 而对于曲反射面来说，多个圆的切线就是该半圆集的包络。包络上每一点的 法线方向就是真实的反射轨迹，同时又满足双程走时与每个观测点处反射时 间一致。借助该方法，反射面得以重建。 3 4 2 实现算法 如图所示，测线方向为x 轴，垂直方向为z 轴，天线在地面的坐标为 皓，o ) ，地下某一反射点坐标g ，z ) ，假定介质密度均匀，电磁波在该介质中 的传播速度为c ，用f 来表示天线到反射点的双程走时，则该时间为： r g ，z ，f ) ：抠j j 可。 ( 3 9 ) 但仅由一个反射时间我们并不能判断出是地下哪一点的反射，对于每个善， 满足反射时间与真正反射点反射时间相同的集合是半圆族，我们用f 皓) 表示 半圆上各点的反射时间，那么该半圆族函数满足： g ，z ，f ) = ，皓) 一r g ，z ，f ) = 0 ( 3 1 0 ) 图3 9 几何偏移算法原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 给定一族曲线矿b ，z ，f ) = 0 ，寻找其包络的方法是令关于善的一阶导数 等于零，求出以x 和z 为函数的孝，然后，再代回到( 3 1 0 ) 方程中，得： 妒b ，z ，f ( x ，z ) ) = 0 ( 3 - 1 1 ) 该函数的图形就是包络即偏移结果。 3 4 3 仿真结果及分析 为了分析该偏移法的效果，采用正演模拟来产生回波剖面，以便于比较。 首先画出任意曲线，代表两种不同介质的交界面。如图3 1 0 所示：水平方向 为测线方向，垂直方向为深度。假设0 点处为地平面，界面上下两层介质的 密度为常数。 幽3 1 0 假定界面曲线图 提取实测雷达子波f ”，对该反射回波剖面用射线跟踪法口心1 进行模拟 合成。水平方向为剖面图道数，即2 0 0 次a 扫描；垂直方向为采样点数，即 8 0 0 点扫描。模拟结果如图3 11 所示，在凹曲面处出现绕射波、回转波，严 重歪曲了真实界面。 由于回波数据是正演模拟的结果，直接给出了回波的位置，而不是时 间，所以直接以地面每一个扫描点为圆心，