多站數(shù)據(jù)采集在探地雷達(dá)中的應(yīng)用

由于地下介質(zhì)組成相當(dāng)復(fù)雜，且具有非均勻、損耗和色散等特性，以及各種雜散回波的存在，探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar, GPR）信號處理與一般的空間雷達(dá)有較大差別，其成像效果不盡如人意。本文將衍射層析成像（Diffraction Tomography，DT）中的多站數(shù)據(jù)采集應(yīng)用在探地雷達(dá)中來實現(xiàn)高質(zhì)量成像，并經(jīng)過數(shù)值驗證，說明了多站數(shù)據(jù)采集較傳統(tǒng)單站數(shù)據(jù)采集有很大的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：衍射層析成像；多站數(shù)據(jù)采集；探地雷達(dá)
探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）是利用電磁波探測地下目標(biāo)，通過分析電磁信號與地下目標(biāo)的相互作用，提取目標(biāo)的幾何形狀、物理性質(zhì)等信息[1-3]。與其它地下目標(biāo)探測設(shè)備相比，由于探地雷達(dá)具有連續(xù)探測、實時顯示、分辨率高以及設(shè)備簡單，操作方便等優(yōu)點，其應(yīng)用范圍日益廣泛。目前商用探地雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射信號均采用脈寬幾個納秒無載頻基帶脈沖，其有效頻譜范圍從幾十MHz 到幾GHz，屬超寬帶雷達(dá)（UWBR）系統(tǒng)。
GPR 在目標(biāo)探測方面與傳統(tǒng)空間雷達(dá)有較大不同，主要表現(xiàn)在：（1）地下介質(zhì)的復(fù)雜性。由于地下介質(zhì)組成相當(dāng)復(fù)雜，其作為電磁場的傳播媒質(zhì)具有非均勻、隨機(jī)、損耗和色散特性。（2）雜波背景。存在各種雜散回波，包括由地下雜質(zhì)導(dǎo)致的干擾噪聲、地表分界面及天線失配造成的界面反射、淺目標(biāo)帶來的天線余振或振鈴效應(yīng)等，將對有用回波探測產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。這些因素導(dǎo)致GPR 信號處理包括雜波抑制和反演成像兩大部分，如反褶積濾波處理、偏移處理是當(dāng)前主流的GPR 信號處理方法。
衍射層析成像歷經(jīng)二十多年發(fā)展，受到愈來愈多的關(guān)注，目前已廣泛應(yīng)用于超聲波工程、生物醫(yī)學(xué)、無損檢測、地球物理、光學(xué)成像、探地雷達(dá)以及軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。作為逆散射問題，DT 以亥姆霍茲方程線性解為基礎(chǔ), 利用衍射現(xiàn)象中的散射場信號獲取目標(biāo)函數(shù)，實現(xiàn)目標(biāo)圖像的高質(zhì)量重建。由于衍射現(xiàn)象含有豐富的被測物目標(biāo)函數(shù)信息，DT 正是充分利用了這一衍射信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對小散射體和被測物棱邊的探測，因而具有理論上的最佳成像能力。
本文以層析成像理論為基礎(chǔ)，將DT 中的多站數(shù)據(jù)采集應(yīng)用在GPR 來實現(xiàn)高質(zhì)量成像，并對多站數(shù)據(jù)采集進(jìn)行空間譜域分析所得的結(jié)論進(jìn)行了數(shù)值驗證，說明使用多站數(shù)據(jù)采集GPR 較現(xiàn)有商業(yè)單站GPR 在成像上更具優(yōu)越性。