一種基于超寬帶探地雷達(dá)的地下淺層目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究

聞海達(dá) 雷杰 瞿詩(shī)華

摘? 要：本文討論了一種基于主分量分析的對(duì)地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)能夠有效探測(cè)和定位地下埋藏的低金屬雷目標(biāo)。與金屬探雷器相比，能有效降低實(shí)際環(huán)境中普遍存在的金屬碎片引起的大量虛警。所研究的基于主分量分析的對(duì)地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)具備在強(qiáng)雜波背景下探測(cè)低金屬雷微弱信號(hào)的能力，通過(guò)進(jìn)一步深入研究該技術(shù)可以在將來(lái)的探掃一體化探雷裝備中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

1引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中使用了大量的地雷，從而在戰(zhàn)后遺留下數(shù)量龐大的未爆彈。它們可能在被布設(shè)或遺棄數(shù)十年后爆炸，存在致命且不穩(wěn)定的危險(xiǎn)，嚴(yán)重影響了戰(zhàn)后重建和生產(chǎn)生活，在全世界產(chǎn)生了廣泛而巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。因此，檢測(cè)和排除地雷已經(jīng)成為世界各國(guó)國(guó)防事業(yè)的必要一環(huán)。

金屬探測(cè)器對(duì)金屬雷的探測(cè)取得了一定效果。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，地雷周?chē)嬖趶V泛而又大量分布的金屬?gòu)椘?，金屬探測(cè)器對(duì)所有金屬產(chǎn)生的報(bào)警信息往往淹沒(méi)了低金屬雷相對(duì)較少的信息，從而產(chǎn)生大量的虛警，嚴(yán)重影響了對(duì)真實(shí)反步兵雷的探測(cè)效率。

本文使用一種超寬帶連續(xù)波步進(jìn)頻體制實(shí)現(xiàn)對(duì)地探測(cè)。該技術(shù)所采用的利用較小瞬時(shí)帶寬信號(hào)合成超寬帶等效工作帶寬的體制，解決了探地雷達(dá)系統(tǒng)必須兼有對(duì)地高穿透探測(cè)性能和高分辨率的矛盾。同時(shí)，探地雷達(dá)系統(tǒng)的工作環(huán)境下存在非常強(qiáng)的直達(dá)波信號(hào)和地雜波信號(hào)。而低金屬雷目標(biāo)的反射截面積又非常有限，這就使得在進(jìn)行淺層目標(biāo)探測(cè)時(shí)處理直達(dá)波信號(hào)和地雜波信號(hào)非常關(guān)鍵，在加上地雜波一定程度上的非平穩(wěn)特性，又對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)提出了非常高的要求。

在現(xiàn)有的探雷系統(tǒng)中，往往采用和目標(biāo)特性相關(guān)的參數(shù)化處理方法，這使得對(duì)未知類(lèi)型的地雷探測(cè)性能受到了很大限制。傳統(tǒng)的平穩(wěn)信號(hào)處理方法又存在著對(duì)強(qiáng)雜波抑制效果不足的情況，由于強(qiáng)地面雜波總是疊加在目標(biāo)信號(hào)上的，微弱的目標(biāo)信號(hào)從強(qiáng)度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足對(duì)抗強(qiáng)雜波的需求，這就使得研制能夠有效探測(cè)低金屬雷的手持設(shè)備成為了非常迫切的問(wèn)題。

針對(duì)現(xiàn)有探地雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)效果上的不足，以及對(duì)降低探測(cè)過(guò)程中的虛警概率，我們?cè)谏钊敕治龅乩谆夭ㄐ盘?hào)模型的基礎(chǔ)上，做了廣泛深入的技術(shù)調(diào)研、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在大量研究雜波和目標(biāo)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試中得到的雜波規(guī)律，研制了一種適用于手持式探測(cè)系統(tǒng)的探地雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠抑制強(qiáng)雜波的干擾，同時(shí)也大大減少了金屬探測(cè)器的虛警概率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低金屬雷的有效探測(cè)。

本文在討論超寬帶探地雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理和回波模型的基礎(chǔ)上，主要闡述兩點(diǎn)：第一，與傳統(tǒng)參數(shù)化信號(hào)處理方法相比，非參數(shù)化信號(hào)處理方法在探測(cè)過(guò)程中對(duì)環(huán)境和目標(biāo)的適應(yīng)性更強(qiáng);第二，通過(guò)優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)與參數(shù)，能夠有效降低對(duì)小金屬碎片的虛警概率。

2雷達(dá)探測(cè)技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)

2.1平臺(tái)概述

本文采用的超寬帶步進(jìn)頻探地雷達(dá)信號(hào)源頻率介于L波段和S波段之間，發(fā)射天線為平面螺旋天線，具有極化特性，系統(tǒng)工作時(shí)天線序貫發(fā)射一串窄寬帶脈沖，各脈沖載頻均勻步進(jìn)，串脈沖回波信號(hào)在被接收時(shí)系統(tǒng)用和它載頻相應(yīng)的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，之后對(duì)混頻得到的中頻信號(hào)進(jìn)行A/D采樣和解調(diào)處理，然后進(jìn)行逆傅里葉變換，最后系統(tǒng)對(duì)變換結(jié)果進(jìn)行處理后完成目標(biāo)檢測(cè)。

2.2信號(hào)模型

3.目標(biāo)檢測(cè)算法

3.1探地雷達(dá)回波數(shù)據(jù)

運(yùn)用固定的超寬帶步進(jìn)頻雷達(dá)能夠得到目標(biāo)的A-Scan數(shù)據(jù)，用探地雷達(dá)在目標(biāo)上方進(jìn)行均勻掃描能夠得到多組目標(biāo)的A-Scan數(shù)據(jù)，從而組合得到目標(biāo)的B-Scan數(shù)據(jù)，掃描過(guò)程如圖1所示：

本文運(yùn)用探地雷達(dá)天線掃描目標(biāo)得到的目標(biāo)B-Scan數(shù)據(jù)確定目標(biāo)所在位置。

目標(biāo)B-Scan數(shù)據(jù)中包含目標(biāo)自身信號(hào)和巨大的地表回波信號(hào)，同時(shí)地下地層內(nèi)各種雜質(zhì)也會(huì)反射各種雜波，要提取出清晰的目標(biāo)信號(hào)加以識(shí)別是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，本文使用了主成分分析的算法在B-Scan數(shù)據(jù)中找到與目標(biāo)相關(guān)的主成分信號(hào)抑制強(qiáng)雜波完成目標(biāo)的檢測(cè)和定位。

3.2主分量分析算法

主分量分析算法是一種基于子空間投影的一種非參數(shù)化的雜波抑制方法，它通過(guò)將接收數(shù)據(jù)分解成相互正交的子空間，通過(guò)分離信號(hào)子空間和雜波噪聲子空間的途徑實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的分離。

在本文所述的基于超寬帶探地雷達(dá)的地下淺層目標(biāo)探測(cè)技術(shù)中，由主元分析得到的重構(gòu)矩陣很大程度上抑制了能量較強(qiáng)的雜波分量，從而使得期望目標(biāo)回波引起的能量變化在重構(gòu)數(shù)據(jù)中較為顯著的呈現(xiàn)出來(lái)。依據(jù)重構(gòu)信號(hào)矩陣?yán)L制目標(biāo)掃描數(shù)據(jù)，最終在探測(cè)過(guò)程中對(duì)地下淺層目標(biāo)的存在與否做出判決。

4算法仿真

為了驗(yàn)證本文理論分析的結(jié)果，我們對(duì)超寬帶探地雷達(dá)系統(tǒng)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真。仿真平臺(tái)設(shè)置的信號(hào)帶寬為3GHz，橫向掃描范圍0.8米，弱目標(biāo)埋藏在地下淺層，由于地表介質(zhì)的不連續(xù)，在土壤分界面上產(chǎn)生了很強(qiáng)的地表雜波回波，如圖2a所示。在強(qiáng)雜波背景下很難分辨出目標(biāo)回波。

采用本文所述的子空間方法抑制雜波后的回波信號(hào)如圖2b所示。該結(jié)果表明，地表雜波得到了極大抑制，地下目標(biāo)信號(hào)凸顯出來(lái)，這使得目標(biāo)回波信號(hào)更易于檢測(cè)。

該仿真結(jié)果正式了基于子空間方法抑制強(qiáng)雜波算法的有效性，以此作為基于超寬帶探地雷達(dá)的地下淺層目標(biāo)探測(cè)的核心算法，再使用常規(guī)處理方法，在二維數(shù)據(jù)平面上大大提高了目標(biāo)檢測(cè)性能。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1. 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與檢測(cè)目標(biāo)

我們?cè)谇闆r較為復(fù)雜的粘土環(huán)境下測(cè)試了探地雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)低金屬雷的檢測(cè)概率和測(cè)距精度，同時(shí)測(cè)試了系統(tǒng)對(duì)非有效目標(biāo)的虛警概率，非有效目標(biāo)是我們?cè)谠囼?yàn)場(chǎng)地人為加入的干擾目標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)中使用的器件為小螺釘，如圖3。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，低金屬雷埋在地表以下，我們手持探地雷達(dá)極化收發(fā)天線以大約60cm/s的速率在地表上方勻速來(lái)回平移，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多次掃描，錄取回波數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中進(jìn)行處理。5.2試驗(yàn)結(jié)果

利用超寬帶步進(jìn)頻信號(hào)結(jié)合主成分分析算法對(duì)地下埋藏的淺層目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)掃描，本文分別在埋藏低金屬雷和金屬干擾目標(biāo)兩種情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)該算法在實(shí)際使用中的效果。

1. 實(shí)驗(yàn)1

在第一組實(shí)驗(yàn)中，地面土壤為粘土，目標(biāo)為低金屬雷，埋藏在地下10公分的深度，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們手持超寬帶探地雷達(dá)系統(tǒng)在目標(biāo)上方往返掃描了5次。探地雷達(dá)系統(tǒng)掃描地表所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)本文算法處理后得到的等高線圖如圖4所示。

圖4清晰地給出了低金屬雷存在的指示信息。圖中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間序列，縱坐標(biāo)表示回波時(shí)延，其中等高線密集變化的區(qū)域?qū)?yīng)5次往返掃描中恰好經(jīng)過(guò)目標(biāo)上方的位置。該實(shí)驗(yàn)表明，基于超寬帶探地雷達(dá)的地下淺層目標(biāo)探測(cè)技術(shù)能夠有效檢測(cè)到低金屬雷的存在。

1. 實(shí)驗(yàn)2

在第二組實(shí)驗(yàn)中，地面土壤為粘土，地下埋藏有以小螺釘為代表的金屬干擾物，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們手持超寬帶探地雷達(dá)系統(tǒng)在小螺釘上方往返掃描了6次，探地雷達(dá)系統(tǒng)掃描地表所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)本文算法處理后得到的等高線圖如圖5所示。

圖5中反映的信息準(zhǔn)確的指示出地下沒(méi)有低金屬雷的存在。圖中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間序列，縱坐標(biāo)表示回波時(shí)延。該實(shí)驗(yàn)表明，我們的探地雷達(dá)系統(tǒng)在小螺釘這類(lèi)物體存在的情況下有效地抑制了虛警。該實(shí)驗(yàn)也表明，對(duì)地下淺層目標(biāo)探測(cè)過(guò)程中廣泛分布的淺埋不連續(xù)突變異物，非參數(shù)化信號(hào)處理方法在探測(cè)過(guò)程中對(duì)環(huán)境和目標(biāo)表現(xiàn)出了很強(qiáng)的適應(yīng)性。

6.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于主分量分析的低金屬雷探測(cè)技術(shù)，這種技術(shù)能夠很好地抑制地表和地下多種雜質(zhì)引起的雜波，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)在情況較為復(fù)雜的粘土地測(cè)試環(huán)境中在對(duì)反步兵低金屬雷具有較高的檢測(cè)效率，同時(shí)能夠很好的抵抗測(cè)試場(chǎng)景中的多種虛警因素。這種新型的低金屬雷探測(cè)技術(shù)是將來(lái)非常有潛力的研究方向，可以在將來(lái)的探掃一體化探雷裝備中得到廣泛的應(yīng)用。