多輸入多輸出極化步進(jìn)頻率探地雷達(dá)硬件系統(tǒng)開發(fā)

梁文婧,馮 晅,劉 財(cái),恩和得力海,張明賀,梁帥帥

吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026

0 引言

20世紀(jì)70年代以來，在電子技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，受政治以及軍事需求的影響，探地雷達(dá)技術(shù)開始得到飛速發(fā)展。相比于美國、加拿大、瑞典等國相繼研發(fā)的商用時(shí)域脈沖探地雷達(dá)，頻域探地雷達(dá)的發(fā)展速度較為緩慢：1974年，Robinson等[1]首次應(yīng)用步進(jìn)頻率信號(hào)作為探地雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)，開啟了頻域探地雷達(dá)的研究工作；1984年，Lizuka等[2]對(duì)步進(jìn)頻率探地雷達(dá)的原理與方法做出詳細(xì)介紹。20世紀(jì)90年代后，價(jià)格低、體積小的商用儀器隨著電子元件的快速發(fā)展得到了進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用。頻域探地雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)建也隨著微電子技術(shù)、材料學(xué)技術(shù)以及數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了嶄新階段。

近年來，步進(jìn)頻率探地雷達(dá)越來越多地應(yīng)用于雷達(dá)的相關(guān)研究工作中[3-8]，各大科研院所及高等學(xué)校構(gòu)建了以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為主體的步進(jìn)頻率探地雷達(dá)，在不斷發(fā)展和改進(jìn)硬件系統(tǒng)性能的同時(shí)，進(jìn)行探地雷達(dá)天線性能分析、目標(biāo)體屬性分析、目標(biāo)體識(shí)別等工作[9-10]。本研究基于多種極化模式天線布局的時(shí)間同步性，利用開關(guān)控制器及同軸開關(guān)對(duì)原有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的雙通道進(jìn)行擴(kuò)展與開發(fā)，旨在實(shí)現(xiàn)多種極化模式天線寬頻帶信號(hào)多通道發(fā)射及多通道接收的目的，以提高探測(cè)優(yōu)勢(shì)和時(shí)間效率。

1 步進(jìn)頻率探地雷達(dá)工作原理

步進(jìn)頻率探地雷達(dá)系統(tǒng)(step frequency ground penetrating radar，SFGPR)是頻率域雷達(dá)系統(tǒng)的典型代表，是以階梯形式步進(jìn)的連續(xù)波雷達(dá)。SFGPR在頻率域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的發(fā)射和采集，獲得地下目標(biāo)體響應(yīng)的頻率域復(fù)信號(hào)，即振幅與相位信息，通過傅里葉變換的方法獲得地下目標(biāo)體的響應(yīng)特征。頻率域雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的起始頻率為fstar，在一個(gè)掃描周期內(nèi)，信號(hào)以固定頻率間隔Δf逐步上升至終止頻率fstop。工作頻帶寬度為B=fstop-fstar，頻率間隔為Δf=B/(N-1)，N為步進(jìn)頻點(diǎn)數(shù)，步進(jìn)頻率波形則表示為N個(gè)頻率遞增的脈沖疊加。

2 多發(fā)射多接收極化步進(jìn)頻率探地雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

基于電磁波理論，高頻率的電磁波可獲得高的空間分辨率信息，具有寬頻帶特征的極化探地雷達(dá)系統(tǒng)，又具有區(qū)分目標(biāo)特征能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。寬頻帶信號(hào)的發(fā)射需要較長時(shí)間來完成，頻帶越寬，所耗時(shí)間越長。在實(shí)際探測(cè)應(yīng)用中，為了獲得探測(cè)目標(biāo)的多維度信息，多采用多種極化模式的天線組合，在寬頻帶信號(hào)源的配合下來綜合完成目標(biāo)豐富信息的獲取。在實(shí)際探測(cè)的天線布置工作中，這種多極化模式天線的探測(cè)方式，若分步多次布置多種模式極化天線，耗時(shí)較長，在一定程度上影響了探測(cè)效率，且由于天線重復(fù)定位精度的影響，將給高精度目標(biāo)探測(cè)引入外部誤差。若能一次性地將多種極化天線同時(shí)布置到位，不僅可以提高探測(cè)時(shí)間效率，且可有效控制天線位置誤差所帶來的影響?；诙喾N極化模式天線布局的時(shí)間同步性設(shè)計(jì)思想與設(shè)計(jì)原則，利用開關(guān)控制器及同軸開關(guān)對(duì)原有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的雙通道進(jìn)行擴(kuò)展與開發(fā)，旨在實(shí)現(xiàn)多種極化模式天線寬頻帶信號(hào)多通道發(fā)射及多通道接收的目的，以提高探測(cè)優(yōu)勢(shì)和時(shí)間效率。

以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心構(gòu)建的多輸入多輸出極化步進(jìn)頻率探地雷達(dá)系統(tǒng)如圖 1。該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、三維直角坐標(biāo)儀、開關(guān)控制轉(zhuǎn)換器及同軸開關(guān)、極化天線及天線陣列、同軸電纜等組成(表 1)。其中：三維直角坐標(biāo)儀定位范圍為3.3 m×3.3 m×1.2 m，位置定位精度可實(shí)現(xiàn)0.1 mm；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可發(fā)生9.0 kHz～8.5 GHz的電磁波信號(hào)，滿足寬頻帶特征的極化探地雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

表1 多輸入多輸出極化步進(jìn)頻率探地雷達(dá)系統(tǒng)組成部分

圖1 多輸入多輸出極化步進(jìn)頻率探地雷達(dá)硬件系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.1 Photograph of multiple-input and multiple-output polarimetric stepped-frequency ground penetrating radar system

如圖 2所示：計(jì)算機(jī)通過LAN( local area network)線與雙通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連接，用以控制雙通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)射和接收電磁波并傳輸數(shù)據(jù)；雙通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通道端口通過同軸電纜與開關(guān)中心端口相連接，開關(guān)通過同軸電纜與天線陣列相連接作為發(fā)射端和接收端；開關(guān)控制器給開關(guān)供電，同時(shí)選擇接收通道，即選擇接收某一接收天線的數(shù)據(jù)。

圖2 多輸入多輸出極化步進(jìn)頻率探地雷達(dá)系統(tǒng)工作框圖Fig.2 Diagram of multiple-input and multiple-output polarimetric stepped-frequency ground penetrating radar system

工作流程：計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，雙通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的1通道發(fā)射電磁波，開關(guān)控制器進(jìn)行發(fā)射通道選擇，發(fā)射天線發(fā)射電磁波；接收天線接收由目標(biāo)體散射后產(chǎn)生的回波信號(hào)，開關(guān)控制器進(jìn)行接收通道選擇；同軸開關(guān)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)傳回矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2通道，網(wǎng)絡(luò)分析儀將數(shù)據(jù)傳回計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

3 多次覆蓋極化天線陣列布局分析

本文構(gòu)建了一種信號(hào)多次覆蓋的極化天線陣列，如圖 3所示，是基于“口字形”組合模式為基本單元構(gòu)建而成的矩形天線陣列。

圖3 極化天線陣列實(shí)物圖Fig.3 Photograph of polarimetric antenna array

在此借鑒勘探地震中的多次覆蓋技術(shù)，用天線陣列采集共中心點(diǎn)(CMP)數(shù)據(jù)，通過疊加CMP數(shù)據(jù)來壓制噪音，提高系統(tǒng)測(cè)量信噪比。

圖 4為矩形極化天線陣列實(shí)現(xiàn)信號(hào)多次覆蓋的原理示意圖。天線陣列位于雷達(dá)探測(cè)坐標(biāo)系下，O(0,0)為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，即天線陣列中心坐標(biāo)點(diǎn)，x軸為測(cè)線方向，V1—V4為垂直于測(cè)線方向的單個(gè)天線單元，H1—H6為沿測(cè)線方向的單個(gè)天線單元。

圖4a是兩種共極化模式(HH，VV)下實(shí)現(xiàn)信號(hào)多次覆蓋的原理示意圖。

1)HH極化模式下，兩次信號(hào)覆蓋工作方式為：H1發(fā)射H6接收，H3發(fā)射H4接收，對(duì)于水平層狀介質(zhì)，其反射點(diǎn)位于O點(diǎn)正下方。

2)VV極化模式下，兩次信號(hào)覆蓋工作方式為：V1發(fā)射V4接收，V2發(fā)射V3接收，對(duì)于水平層狀介質(zhì)，其反射點(diǎn)也位于O點(diǎn)正下方。

基于此，HH與VV兩種共極化模式的CMP位于O點(diǎn)，即對(duì)于水平層狀介質(zhì)，探測(cè)點(diǎn)位于O點(diǎn)正下方。

圖4b是兩種交叉極化方式(HV，VH)下實(shí)現(xiàn)信號(hào)多次覆蓋的工作原理示意圖。相比于共極化模

式(HH，VV)，交叉極化模式更細(xì)致地分為上VH、下VH、上HV與下HV共4種子模式。

1)上VH極化模式下，兩次信號(hào)覆蓋工作方式為：V1發(fā)射H3收，V4發(fā)射H1接收，對(duì)于水平層狀介質(zhì)，其反射點(diǎn)位于(0，0.25l)正下方處，其中l(wèi)為天線寬度。

2)下VH極化模式下，兩次信號(hào)覆蓋工作方式為：V1發(fā)射H6接收，V4發(fā)射H4接收，對(duì)于水平層狀介質(zhì)，其反射點(diǎn)位于(0，-0.25l)正下方處。

同理：

3)上HV極化模式下，兩次信號(hào)覆蓋工作方式為：H1發(fā)射V4接收，H3發(fā)射V1接收，對(duì)于水平層狀介質(zhì)，其反射點(diǎn)位于(0，0.25l)正下方處。

4)下HV極化模式下，兩次信號(hào)覆蓋工作方式為：H4發(fā)射V4接收，H6發(fā)射V1接收，對(duì)于水平層狀介質(zhì)，其反射點(diǎn)位于(0，-0.25l)正下方處。

由此可見，在不同模式的交叉極化方式下，其目標(biāo)反射點(diǎn)是不一致的，具有4個(gè)不同的坐標(biāo)位置，其間距為0.25l，且每個(gè)反射點(diǎn)均與共極化模式下的目標(biāo)反射點(diǎn)也不同。因此，在極化雷達(dá)測(cè)量過程中，為了便于實(shí)現(xiàn)共反射點(diǎn)的多次覆蓋，實(shí)現(xiàn)極化雷達(dá)探測(cè)方式的本質(zhì)優(yōu)勢(shì)，測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則，即測(cè)線間距為0.25l，測(cè)點(diǎn)間距為0.25l，如圖 5所示。

a.共極化方式； b.交叉極化方式。圖4 極化天線陣列工作示意圖Fig.4 Diagram of polarmetric antenna working

l為天線寬度。圖5 極化天線陣列測(cè)網(wǎng)示意圖Fig.5 Detection network design of polarmetric antenna working

4 系統(tǒng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)

步進(jìn)頻率探地雷達(dá)(SFGPR)系統(tǒng)所獲取的原始數(shù)據(jù)都是頻率域數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理部分的處理流程為：1)消除天線耦合。消除天線陣列中天線對(duì)間的耦合效應(yīng)。2)帶通濾波。壓制高頻和低頻噪音。3)反傅里葉變換(IFFT)。將頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)間域數(shù)據(jù)，獲得時(shí)間域數(shù)集。4)道均衡。通過道均衡處理調(diào)節(jié)由于電磁波在各對(duì)天線之間發(fā)射接收的距離，導(dǎo)致數(shù)據(jù)集中各道能量不均衡。5)動(dòng)校正。將各道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為自激自收的零偏移距數(shù)據(jù)。6)疊加。將每一個(gè)道集的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，形成疊后數(shù)據(jù)體，提高信噪比。

實(shí)驗(yàn)天線采用自主研發(fā)的多次覆蓋極化天線陣列，目標(biāo)體分別為金屬平面板和金屬二面體，天線測(cè)量方式有共極化方式和交叉極化方式。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射信號(hào)的掃描頻帶范圍為：0.8 ～4.0 GHz，掃描點(diǎn)數(shù)為512，每條測(cè)線有測(cè)點(diǎn)N=50，中頻帶寬為100 kHz，發(fā)射平均功率為5 dBm。

將金屬平面板作為目標(biāo)體的剖面圖見圖6，將金屬二面體作為目標(biāo)體的剖面圖見圖7。

雷達(dá)信號(hào)在傳輸過程中不可避免會(huì)受到噪聲的影響，主要為系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的帶電粒子不規(guī)則擾動(dòng)所產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，該噪聲的特點(diǎn)是在所有頻帶內(nèi)均存在連續(xù)不規(guī)則的起伏變化。

由兩組不同目標(biāo)體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，HH極化模式有2個(gè)疊加道，VV極化模式有2個(gè)疊加道，HV極化模式有4個(gè)疊加道，其疊加后顯示的剖面圖有效壓制了噪聲，達(dá)到了提高信噪比的目的。

為了進(jìn)一步量化對(duì)比數(shù)據(jù)疊加前后的效果，計(jì)算疊加前后數(shù)據(jù)的信噪比：

對(duì)疊加道結(jié)果進(jìn)行Pauli極化分解，其中每個(gè)Pauli基矩陣對(duì)應(yīng)著一種基本的散射機(jī)制，表示形式[11]為

S為辛克萊散射矩陣，系數(shù)a、b、c和d的值為

對(duì)應(yīng)的4種散射機(jī)制為：第1種為平面單次或奇次散射；第2種和第3種分別為0°和45°的二次或偶次反射；第4種為不對(duì)稱分量。

在滿足單站互易定理的條件下，即SHV=SVH，則d=0，此時(shí)Pauli基可簡(jiǎn)化為3個(gè)基矩陣，總功率為

Span=|SHH|2+2|SHV|2+|SVV|2=

|a|2+|b|2+|c|2。

將Pauli分解得到的|a|2,|b|2和|c|2對(duì)應(yīng)RGB偽彩色圖像，紅色=|b|2，綠色=|c|2，藍(lán)色=|a|2，得到金屬平面板及金屬二面體的偽彩色圖像(圖8)。

從圖8可以看出：平面板顯示為藍(lán)色，對(duì)應(yīng)第一種散射機(jī)制為單次散射；二面體顯示為紅色，對(duì)應(yīng)第二種散射機(jī)制為二次或偶次散射。

a.H1發(fā)射H6接收；b.H3發(fā)射H4接收；c.HH極化模式疊加；d.V1發(fā)射V4接收；e.V2發(fā)射V3接收；f.VV極化模式疊加；g.H1發(fā)射V4接收；h.H3發(fā)射V1接收；i.H4發(fā)射V4接收；j.H6發(fā)射V1接收；k.HV極化模式疊加。圖6 金屬平面板為目標(biāo)體的剖面圖Fig.6 Vertical profile of a metallic plate as the target

a.H1發(fā)射H6接收；b.H3發(fā)射H4接收；c.HH極化模式疊加；d.V1發(fā)射V4接收；e.V2發(fā)射V3接收；f.VV極化模式疊加；g.H1發(fā)射V4接收；h.H3發(fā)射V1接收；i.H4發(fā)射V4接收；j.H6發(fā)射V1接收；k.HV極化模式疊加。圖7 金屬二面體為目標(biāo)體的剖面圖Fig.7 Vertical profile of a metallic dihedral as the target

a.金屬平面板 b.金屬二面體。圖8 Pauli極化分解偽彩色圖像Fig.8 RGB image of Pauli polarmetric decomposition

5 結(jié)論

1)在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用自主研發(fā)的多輸入多輸出步進(jìn)頻率探地雷達(dá)系統(tǒng)和多次覆蓋極化天線陣列，對(duì)金屬平面板和金屬二面體進(jìn)行極化信息數(shù)據(jù)采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到響應(yīng)剖面圖，說明該系統(tǒng)可較精確地完成電磁波測(cè)量實(shí)驗(yàn)，為驗(yàn)證理論結(jié)果提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2)通過對(duì)兩種典型目標(biāo)體的探測(cè)實(shí)驗(yàn)可以看出，用多次覆蓋極化天線陣列采集到的共中心點(diǎn)(CMP)數(shù)據(jù)，通過疊加CMP數(shù)據(jù)來壓制噪音，有效達(dá)到提高系統(tǒng)測(cè)量信噪比的目的。

3)通過應(yīng)用Pauli極化分解方法可以分類典型模型，得到目標(biāo)體的偽彩色合成圖。

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