探地雷达阵列成像

摘要有大量的记载探地雷达的相关书籍和论文，我们可以对探地雷达的发展概况有一个大致的了解，不难看出探地雷达未来的发展方向。多输入多输出（Multiple-InputandMultiple-Output，MIMO）雷达是在数字阵列雷达、多基雷达以及现代通信技术基础上发展起来的一种新体制雷达，具有显著的技术优势和巨大的发展潜力，逐渐成为下一代雷达的主要发展方向之一。由于采用了波形分集技术，与传统相控阵雷达相比，MIMO雷达具备多项优点，如突破阵元间距半波长限制、提高角度分辨率、提高系统自由度等。MIMO雷达在提高信号处理灵活性的同时，也由于其新体制特征及结构特点，带来了新的问题，如多通道积累检测问题，波形设计和阵列结构优化问题以及系统自由度过高导致的自适应算法性能下降等问题。雷达成像方面有很多相关的软件，比如GprMax，一款基于FDTD（时域有限差分）的探地雷达仿真软件，其生成文件包括几何图和数据剖面图，这些生成文件是由MATLAB读取的。雷达成像最关键的部分就是成像的算法，通过对算法的不断研究和改进，提出了很多算法，有些算法可以相互结合，从而改善成像效果，基于不同的理论基础，这些算法又衍生出很多不同的算法，诸如RD-BP算法、TCC-BP算法等，针对不同的算法，借助MATLAB对算法进行仿真，并得到仿真图像。关键词：多输入多输出雷达；数字波束形成；反向投影算法；MATLABAbstractTherearealargenumberofrecordsofbooksandpapersrelatedGroundPenetratingRadar(GPR).WecanhaveageneralunderstandingofthedevelopmentofGPR,itisnotdifficulttoseethedevelopmentdirectionoftheGPRinthefuture.Multiple-inputandmultiple-output(MIMO)radarisanewmodeofradarsystemdevelopedonthebasisofdigitalarrayradar,multistaticradarandmoderncommunicationtechniques.Sinceitsobvioustechnicaladvantagesandhugedevelopmentpotential,MIMOradarwillbecomeoneofthemajordirectionsoftheradarsystemdevelopmentinfuture.Byusingwaveformdiversitytechnique,ThroughproperimprovementstraditionalarraysignalprocessingtechniquescanbeappliedtoMIMOradar.Moreover,thisnewtypeofradarsystemoffersanewparadigmforradarsignalprocessing.thestrongdemandsforwaveformandarraystructureoptimization,andanoticeableperformancedeclineofadaptivealgorithmsfortheexcessivedegreeoffreedom,etc.Therearealotofsoftwarerelatedtoradarimaging,suchasGprMax,aGroundPenetratingRadar(GPR)simulationsoftwarebasedonFDTD(finitedifferencetimedomain).ThegeneratedfilesincludinggeometricfigureanddatasectionarereadbytheMATLAB..Themostcriticalpartofradarimagingistheimagingalgorithm.Basedondifferenttheoreticalbasis,thealgorithmderivesalotofdifferentalgorithms,suchasRD-BPalgorithm,theTCC-BPalgorithm,etc.Fordifferentalgorithms,wecangetthesimulationimageswiththehelpofMATLAB.Keywords:MIMOradar,digitalbeamforming,backprojection，MATLAB目录§1绪论............................................................................................................................................1§1.1探地雷达............................................................................................................................1§1.1.1基本原理....................................................................................................................1§2阵列成像算法概述..................................................................................................................2§2.1MIMO雷达基本原理.......................................................................................................2§2.2MIMO雷达基本模型.......................................................................................................3§2.2.1虚拟阵列....................................................................................................................3§2.2.2信号模型....................................................................................................................5§3探地雷达的正演.......................................................................................................................6§3.1GPRMAX模拟探地雷达二维模型................................................................................6§4数据处理....................................................................................................................................7§4.2MIMO雷达波束形成技术..............................................................................................7§4.2.1数字波束形成的原理...............................................................................................7§4.2.2数字波束形成MATLAB仿真...............................................................................8参考文献........................................................................................................................................101§1绪论§1.1探地雷达§1.1.1基本原理探地雷达利用高频电磁波（1MHz～1GHz）以宽频带短脉冲的形式通过地面发射天线（T）将信号送入到地下，经地层界面或者目的体反射后再返回地面由接收天线（R）接受电磁波的反射信号，通过分析电磁波反射信号的振幅特征和时频特征来了解地层或者目的体的特征信息。图1-1测试原理图由上图可知，脉冲波的行程时间是：t是电磁波反射信号的双程行程时间，z是目的体的埋深，x是收、发天线的距离，v是电磁波在介质中的传播速度。2§2阵列成像算法概述§2.1MIMO雷达基本原理MIMO雷达通过多个发射天线同时发射多种相互正交波形，并采用多个接收天线接收所有波形的回波。MIMO雷达采用这种波形分集技术，从而具有传统相控阵雷达所不具备的优点，包括突破阵元间距半波长限制、较高的系统自由度以及空间全覆盖特性等。正交波形是MIMO雷达的一种基本波形，下面以正交多相码信号为例，介绍MIMO雷达的基本原理及特性，并引入MIMO雷达信号模型。雷达成像技术大体上可以分成三大类：实孔径成像技术、合成孔径成像技术和二者兼有的成像技术。其中，实孔径成像技术主要用于实孔径(阵列)成像雷达，Steinberg等做过深入的研究。合成孔径成像技术的典型代表是SAR和ISAR。二者兼有的成像技术包括ARTINO(AirborneRadarforThree-dimensionalImagingandNadirObservation)。ARTINO是一种三维成像雷达，分别利用平行于雷达平台航向的合成孔径、垂直于航向的线性阵列及下视的宽带信号所提供的三个方向分辨率来获得目标的空间分布信息。MIMO雷达通过实际的多个发射天线和接收天线来探测目标，通过单次“快拍”发射就能得到携带目标信息的多路观测回波数据。MIMO雷达成像划归于二者兼有的成像技术。MIMO雷达的虚拟阵元和实际物理阵元是同时空间并存的，不同于时间积累所得的合成孔径。因此，MIMO雷达的等效阵列孔径可以理解为空间意义上的合成孔径。在MIMO雷达成像过程中，等效阵列和虚拟阵元将直接影响成像性能。在成像方法方面，Xu等进行MIMO雷达成像时借助自适应超分辨谱估计方法，利用GLRT来确定目标数目，分别研究了Capon、APES等自适应技术存在和不存在阵列校正误差情况下的分辨性能和抗干扰能力。Roberts等用IAA(IterativeAdaptiveApproach，一种基于加权最小二乘的迭代自适应方法)来完成MIMO雷达成像，并分别给出了IAA方法的Range-Doppler图像和Angle-Range图像，通过与DAS(Delay-And-Sum)获得的图像作对比，证明IAA方法具有高分辨能力，同时还证明了MIMO阵列的多普勒和角度分辨能力都比SIMO(Single-InputandMu