专利名称：一种平面三层介质中电磁波传播时延的计算方法
技术领域：
本发明属于探地雷达成像技术领域，涉及一种平面三层介质中电磁波传播时延的计算方法。
背景技术：
探地雷达是一种有效的无损探测技术。它通过空域扫描向探测区域发射电磁波并接收散射回波，可实现对未知区域内部的成像处理，获得未知区域中的隐蔽目标参数，即目标分布信息和散射强度信息，有效应用于市政工程、考古、地雷探测、反恐等多种场合。探地雷达的成像方法有多种，基于“延时-累加”处理的后向投影成像算法适用于非等间距采样下对分层介质中点散射型目标的成像处理，因而广泛应用于探地雷达信号处理中。后向投影成像算法的关键处理步骤是传播时延的计算。对成像区域中的每一网格位置(X。，Z。)，根据探测扫描场景分别计算各测点对应的发射天线A和接收天线&到成像点 (X。，Z0)的电磁波单程传播时延。本专利适用于平面三层介质环境下第一层介质(空气) 中各天线测点到第三层介质中各成像点的单程传播时延的计算。对三层平面介质结构的扫描区域而言，探地雷达天线位于第一层介质，即空气中， 用于对整个探测区域进行扫描。整个成像区域可分为两部分，即第二层介质部分和第三层介质部分。成像处理便是获得第二层介质中各点和第三层介质中成像区域覆盖的各点的散射强度。在进行后向投影成像运算时，对第二层介质中的各点，需要计算电磁波经过一次折射后的传播时延，常用的方法有搜索法、线性近似法参考文献Ε. M. Johansson, J. Ε. Mast, Three dimensional ground penetrating radar imaging using a synthetic aperture time-domain focusing，in :Proceedings of the SPIE Conference on Advanced Microwave and Millimeter Wave Detectors，2275，1994，pp. 205-214.和双曲线波前近似法参考文献Rappaport，C.，A novel, non-iterative, analytic method to find the surface refraction point for air-coupled ground penetrating radar, Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP)，1786-1789， 2011。对第三层介质中成像区域的各点，需要计算各成像点到第一层介质(空气)中探地雷达天线各测点的传播时延。根据电磁波传播规律，电磁波在探地雷达天线和第三层介质中成像点间的传播要经过两次折射，即在第一二层介质交界面处产生一次折射，在第二三层介质交界面处产生第二次折射，如
图1所示。传统的时延计算方法是通过两维搜索获得单程传播时延的极小值，即
权利要求
1. 一种平面三层介质中电磁波传播时延的计算方法，其特征在于，包括以下步骤 首先设定第二层与第三层介质交界面处折射点的估计区间[Xa，X。]，其中^和X。分别为第一层介质中天线测点A的横向坐标和第一层介质中天线测点A在第三层介质中的成像点D的横向坐标；然后在估计区间中的每一点均对应一个传播时延值；估计区间中任一点\ ‘对应的传播时延值计算公式为 φ:、=见(O +幻(x。- + (d - ζ。 ，其中￡2和ε3分别为第二介质和第三层c介质的相对介电常数值，X。和ζ。分别为第三层介质中成像点D的横向和纵向坐标，xr' 为估计区间中任一点的横向坐标，d为第二介质和第三层介质交界面的纵向坐标值，cb = 2+ ^ ,k = ^=,K = ni, ε i为第一层介质的相对介电常数值，zaΛ nJ wI」 λΜ “1 \ sI为第一层介质中天线的纵向坐标；最后求取最小的传播时延值作为真实电磁波传播时延的估计值。
2.根据权利要求1所述的平面三层介质中电磁波传播时延的计算方法，其特征在于， 通过一维搜索方法选取最小的传播时延值作为真实电磁波传播时延的估计值。
3.根据权利要求1所述的平面三层介质中电磁波传播时延的计算方法，其特征在于， 通过数学解析方法求解最小的传播时延值作为真实电磁波传播时延的估计值；所述的数学解析方法为求得所述传播时延值计算公式的一阶导数，令该一阶导数为零，求出对应的 Xr'值，然后再将X/代入传播时延值计算公式计算得到的传播时延值即为最小的传播时延值。
4.根据权利要求2所述的平面三层介质中电磁波传播时延的计算方法，其特征在于， 所述的一维搜索方法为等距搜索或最速下降法。
5.根据权利要求4所述的平面三层介质中电磁波传播时延的计算方法，其特征在于， 所述的等距搜索方法如下将第二层与第三层介质交界面处折射点的估计区间[xa，χ0]等分为N份，该N份对应于N+1个点；在每个点处，都计算获得一个传播时延值，从而获得N+1 个传播时延值，再通过逐一比较的方法获得这N+1个传播时延的最小值作为真实传播时延的估计值。‘a = 2^Jl + k2 -1，
全文摘要
本发明公开了一种平面三层介质中电磁波传播时延的计算方法，通过双曲线波前近似理论获得电磁波在第一二层介质中由天线位置到二三层介质交界面上某点C的传播时延。随着点C在二三层介质交界面上的移动，总的单程传播时延也随之变化。即可通过一维搜索或数学解析的方法获得传播时延的最小值作为真实传播时延的估计值，该方法避免了传统的二维搜索或求解二元四次方程组的计算方法，大大降低了运算量，保证了传播时延的计算精度，适用于探地雷达实时成像处理。
文档编号G01S7/02GK102508205SQ201110287608
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者雷文太 申请人:中南大学