一种探地雷达快速成像及介电常数反演一体化处理方法

本发明属于探地雷达成像，尤其涉及一种探地雷达快速成像及介电常数反演一体化处理方法。

背景技术：

1、探地雷达是用来对地下目标或场景进行探测的雷达系统，具有不破坏探测场景、可重复性强、采样密集、安全可靠、高分辨率等特点。探地雷达系统利用电磁波在地下介质电磁特性不连续处产生反射和散射的现象，获取地下目标或场景的几何和物理信息。与传统的对地探测方式相比，探地雷达可以在不破坏目标或场景的条件下，实现对地下目标或场景的高精度探测。探地雷达成像技术能够对雷达接收到的回波信号进行成像处理，从直观上获取地下场景的几何信息。成像算法可以分为频域成像和时域成像。在探地雷达应用中，由于分层介质的存在导致电磁波在穿透地面时发生了折射，各散射点在回波域的时延曲线不再满足双曲线方程，各种频域方法均已不再适用，但可以利用bp算法的思想，精确计算电磁波传播路径，将各散射点在各道回波数据上的能量进行叠加以实现成像。然而，bp算法需要大量的插值计算，导致bp算法成像效率低。cfbp是一种无需插值处理的快速后向投影成算法，利用子图像逐级融合的方式，有效降低了计算负担。在实际的雷达探测成像中，地下介质的介电常数通常难以准确获取，导致成像时引入了介电常数估计不准产生的相位误差，影响图像的成像质量。因此，介电常数估计方法和介电常数估计不准引入的相位误差补偿方法的研究是非常有意义的。

2、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

3、(1)由于分层介质的存在导致电磁波在穿透地面时发生了折射，各散射点在回波域的时延曲线不再满足双曲线方程，各种频域方法均已不再适用。同时针对现有的bp算法虽然能够根据电磁波折射路径准确进行能量叠加，在获得高聚焦性能方面具有优势，但bp算法成像计算负担较大，处理效率较低。

4、(2)在实际应用中，地下介质的介电常数通常难以准确估计，导致在进行成像时目标容易出现严重的散焦现象。介电常数估计误差引入的相位误差影响不可忽视，需要对误差进行有效估计以减少误差对成像质量的影响，但是现有的探地雷达成像技术很难准确估计并补偿相位误差。

5、(3)介电常数的准确估计不仅能够提高成像质量，还能够帮助判断地下介质。然而，现有的介质反演方法需要大量的迭代处理，难以实现实时探测的要求。如果根据地表面材料简单判断地下介质介电常数，这将会引入未知的相位误差，导致成像出现散焦问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种探地雷达快速成像及介电常数反演一体化处理方法。

2、本发明是这样实现的，一种探地雷达快速成像及介电常数反演一体化处理方法包括：

3、步骤一，建立探地雷达的空间构型，通过模拟实际的平台运动和电磁波传播路径，得到探地雷达的仿真回波数据；

4、步骤二，按照整个仿真数据对应的孔径长度，将所述仿真回波信号分割成多个长度相等的子孔径数据，在直角坐标系下对多个分割的子孔径数据分别进行bp成像，并将子图像逐级融合至统一的直角坐标系，生成最终的探地雷达全图像；

5、步骤三，生成的探地雷达全图像变换至相位历程域，通过pga估计得到直角坐标系下的相位误差函数，根据相位误差函数的函数拟合系数反演介电常数；

6、步骤四，使用反演出的介电常数进行快速成像，通过pga估计剩余介电常数误差引起的相位误差并进行补偿，生成聚焦良好的探地雷达图像。

7、进一步，所述建立探地雷达的空间构型，通过模拟实际的平台运动和电磁波传播路径，得到探地雷达的仿真回波数据包括：

8、(1)建立探地雷达的空间构型，将发射天线和接收天线沿前进方向前后安装，发射天线和接收天线的高度均为h，沿着直线向前运动，对于任意时刻t，发射天线相位中心pt的位置用xt，yt和zt表示，接收天线相位中心pr的位置用xr，yr和zr表示，其中xt，yt，zt，xr，yr和zr均是关于t的函数。

9、(2)假设p(x,y,z)为探地雷达照射的场景，在直角坐标系下，散射点p0位置用p0(x0,y0,z0)表示，电磁波在地面折射点用pl(xl,yl,zl)表示，根据fs和prf设置合适的合成孔径时间，计算探地雷达在每个方位时刻波束照射p0位置时的波程和，并产生多普勒信息，生成回波数据。

10、进一步，所述按照整个仿真数据对应的孔径长度，将回波信号分割成多个长度相等的子孔径数据，在直角坐标系下对多个分割的子孔径数据分别进行bp成像，并将子图像逐级融合至统一的直角坐标系，生成最终的探地雷达全图像包括：

11、(1)将仿真数据对应的回波信号分成多个等长的子孔径信号，子孔径信号对应探地雷达的子图像，同时探地雷达的子图像对应了子孔径图像频谱；

12、(2)建立直角坐标系，发射天线，接收天线和p0被视为在同一平面，不考虑介电常数估计误差，包含该点的探地雷达子图像表示为：

13、

14、式中，r01表示收发天线等效相位中心到散射点p0对应的折射点pl0的距离，r02表示折射点pl0到p0的距离，r1表示收发天线等效相位中心到任意网格p对应的折射点pl的距离，r2表示折射点pl到网格p的距离，εr表示地下介质的介电常数；k表示回波信号对应的波数，α表示散射系数；

15、(3)引入未知的介电常数误差，包含该点的探地雷达子图像表示为：

16、

17、式中，表示估计的地下介质的介电常数，表示收发天线等效相位中心到任意网格p对应的折射点的距离，表示折射点到网格p的距离；

18、(4)将子图像逐级融合至统一的直角坐标系，生成最终的探地雷达全图像。

19、进一步，所述步骤(4)将子图像逐级融合至统一的直角坐标系，生成最终的探地雷达全图像包括：

20、1)对各个子图像进行频谱压缩，将压缩后的子图像变换至距离频域进行补偿，然后对补偿后的子图像进行过采样，以满足子图像融合后的nsr；

21、2)对子图像进行谱函数恢复处理，采用子图像逐级融合的方式生成最终的探地雷达全图像。

22、进一步，所述生成的探地雷达全图像变换至相位历程域，通过pga估计得到直角坐标系下的相位误差函数，对相位误差函数进行函数拟合获得拟合系数，通过对拟合系数分析反演地下介质的介电常数包括：

23、(1)生成的探地雷达图像变换至相位历程域，通过pga估计得到直角坐标系下的相位误差函数表示为：

24、

25、其中，kx与kz由k沿x方向和z方向分解获得，δrx与δrz由路径误差δr沿x方向和z方向分解获得。由于t与kx、kz的相互关系较为复杂，引入新的中间变量θt，此时相位误差可重写为：

26、

27、其中，θt与kx、kz的关系可表示为：

28、

29、(2)对相位误差函数进行函数拟合获得拟合系数，通过对拟合系数进行分析反演出地下介质的介电常数。

30、进一步，使用反演出的介电常数进行快速成像，通过pga估计剩余介电常数误差引起的相位误差并进行补偿，生成聚焦良好的探地雷达图像包括：

31、(1)使用反演出的介电常数进行快速成像，通过pga估计剩余介电常数误差引起的相位误差并进行补偿，生成聚焦良好的探地雷达图像。

32、本发明提供了一种的探地雷达快速成像及介电常数反演一体化处理系统包括：

33、仿真回波数据获取模块，用于建立探地雷达的空间构型，通过模拟实际的平台运动和电磁波传播路径，得到探地雷达的仿真回波数据；

34、快速成像模块，用于按照整个仿真数据对应的孔径长度，将所述仿真回波信号分割成多个长度相等的子孔径数据，在直角坐标系下对多个分割的子孔径数据分别进行bp成像，并将子图像逐级融合至统一的直角坐标系，生成最终的探地雷达全图像；

35、相位误差估计和介电常数反演模块，用于生成的探地雷达全图像变换至相位历程域，通过pga估计得到直角坐标系下的相位误差函数，根据相位误差函数的函数拟合系数反演介电常数；

36、自聚焦处理模块，用于使用反演出的介电常数进行快速成像，通过pga估计剩余介电常数误差引起的相位误差并进行补偿，生成聚焦良好的探地雷达图像。

37、本发明还提供了一种探地雷达快速成像及介电常数反演一体化处理系统，包括：

38、(1)仿真数据生成模块，用于建立探地雷达的空间构型，通过模拟实际的平台运动和电磁波传播路径，得到探地雷达的仿真回波数据；

39、(2)图像处理模块，用于按照整个仿真数据对应的孔径长度，将所述仿真回波信号分割成多个长度相等的子孔径数据，在直角坐标系下对多个分割的子孔径数据分别进行bp成像，并将子图像逐级融合至统一的直角坐标系，生成最终的探地雷达全图像；

40、(3)介电常数反演模块，用于将生成的探地雷达全图像变换至相位历程域，通过pga估计得到直角坐标系下的相位误差函数，根据相位误差函数的函数拟合系数反演介电常数；

41、(4)快速成像模块，用于使用反演出的介电常数进行快速成像，通过pga估计剩余介电常数误差引起的相位误差并进行补偿，生成聚焦良好的探地雷达图像。

42、进一步，所述仿真数据生成模块包括：

43、(1)发射天线和接收天线设置模块，用于将发射天线和接收天线沿前进方向前后安装，发射天线和接收天线的高度均为预设高度，沿着直线向前运动；

44、(2)多普勒信息生成模块，用于根据fs和prf设置合适的合成孔径时间，计算探地雷达在每个方位时刻波束照射位置时的波程和，并产生多普勒信息，生成回波数据。

45、进一步，所述图像处理模块包括：

46、(1)子孔径信号生成模块，用于将仿真数据对应的回波信号分成多个等长的子孔径信号，子孔径信号对应探地雷达的子图像；

47、(2)bp成像模块，用于在直角坐标系下对多个分割的子孔径数据分别进行bp成像；

48、(3)子图像融合模块，用于将子图像逐级融合至统一的直角坐标系，生成最终的探地雷达全图像。

49、进一步，所述介电常数反演模块包括：

50、(1)相位误差函数估计模块，用于通过pga估计得到直角坐标系下的相位误差函数；

51、(2)拟合系数分析模块，用于对相位误差函数进行函数拟合获得拟合系数；

52、(3)介电常数反演模块，用于通过对拟合系数进行分析反演出地下介质的介电常数。

53、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

54、第一、本发明通过建立探地雷达的空间构型，通过模拟实际的平台运动和电磁波传播路径获得仿真回波数据；将回波数据分割成多个长度相等的子孔径数据并进行bp成像；通过子图像的逐级融合，获得探地雷达全图像；通过pga估计得到探地雷达全图像的相位误差函数；对相位误差函数进行函数拟合，根据拟合结果反演介电常数；根据反演结果进行快速成像和剩余误差补偿，生成最终的探地雷达图像。本发明提供的快速成像、误差估计和介电常数反演处理方法具备高精度高效率的特点，在工程中也容易与并行的处理硬件相结合，加快运算速度，实现实时成像和介电常数反演。

55、第二，本发明通过建立探地雷达的空间构型，通过模拟实际的平台运动和电磁波传播路径获得仿真回波数据；将回波数据分割成多个长度相等的子孔径数据并进行bp成像；通过子图像的逐级融合，获得探地雷达全图像；通过pga估计得到探地雷达全图像的相位误差函数；对相位误差函数进行函数拟合，根据拟合结果反演介电常数；根据反演结果进行快速成像和剩余误差补偿，生成最终的探地雷达图像。本发明提供的快速成像、误差估计和介电常数反演处理方法具备高精度高效率的特点，在工程中也容易与并行的处理硬件相结合，加快运算速度，实现实时成像和介电常数反演。

56、第三，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

57、本发明提出了一种探地雷达快速成像及介电常数反演一体化处理方法，该方法解决了探地雷达传统时域成像算法效率低、介电常数误差难以补偿、介电常数难以反演的问题，填补了探地雷达成像领域的相关空白，为探地雷达快速成像、误差估计、介电常数反演提供了一种新的处理方法。

58、第四，本发明提供的探地雷达快速成像及介电常数反演一体化处理方法具有显著的技术进步，以下是一些主要的技术创新点：

59、1)全一体化处理方法：该方法将探地雷达成像、误差估计和介电常数反演集成到一个流程中，提高了处理效率和一致性。这种全一体化方法可以减少数据处理的复杂性和耗时，使得探地雷达成像和介电常数反演更加高效。

60、2)自适应压实系统：引入了自适应压实系统，根据实时反馈调整压实过程，以确保探地雷达图像的均匀性。这种系统可以自动检测和纠正压实不均匀性，提高了成像质量和准确性。

61、3)相位误差估计：通过将生成的探地雷达全图像变换至相位历程域，并使用pga估计，得到了直角坐标系下的相位误差函数。这个步骤为后续介电常数反演提供了基础，使得误差估计更为准确。

62、4)介电常数反演：利用相位误差函数的函数拟合系数进行介电常数反演，这可以更精确地估计地下介质的介电常数。这对于地质勘探和资源勘探等领域具有重要意义。

63、5)真实性模拟数据：建立探地雷达的空间构型，使用模拟数据作为输入，可以更好地模拟实际测试条件，使算法更具现实性。

64、6)快速成像和误差补偿：该方法不仅可以实现快速成像，还能够使用pga估计剩余介电常数误差引起的相位误差并进行补偿。这有助于生成高质量、聚焦良好的探地雷达图像。

65、本发明提供的一体化处理方法通过引入自适应压实系统、相位误差估计和介电常数反演，以及对真实性模拟数据的应用，实现了在探地雷达成像中的显著技术进步，提高了成像的效率和准确性，扩展了其应用领域。