全极化超宽带阵列天线离地探地雷达系统及目标3D成像和极化属性研究

从硬件和信号处理两方面融合全极化技术、超宽带阵列天线技术和离地探地雷达技术，研发新一代不但具有3D成像能力而且具备初步识别分类目标能力的全极化超宽带步进频率阵列天线离地探地雷达系统。.研发适用于探地雷达的全极化超宽带阵列天线，内含HH、VV、HV、VH四种组合方式，能发射、接收全极化超宽带数据；利用此阵列天线构建一套实验室内的探地雷达硬件系统，其发射、接收天线均不接触地表。研究配套的信号处理技术，利用阵列数据压制因离地工作方式等带来的强地表杂波等噪音，结合三维偏移算法进行高精度3D成像，对地下浅表层目标进行定位；研究适用于探地雷达的极化校正和极化分解技术，利用获取的地下目标全极化信息，进行极化属性分析；结合3D映像和极化属性对目标进行初步识别分类。.全极化技术的引入必将丰富探地雷达获取的信息，延伸探地雷达的探测能力。并且此研究能为其他全极化雷达发展对地下目标的成像和识别能力提供有益探

本项目通过正演模拟和实验室测试，对比研究了3中Vivaldi天线的发射电磁波性能，并与1种Slot天线的发射电磁波性能进行了对比。通过正演模拟，圆角圆滑类型的Vivaldi天线与其他的Vivaldi天线相比较，电磁波在天线内部的反射较弱；通过实验室测试, 圆角圆滑类型的Vivaldi天线比其他的天线，回波损耗能量最小，它组成的发射-接收天线对的性能最好。并且具有较好的线性极化性能。. 因为Vivaldi天线具有较好的线性极化性能和扁平的形状，所以选用它为基础构建了全极化天线阵列。首先由两个天线形成三种基本配置单元，含有一种交叉极化配置单元和两种共极化配置单元。再由这三种基本配置单元组合成两种阵列组合模式，分别为十字花形和正方形模式。最后再对这两种模式进行扩展，形成两种不同的全极化天线阵列，分别是十字阵列和矩形阵列。使用金属板目标和金属角反射器目标进行极化测量实验，全角度响应图反映出，全极化天线阵列具有通过目标对共极化和交叉极化的不同响应特征来识别判断目标的能力。同时通过特定的测网,十字阵列具有分别实现共极化和交叉极化的共中心点(CMP)多次覆盖的能力，能通过叠加CMP数据来压制噪音，提高信噪比。. 由超宽带全极化天线阵列、pc控制单元、矢量网络分析仪、开关控制器、三维直角坐标机器人及电缆组件构建形成了全极化探地雷达硬件系统，并开发了相应的控制软件。. 研发了适用于探地雷达不规则数据的有限孔径三维偏移成像。发展了一种改进的有限孔径三维偏移算法，能够不需要预先进行插值处理，可以直接处理不规则的探地雷达数据，获取高质量目标映像，首次实现了手持便携式探地雷达的快速偏移成像。. 研发了探地雷达极化校正技术和极化分解技术。我们发展了一种带有高阶项的全极化探地雷达达校正技术。测量45度角二面体的散射矩阵，通过计算获得交叉通道参数。测量0度角二面体的散射矩阵，并使用交叉通道参数通过计算获得通道失调参数。再用通道失调参数和散射矩阵，计算获得其他的校正参数，组成校正矩阵。在极化校正的基础上，将Freeman分解技术引入全极化探地雷达，对埋藏在沙介质中的二面体、平面板和球三中目标进行了分析，能够进行初步的目标分类。