一種基于超寬帶探地雷達的地下淺層目標探測技術研究

聞海達 雷杰 瞿詩華

摘? 要：本文討論了一種基于主分量分析的對地雷達探測技術，該技術能夠有效探測和定位地下埋藏的低金屬雷目標。與金屬探雷器相比，能有效降低實際環境中普遍存在的金屬碎片引起的大量虛警。所研究的基于主分量分析的對地雷達探測技術具備在強雜波背景下探測低金屬雷微弱信號的能力，通過進一步深入研究該技術可以在將來的探掃一體化探雷裝備中進行廣泛應用。

1引言

現代戰爭中使用了大量的地雷，從而在戰后遺留下數量龐大的未爆彈。它們可能在被布設或遺棄數十年后爆炸，存在致命且不穩定的危險，嚴重影響了戰后重建和生產生活，在全世界產生了廣泛而巨大的社會和經濟問題。因此，檢測和排除地雷已經成為世界各國國防事業的必要一環。

金屬探測器對金屬雷的探測取得了一定效果。然而，在實際應用中，地雷周圍往往存在廣泛而又大量分布的金屬彈片，金屬探測器對所有金屬產生的報警信息往往淹沒了低金屬雷相對較少的信息，從而產生大量的虛警，嚴重影響了對真實反步兵雷的探測效率。

本文使用一種超寬帶連續波步進頻體制實現對地探測。該技術所采用的利用較小瞬時帶寬信號合成超寬帶等效工作帶寬的體制，解決了探地雷達系統必須兼有對地高穿透探測性能和高分辨率的矛盾。同時，探地雷達系統的工作環境下存在非常強的直達波信號和地雜波信號。而低金屬雷目標的反射截面積又非常有限，這就使得在進行淺層目標探測時處理直達波信號和地雜波信號非常關鍵，在加上地雜波一定程度上的非平穩特性，又對探地雷達技術提出了非常高的要求。

在現有的探雷系統中，往往采用和目標特性相關的參數化處理方法，這使得對未知類型的地雷探測性能受到了很大限制。傳統的平穩信號處理方法又存在著對強雜波抑制效果不足的情況，由于強地面雜波總是疊加在目標信號上的，微弱的目標信號從強度上遠遠不能滿足對抗強雜波的需求，這就使得研制能夠有效探測低金屬雷的手持設備成為了非常迫切的問題。

針對現有探地雷達系統探測效果上的不足，以及對降低探測過程中的虛警概率，我們在深入分析地雷回波信號模型的基礎上，做了廣泛深入的技術調研、系統設計與實驗測試，在大量研究雜波和目標特性的基礎上，結合實驗測試中得到的雜波規律，研制了一種適用于手持式探測系統的探地雷達系統，該系統能夠抑制強雜波的干擾，同時也大大減少了金屬探測器的虛警概率，實現了對低金屬雷的有效探測。

本文在討論超寬帶探地雷達系統的基本原理和回波模型的基礎上，主要闡述兩點：第一，與傳統參數化信號處理方法相比，非參數化信號處理方法在探測過程中對環境和目標的適應性更強;第二，通過優化算法結構與參數，能夠有效降低對小金屬碎片的虛警概率。

2雷達探測技術驗證平臺

2.1平臺概述

本文采用的超寬帶步進頻探地雷達信號源頻率介于L波段和S波段之間，發射天線為平面螺旋天線，具有極化特性，系統工作時天線序貫發射一串窄寬帶脈沖，各脈沖載頻均勻步進，串脈沖回波信號在被接收時系統用和它載頻相應的本振信號進行混頻，之后對混頻得到的中頻信號進行A/D采樣和解調處理，然后進行逆傅里葉變換，最后系統對變換結果進行處理后完成目標檢測。

2.2信號模型

3.目標檢測算法

3.1探地雷達回波數據

運用固定的超寬帶步進頻雷達能夠得到目標的A-Scan數據，用探地雷達在目標上方進行均勻掃描能夠得到多組目標的A-Scan數據，從而組合得到目標的B-Scan數據，掃描過程如圖1所示：

本文運用探地雷達天線掃描目標得到的目標B-Scan數據確定目標所在位置。

目標B-Scan數據中包含目標自身信號和巨大的地表回波信號，同時地下地層內各種雜質也會反射各種雜波，要提取出清晰的目標信號加以識別是一個復雜的過程，本文使用了主成分分析的算法在B-Scan數據中找到與目標相關的主成分信號抑制強雜波完成目標的檢測和定位。

3.2主分量分析算法

主分量分析算法是一種基于子空間投影的一種非參數化的雜波抑制方法，它通過將接收數據分解成相互正交的子空間，通過分離信號子空間和雜波噪聲子空間的途徑實現目標信號的分離。

在本文所述的基于超寬帶探地雷達的地下淺層目標探測技術中，由主元分析得到的重構矩陣很大程度上抑制了能量較強的雜波分量，從而使得期望目標回波引起的能量變化在重構數據中較為顯著的呈現出來。依據重構信號矩陣繪制目標掃描數據，最終在探測過程中對地下淺層目標的存在與否做出判決。

4算法仿真

為了驗證本文理論分析的結果，我們對超寬帶探地雷達系統的回波數據進行了仿真。仿真平臺設置的信號帶寬為3GHz，橫向掃描范圍0.8米，弱目標埋藏在地下淺層，由于地表介質的不連續，在土壤分界面上產生了很強的地表雜波回波，如圖2a所示。在強雜波背景下很難分辨出目標回波。

采用本文所述的子空間方法抑制雜波后的回波信號如圖2b所示。該結果表明，地表雜波得到了極大抑制，地下目標信號凸顯出來，這使得目標回波信號更易于檢測。

該仿真結果正式了基于子空間方法抑制強雜波算法的有效性，以此作為基于超寬帶探地雷達的地下淺層目標探測的核心算法，再使用常規處理方法，在二維數據平面上大大提高了目標檢測性能。

5實驗結果

1. 實驗環境與檢測目標

我們在情況較為復雜的粘土環境下測試了探地雷達系統對低金屬雷的檢測概率和測距精度，同時測試了系統對非有效目標的虛警概率，非有效目標是我們在試驗場地人為加入的干擾目標，本實驗中使用的器件為小螺釘，如圖3。

實驗過程中，低金屬雷埋在地表以下，我們手持探地雷達極化收發天線以大約60cm/s的速率在地表上方勻速來回平移，對目標進行多次掃描，錄取回波數據在系統中進行處理。5.2試驗結果

利用超寬帶步進頻信號結合主成分分析算法對地下埋藏的淺層目標進行探測掃描，本文分別在埋藏低金屬雷和金屬干擾目標兩種情況下進行了實驗，以檢驗該算法在實際使用中的效果。

1. 實驗1

在第一組實驗中，地面土壤為粘土，目標為低金屬雷，埋藏在地下10公分的深度，實驗過程中我們手持超寬帶探地雷達系統在目標上方往返掃描了5次。探地雷達系統掃描地表所得到的數據經過本文算法處理后得到的等高線圖如圖4所示。

圖4清晰地給出了低金屬雷存在的指示信息。圖中，橫坐標表示時間序列，縱坐標表示回波時延，其中等高線密集變化的區域對應5次往返掃描中恰好經過目標上方的位置。該實驗表明，基于超寬帶探地雷達的地下淺層目標探測技術能夠有效檢測到低金屬雷的存在。

1. 實驗2

在第二組實驗中，地面土壤為粘土，地下埋藏有以小螺釘為代表的金屬干擾物，實驗過程中我們手持超寬帶探地雷達系統在小螺釘上方往返掃描了6次，探地雷達系統掃描地表所得到的數據經過本文算法處理后得到的等高線圖如圖5所示。

圖5中反映的信息準確的指示出地下沒有低金屬雷的存在。圖中，橫坐標表示時間序列，縱坐標表示回波時延。該實驗表明，我們的探地雷達系統在小螺釘這類物體存在的情況下有效地抑制了虛警。該實驗也表明，對地下淺層目標探測過程中廣泛分布的淺埋不連續突變異物，非參數化信號處理方法在探測過程中對環境和目標表現出了很強的適應性。

6.結束語

本文介紹了一種基于主分量分析的低金屬雷探測技術，這種技術能夠很好地抑制地表和地下多種雜質引起的雜波，實驗結果表明該技術在情況較為復雜的粘土地測試環境中在對反步兵低金屬雷具有較高的檢測效率，同時能夠很好的抵抗測試場景中的多種虛警因素。這種新型的低金屬雷探測技術是將來非常有潛力的研究方向，可以在將來的探掃一體化探雷裝備中得到廣泛的應用。