雷达反演与信号识别05-1129
雷达反演与信号识别
彭苏萍、杨峰（矿业大学）
邵丕彦张佰战（铁道科学院）
一、研究的意义
地质雷达探测是近些年发展起来的一项高新技术，该技术利用主频为数十兆赫至千兆赫波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由地面通过天线发射器发送至地下，经地下目的体或地层的界面反射后返回地面，为雷达天线接受器所接受，通过对所接受的雷达信号进行处理和图像解译，达到探测前方目的体的目的。由于地质雷达探测速度快、精度高，以及对原物体无破坏作用，所以在这种方法在工程水文地质、工程无损检测、环境和地下水调查等诸多领域得到广泛的应用
铁路是我国重要的交通枢纽，铁路建设的长度也是一个国家经济发展的标志之一。近年来，我
国铁路建设的增长速度很快。尤其2000年初，党中央、国务院批准了关于西部大开发展战略的初步设想，在此方针政策的指导下，随即拉开了西部铁路建设的序幕。洛湛铁路、渝怀铁路、青藏铁路等线路先后开始建设。铁路建设施工质量是困扰铁路快速发展的一个方面，也是直接影响到将来铁路运营是否通畅的一个关键，更是影响国民经济发展一个重要因素。因此对铁路建设的施工质量检测是亟待解决的难题。为此，铁道部成立工程质量监督站，对铁路的施工质量进行全面监督。
铁路建设的施工质量检测主要包括以下方面：
1、隧道衬砌厚度检测。检测衬砌的施工厚度是否达到设计要求。
2、隧道衬砌质量检测。检测衬砌内部的施工质量，如施工的裂缝发育程度、施工钢筋加固部位及是否发生形变等。
3、隧道衬砌回填质量。是否采用片石回填、衬砌与岩石间是否存在空洞等，为隧道的注浆加固提供依据。
4、铁路路基的病害探测：探测铁路路基下方是否存在空洞、软基等影响路基质量的病害。
5、铁路路基施工质量检测：检测铁路路基是否按设计要求进行铺设等。
6、铁路路基在运营过程中是否产生塌陷，路基质量是否受到损害。
7、铁路挡墙施工是否达到设计要求。
8、铁路挡墙内部施工质量是否存在空隙等病害。
对施工质量的评价，可以采用钻孔取样的方法实现。但是钻孔取样存在以下明显缺点：首先它破坏施工工程的完整性；其次仅凭借一孔之间，很难对整个工程的质量做出全面的评价；第三费用高、速度慢。由于以上原因，目前的质量检测多采用地球物理的方法来进行。地球物理技术经过几十年的发展，方法、技术、设备越来越成熟可靠。目前常用的技术有：声波探测、地震探测、电法探测、放射性探测、电磁波探测等。对于铁路施工质量检测存在以下限制条件：1、可操作的空间较小，这就要求设备具有小巧灵活的特点，只有这样才能满足现场工作的需要；2、质量检测是一种近距离小异常探测，这就要求设备的精度很高，同时具备较高的分辨率。
地质雷达探测技术属于高分辨率的探测仪器，它利用高频宽带天线作为发射源，同时利用高
频宽带天线对反射的信号进行接收。主频信号一般都在10MHz以上。雷达探测技术的高分辨率主要表现在以下三个方面：
（1）高频特性：雷达发射电磁波的主频越高，其波长越短，因此它的空间分辨率越高。例如：采用500MHz主频的天线进行探测，如果电磁波在某介质中的传播速度为0.1米/纳秒，其波长为0.2米，若取1/8波长作为其分辨率，那么从理论上说主频500MHz电磁波的分辨率为0.025米。同样如果采用1000MHz主频的天线进行探测，它的理论分辨率可以达到0.0125米。
（2）宽频特性：雷达发射电磁波的主频越宽，它的空间分辨率越高。在实际工作中，我们希望能
在空间和时间域上，能发射和接收单一脉冲的电磁波信号，从信号分析的理论可以知道，频率越宽，相应的空间和时间域上的信号越窄，越窄的信号具有越强的空间和时间上的分辨率。单一频率信号在空间和时间上表现为一种该频率的正旋或余旋等振幅的振荡信号，其在空间和时间上的分辨率几乎为零。
（3）仪器内部的干扰信号。首先主要表现为天线与发射器、接收器的阻抗的不匹配，在此间进行能量的反射，这种能量的发射不仅减小了天线的发射功率，同时在此间产生的振荡信号对有效波也是一种很大的干扰。其次表现为天线尾部端的反射振荡干扰。
电磁波在地下介质传播过程中，极其复杂的。这种高频、宽频信号在地下介质中传播是一种有损耗的传播过程，它的反射、透射等现象不仅与介质的导电率有关、还和介质的介电常数相关。
首先在线性介质中传播。从电磁场理论可以知道，当电磁波在无限线性变化的导电介质中传播时，在电磁场的作用下，使导电介质中的自由电荷作宏观移动，激起传导电流，必然有一部分电磁能转换为焦耳热能，引起能量损耗，这种能量损耗除了与导电介质的电磁性质相关外，还与电磁波的频率有密切关系。损耗使电磁场随传播距离衰减，使得离探测点远的目标引起的散射场很小，从而损失了信息；由于高频信号信息损失多，低频信号损失少，所以远处目标题散射的细节信息损失较大，这就影响了细节的分辨。
其次，除了远处目标题能量损失的大小不同外，高频、宽频信号在导电介质传播过程中存在频散现像，即不同频率的成分波的传播速度不一样。因此深部的雷达反射信号不能凭借单一
的频率信号来进行描述，必须用合成波速度来描述。
可见，电磁波在导电介质中的传播过程是个极其复杂的过程，它破坏了发射电磁波的高频、宽频的某些特性。现在的雷达探测技术的资料处理和解释都是单单从低频振动的原理进行的，这种处理和解释方式不可避免存在某些误差。这些误差的存在，其直接原因就是没有真正去认识、理解和应用电磁波在导电介质内的规律。雷达探测技术经过近十年的发展，目前在研究技术领域大都停留在仪器设备上。从处理分析方法上来看，仍然没有突破。
正则化反演为了能更好使用地质雷达技术解决实际问题，我们首先要认识高频、宽频雷达波的传播规律，只有在此基础上，才能进一步提高地质雷达资料的处理解释的精度，才能进一步提高地质雷达探测的可靠性，才能更好地发挥雷达这种高新技术的应用职能。在理论上，也能进一步认识和补充电磁波在导电介质中传播特性。因此本课题的研究具有重要的现实和理论价值。
二、研究方案
（一）研究目标：
在理论上，建立高频、宽频电磁波在导电介质中的数学模型，并建立相应的反演计算公式。反演计算是为了补偿雷达波（高频、宽频电磁波）在传播过程中能量损耗和拓宽电磁波频谱域范围。
在实际应用中，理论模型和物理模型结合。建立与理论模型对应的物理模型，通过对比两者之间的信号来优化反演计算公式和建立信息提取计算的数学模型。
最后通过反演技术、信号处理手段和信息识别提取技术，达到识别目标反射信号的目的，达到高精度探测隐蔽工程缺陷的目的。
（二）研究内容：
本项目研究内容包括如下方面：
（1）建立数学模型；
（2）建立与数学模型相应的物理模型；
（3）确立理论反演公式；
（4）将不适定的反演正则化；
（5）获取数据和对数据的处理；
（6）提取有效信号，对信号进行识别分析。
（三）解决的关键问题：
（1）不均匀线性数学模型的建立；
（2）非线性数学模型边界条件的建立；
（3）反演计算中约束条件的确定；
（4）反演计算中，不同角度观测、不同频率、不同带宽等多参数联合反演混合计算公式建立；（5）数学模型和物理模型间关系参数的建立；
（6）信号识别和提取。
（7）实际应用中分别与数学模型和物理模型之间反演计算的优化。

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