機載探地雷達(Airborne-GPR)探測機理研究

《機載探地雷達（Airborne-GPR）探測機理研究》是依託吉林大學，由劉四新擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：機載探地雷達(Airborne-GPR)探測機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉四新
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

機載探地雷達無論在民用和軍用方面都蘊藏著巨大的潛在套用價值，可以用於大面積的地質調查或偵察，或人類無法到達的地區，以及危險地區如戰場、雷場等。然而，探測機理的研究不足影響了該技術的套用。為了促進機載探地雷達的套用，本研究利用理論分析的方法研究飛行參數和機載探地雷達測量的關係，如飛行速度、高度等和數據採樣率的關係；利用數值模擬的方法研究機載探地雷達天線問題，如天線的輻射姿勢包括側視（Side-looking）、底視（Nadir-looking）的優缺點。研究雷達波遇到地面時電磁能量散射問題以及雜波的形成機理，並研究不同的地面起伏情況下雜波的消除辦法以及相應的數據處理方法和成像手段。這些研究的開展，將為我國機載探地雷達的進一步研究、開發和套用奠定理論支撐和研究開發基礎，推進我國該領域科學技術的發展，將為航空物探家族增添新的成員。無論從學術角度看，還是從套用角度看，都顯得非常重要。

結題摘要

探地雷達是一種利用電磁波進行無損探測的淺層地球物理技術，被廣泛套用於考古學，冰川學，礦產勘查，以及環境與工程等領域。對於植被嚴重覆蓋的區域, 或人類無法到達的危險地區如戰場、雷場等，常規的探地雷達則顯得無能為力，然而機載探地雷達（Airborne GPR） 卻是一種有效的探測手段。相比於常規探地雷達，由於機載探地雷達的天線距離地表較高,機載探地雷達的探測機理變的更為複雜。影響機載探地雷達探測效果的因素主要有天線極化方向、天線高度以及地表粗糙度等，為了研究這些因素與機載探地雷達探測效果之間的關係，採用三維時間域有限差分（3D-FDTD）方法對沙漠地區地下空洞掩體機載探地雷達探測進行數值模擬，並分析各因素對探測效果的影響。 探地雷達天線是探地雷達系統最重要的部件之一，為了尋求一種適合於機載探地雷達套用的雷達天線，本課題中首先用數值模擬的手段對各種典型的雷達天線進行了仿真，得到各種典型天線包括偶極子天線，蝶形天線，螺旋天線等天線在不同電尺度下的回波損耗，三維增益，二維方向圖等參數。在此基礎上，我們對平板偶極子天線進行了電阻載入仿真，並製作了電阻載入偶極天線，此外巴倫的引入進一步拓寬了偶極天線的頻寬。本課題研究中，製作了不同頻率的載入偶極天線，測試表面製作的平板偶極天線具有良好的特性，適用於基於網路分析儀的機載雷達野外試驗。 機載雷達實驗部分包括物理模擬實驗和野外實驗部分。通過數值模擬的手段，我們得知機載雷達能夠對地下目標體進行探測。而實際的探測與數值模擬之間存在著很大的不同，為了驗證機載雷達探測的可行性，我們首先用美國GSSI雷達在沙槽中開展物理模擬實驗，繼而用自製的機載偶極天線，基於網路分析儀，在野外實現了機載雷達的探測。通過數值模擬我們得知，粗糙的地表會導致電磁波的散射，地表散射而損耗的電磁波能量越多，散射雜波的能量相應的越強，同時，穿透到地下的電磁波能量相應的就越少，來自地下目標體的反射波能量就越弱。反映在雷達剖面中圖像解析度降低，不利於機載探地雷達探測的開展。為了消除複雜地表情況下散射雜波的影響，我們採用疊前逆時偏移技術對共炮點雷達數據進行偏移，偏移結果顯示逆時偏移成像使地下目標體反射波聚焦，聚焦位置很好的刻畫了異常體的空間位置、幾何形態及尺寸大小，同時，可以地表散射雜波歸位，起伏的地形在偏移後的剖面中得到刻畫。 達到預期效果。