[发明专利]基于高自由度的多输入多输出钻孔雷达高效率成像方法

说明书

本发明公开了基于高自由度的多输入多输出钻孔雷达高效率成像方法，本方法通过提高多输入多输出钻孔雷达采样数据的成像自由度，在高自由度采样数据矩阵中完成采样空间到目标空间的变换，实现对多输入多输出钻孔雷达采样数据的高效率高精度成像；本发明所提出的成像方法消除了多输入多输出钻孔雷达不同收发阵元可变间距对成像的影响，在扩展后的高自由度采样空间中利用快速傅里叶变换获取采样数据的频率波数谱，并桥接采样空间与目标空间，获取目标空间成像结果，实现对多输入多输出钻孔雷达采样数据的高效率高精度成像，提升多输入多输出钻孔雷达在实际工程中的应用价值。

技术领域

本发明涉及属于雷达成像技术领域，涉及钻孔雷达目标成像技术，尤其是基于高自由度的多输入多输出钻孔雷达高效率成像方法。

背景技术

钻孔雷达成像技术是地下目标探测和识别的关键技术之一，在裂缝和空洞探测、水文地质学和地质勘探等领域已得到广泛应用。与光学遥感方法相比，钻孔雷达成像技术具有全天候可操作性和更优的物质穿透性。然而，由于地下探测环境的复杂性，单基和双基钻孔雷达成像系统容易受到强杂波干扰，目标有效反射信号通常被强杂波信号淹没而无法辨识。

借助于日益发展的多输入多输出技术，钻孔雷达能够从多个观测角度对地下目标进行探测，有利于对地下强杂波进行抑制，改善系统信杂比。然而，由于多输入多输出钻孔雷达系统的不同收发阵元间距是不同的，现有的雷达成像算法无法对多输入多输出钻孔雷达采样数据进行高效准确的成像。因此有必要发展适用于多输入多输出钻孔雷达系统的高效可靠成像方法。

目前现有的雷达成像算法中，后向投影算法虽然能够在时域中灵活地消除不同探测位置所引入的目标回波延时的影响达到目标聚焦的效果，但是后向投影算法仅仅保留了电磁波的运动学特征，其成像结果容易出现高旁瓣等不利特征。此外，后向投影算法的计算复杂度会随着采样规模的增大而迅速上升，成像效率较低。相比较后向投影算法，Kirchhoff偏移算法基于波动方程在单基雷达成像应用中能够获取更精确的成像结果，但计算复杂度更高。而且，Kirchhoff偏移算法没有考虑多输入多输出钻孔雷达的可变收发间距问题，在多输入多输出钻孔雷达成像时会出现定位偏差。

同样基于波动方程，Stolt偏移算法在频率波数域中能够借助于快速傅里叶变换获取采样数据的频率波数谱并建立采样空间到目标空间的变换，具有很高的成像效率。然而，Stolt偏移算法同样没有考虑多输入多输出钻孔雷达的可变收发间距问题，在处理非单基雷达成像时会出现定位偏差。

现有的雷达成像算法在多输入多输出钻孔雷达成像应用中的定位精度较差且效率低下，制约了多输入多输出钻孔雷达系统在实际工程中的应用。

发明内容

本发明目的是通过引入多输入多输出钻孔雷达发射单元的空间维度，提高采样数据的成像自由度，消除多输入多输出钻孔雷达不同收发阵元可变间距对成像的影响，在扩展后的高自由度采样空间中利用快速傅里叶变换获取采样数据的频率波数谱，并桥接采样空间与目标空间，获取目标空间成像结果，实现对多输入多输出钻孔雷达采样数据的高效率高精度成像，提升多输入多输出钻孔雷达在实际工程中的应用价值。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案是，基于高自由度的多输入多输出钻孔雷达高效率成像方法，包括以下步骤：

步骤1：利用具有多个接收阵元和多个发射阵元的钻孔雷达系统对井周介质的雷达回波进行采样，建立p维多输入多输出采样数据矩阵u＝[u₁,u₂,…,u_M]，u_M为第m个发射阵元开启时所有接收阵元获得的采样数据矩阵；利用均值滤波去除多输入多输出采样数据矩阵u中的直接耦合信号及其他干扰信号，建立M个发射阵元的坐标向量表x，M个发射阵元的空间维度为q；

步骤2：初始化p+q维数据矩阵s，p为步骤1中的采样数据矩阵维度；s内的单元数据均为零，初始化m＝1；