[发明专利]引入天线方向图的探地雷达FRTM算法

说明书

本发明公开了引入天线方向图的探地雷达FRTM算法，使得成像效果和精度获得进一步的改善。修正前的频域逆时偏移成像算法将辐射源视作完美点源，忽略了天线在目标介质中的能量辐射特性随辐射角度和介质参数的变化，本次方法在计算源波场和接收波场时分别点乘成像点到收发天线各自所成夹角的方向图函数进行修正,由修正后的源波场和接收波场得到最终的成像条件，并将所有炮的数据进行叠加进行成像。引入收发天线方向图函数修正后的频域逆时偏移成像算法使得成像效果和成像精度获得了进一步的提升。

技术领域

本发明涉及探地雷达技术领域，具体为引入天线方向图的探地雷达FRTM算法。

背景技术

在中国的嫦娥五号月球探测任务中，MIMO探地雷达系统工作在静止模式并会记录132道探地雷达数据。要求在3个小时内从探地雷达数据中解译出一个电大地下体积的高分辨率三维图像，作为重要的表土钻探任务的指导。为了大大提高计算效率，促进逆时偏移算法在月球探测以及其他工程领域的实际应用，近日相关学者提出了一种基于分层介质格林函数的频域逆时偏移算法。

在探地雷达进行数据采集的过程中，雷达发射天线向目标介质辐射高频电磁波脉冲信号，当电磁波遇到不同介质的分界面时会形成散射并最终由接收天线接收。天线向地下不同方向辐射的电磁波在不同方向上的能量分布一般是不均匀的，这种电磁波的能量辐射特性由天线的方向图来表征。在对雷达数据实施偏移成像时，辐射源通常用完美的理想点源辐射进行代替，然而实际上雷达系统在目标介质中的辐射特性会随着天线型号和背景介质参数等因素发生变化。由于在一般的成像算法中，实际天线的辐射特性被忽略，从而对偏移成像算法的成像效果产生影响。

发明内容

本发明的目的在于提供引入天线方向图的探地雷达FRTM算法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：引入天线方向图的探地雷达FRTM算法，具体包括以下步骤：

步骤1、计算分层介质格林函数，格林函数是成像域中每个网格的每个频率的二阶张量；探地雷达通常在垂直宽边模式下工作，并使用线性极化天线进行发送和接收；这样，探地雷达仅记录电场的一个极化分量；因此，只需计算格林函数的一个分量，如g_yy；而且分层介质格林函数具有对称性和水平平移不变性，因此有：

步骤2、对水平面上的格林函数进行切比雪夫插值，使得分层格林函数的计算进一步加速；

步骤3、利用分层介质格林函数的移不变性，完整成像空间各点的格林函数，并存入磁盘；

步骤4、计算源波场和接收波场，频域上空间的源波场和接收波场频谱可以通过与格林函数做简单的点乘运算获得：

其中，和分别为源波场频谱和接收波场频谱，为激励源在发射天线位置和接收天线位置的并矢格林函数，和分别为接收天线激励信号源频谱和接收电磁场频谱的复共轭，e^-jωT项由逆时外推产生；

步骤5、确定频域逆时偏移成像所需的最少频点数，在实施频率域逆时偏移成像时，频率点数往往需要人为决定，频率点数的多少一方面直接影响并矢格林函数的计算数量，另一方面也是我们在实际利用矢量网络分析仪采集数据的频率采样点数的设置依据；如果采样点数过多将增大并矢格林函数的计算时间和存储量，进一步的在引入天线方向图修正时会造成点源阵列综合方向图数量增多；如果采样点数过少将降低成像结果的精度并产生虚像；考虑到频率域与时间域的傅里叶变换关系，FRTM的频点数应至少满足采样定理要求，采样定理要求时间域的采样频率至少为信号最大频率的两倍才不会发生信号混叠从而保证信号不失真恢复，即：

f_s≥2*f_max