[发明专利]引入天线方向图的探地雷达FRTM算法

摘要

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。

主权项

1.引入天线方向图的探地雷达FRTM算法，其特征在于，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，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其中，f_s为采样频率，f_max为信号的最大频率。由时域和频域的对应关系可得：其中，f_max和f_min为FRTM的最大频率和最小频率，N为频率逆时偏移使用的频点数，T_max为成像的最大时窗。因此，频点数N需满足以下关系式：N≥2*T_max(f_max‑f_min)+1步骤6、获取实际雷达系统中天线的方向图，真实天线的能量辐射与电磁波的频率和介质的性质有关，最后由接收天线接收的能量信号更是连续频点下能量辐射特性共同作用下的结果。