全極化探地雷達正演模擬及極化校準技術
  • 全極化探地雷達正演模擬及極化校準技術:全極化探地雷達正演模擬及極化校準技術
  • 論文關鍵詞:全極化探地雷達正演模擬及極化校準技術
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全極化探地雷達正演模擬及極化校準技術

摘要:探地雷達是用高頻無線電波來確定介質內部物質分布規律的一種探測方法,采用快速、連續、非接的探測方式,具有采集速度快、分辨率高的特點。探地雷達被廣泛的應用于工程、環境、水文地質調查、考古、基礎地質調查、礦產勘查、軍事探測、星球探測等領域。但是探地雷達與其他探測方法一樣,有著一定的局限性。存在穿透能力弱、多次波及其它雜波干擾嚴重、單極化的數據獲取方式提供信息量有限、天線耦合的影響等缺點。傳統的探地雷達的發射接收的都是同一性質的線性極化波,在進行等偏移距測量時,這兩個天線以一定的天間距并排垂直于測線放置,工作時發射天線產生一個與天線長軸方向平行的線性極化波,由線性極化波的性質可知,接收天線對平行于天線長軸方向的電場極化成分最敏感。由于發射天線和接收天線的極化方向相同,所以在接收天線中只有平行于天線長軸方向的電場極化成分能夠被接收到。電磁波與具有多種電磁波視角的目標表面發生作用后,目標會使電磁波極化產生不同程度的旋轉。傳統的探地雷達天線只接收與發射天線相同極化方向的反射波。這就造成了目標體反射信息的缺失。在傳統的探地雷達天線極化方式的基礎上,保持發射天線極化方式不動而使接收天線旋轉90°,定義與測線平行的方向為H極化,與測線垂直的方向為V極化,這樣天線就有四種極化方式,分別是HH、、HV、 VH VV,其中HH和VV為共極化模式,HV和VH為交叉極化模式。基于以上的原理構建了全極化探地雷達系統,該系統是基于目標體反射信號的矢量特性,通過研究反射信號矢量分量之間關系,從而能夠更好的獲取地質體和地質表面的幾何屬性以及結構屬性的信息。本文利用時域有限差分方法編寫了3D-FDTD正演模擬程序,通過獲取不同方向的電磁場分量來模擬全極化測量,對典型目標體進行了正演模擬,獲得了不同位置、不同旋轉角度下目標體的極化響應特征。發現對于類似金屬平板這類的具有單一電磁波視角的目標體極化響應不明顯;而對于類似于三面角反射器之類的具有多電磁波視角的目標體極化響應強烈。繼續深入探討了全極化測量模式下的隨機表面模型和傾斜裂縫模型的極化響應。發現隨機表面的粗糙程度能影響到電磁波的共極化響應和交叉極化響應,并且表面越粗糙,電磁波的交叉極化響應和共極化響應振幅越接近。而對于不同傾角的傾斜裂縫,不同方位角的極化測量的極化響應也不相同,通過獲得的交叉極化響應和共極化響應信息可以對傾斜裂縫的方向角進行近似的求取。全極化雷達系統在進行測量時將不可避免的帶入諸如環境,系統本身的干擾。這時,如果不對極化雷達系統做一些相對振幅和相位的校準,所得到的測量結果將不能準確的反應目標體的響應。因此,校準的目的是確定測量極化散射矩陣過程中四個測量通道的增益(振幅和相位)(HH,HV,VH,VV)以及估計由發射和接收天線引起的交叉極化畸變的增益。一旦將這些校準系數確定下來,就可以確定并移除系統的影響。本文提出了一種新的極化校準方法,利用0°和45°二面角反射器的理論散射矩陣和測量散射矩陣,通過將極化交調項從極化通道不平衡量和輻射校準中分離出來,避免了忽略高階項而帶來的校準誤差,來獲取較準確的極化校準系數。為了驗證該方法的校準效果,利用全極化探地雷達系統進行了極化校準實驗,分別測量了0°、22.5°、45°二面角反射器的測量散射矩陣,計算極化校準系數,分別對0°和45°二面角放射器的測量散射矩陣進行了自校準,同時也對22.5°二面角放射器進行了極化校準。無論從自校準還是極化校準的散射矩陣來看,都得到了很好的效果,特別是交叉極化項,較之以前的方法有了很大的改善。總之,本論文的主要研究內容是利用時域有限差分(FDTD
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