專利名稱：一種平面三層介質(zhì)中電磁波傳播時(shí)延的計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于探地雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種平面三層介質(zhì)中電磁波傳播時(shí)延的計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
探地雷達(dá)是一種有效的無(wú)損探測(cè)技術(shù)。它通過(guò)空域掃描向探測(cè)區(qū)域發(fā)射電磁波并接收散射回波，可實(shí)現(xiàn)對(duì)未知區(qū)域內(nèi)部的成像處理，獲得未知區(qū)域中的隱蔽目標(biāo)參數(shù)，即目標(biāo)分布信息和散射強(qiáng)度信息，有效應(yīng)用于市政工程、考古、地雷探測(cè)、反恐等多種場(chǎng)合。探地雷達(dá)的成像方法有多種，基于“延時(shí)-累加”處理的后向投影成像算法適用于非等間距采樣下對(duì)分層介質(zhì)中點(diǎn)散射型目標(biāo)的成像處理，因而廣泛應(yīng)用于探地雷達(dá)信號(hào)處理中。后向投影成像算法的關(guān)鍵處理步驟是傳播時(shí)延的計(jì)算。對(duì)成像區(qū)域中的每一網(wǎng)格位置(X。，Z。)，根據(jù)探測(cè)掃描場(chǎng)景分別計(jì)算各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線A和接收天線&到成像點(diǎn) (X。，Z0)的電磁波單程傳播時(shí)延。本專利適用于平面三層介質(zhì)環(huán)境下第一層介質(zhì)(空氣) 中各天線測(cè)點(diǎn)到第三層介質(zhì)中各成像點(diǎn)的單程傳播時(shí)延的計(jì)算。對(duì)三層平面介質(zhì)結(jié)構(gòu)的掃描區(qū)域而言，探地雷達(dá)天線位于第一層介質(zhì)，即空氣中， 用于對(duì)整個(gè)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行掃描。整個(gè)成像區(qū)域可分為兩部分，即第二層介質(zhì)部分和第三層介質(zhì)部分。成像處理便是獲得第二層介質(zhì)中各點(diǎn)和第三層介質(zhì)中成像區(qū)域覆蓋的各點(diǎn)的散射強(qiáng)度。在進(jìn)行后向投影成像運(yùn)算時(shí)，對(duì)第二層介質(zhì)中的各點(diǎn)，需要計(jì)算電磁波經(jīng)過(guò)一次折射后的傳播時(shí)延，常用的方法有搜索法、線性近似法參考文獻(xiàn)Ε. M. Johansson, J. Ε. Mast, Three dimensional ground penetrating radar imaging using a synthetic aperture time-domain focusing，in :Proceedings of the SPIE Conference on Advanced Microwave and Millimeter Wave Detectors，2275，1994，pp. 205-214.和雙曲線波前近似法參考文獻(xiàn)Rappaport，C.，A novel, non-iterative, analytic method to find the surface refraction point for air-coupled ground penetrating radar, Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP)，1786-1789， 2011。對(duì)第三層介質(zhì)中成像區(qū)域的各點(diǎn)，需要計(jì)算各成像點(diǎn)到第一層介質(zhì)(空氣)中探地雷達(dá)天線各測(cè)點(diǎn)的傳播時(shí)延。根據(jù)電磁波傳播規(guī)律，電磁波在探地雷達(dá)天線和第三層介質(zhì)中成像點(diǎn)間的傳播要經(jīng)過(guò)兩次折射，即在第一二層介質(zhì)交界面處產(chǎn)生一次折射，在第二三層介質(zhì)交界面處產(chǎn)生第二次折射，如

圖1所示。傳統(tǒng)的時(shí)延計(jì)算方法是通過(guò)兩維搜索獲得單程傳播時(shí)延的極小值，即
權(quán)利要求
1. 一種平面三層介質(zhì)中電磁波傳播時(shí)延的計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟 首先設(shè)定第二層與第三層介質(zhì)交界面處折射點(diǎn)的估計(jì)區(qū)間[Xa，X。]，其中^和X。分別為第一層介質(zhì)中天線測(cè)點(diǎn)A的橫向坐標(biāo)和第一層介質(zhì)中天線測(cè)點(diǎn)A在第三層介質(zhì)中的成像點(diǎn)D的橫向坐標(biāo)；然后在估計(jì)區(qū)間中的每一點(diǎn)均對(duì)應(yīng)一個(gè)傳播時(shí)延值；估計(jì)區(qū)間中任一點(diǎn)\ ‘對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)延值計(jì)算公式為 φ:、=見(O +幻(x。- + (d - ζ。 ，其中￡2和ε3分別為第二介質(zhì)和第三層c介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)值，X。和ζ。分別為第三層介質(zhì)中成像點(diǎn)D的橫向和縱向坐標(biāo)，xr' 為估計(jì)區(qū)間中任一點(diǎn)的橫向坐標(biāo)，d為第二介質(zhì)和第三層介質(zhì)交界面的縱向坐標(biāo)值，cb = 2+ ^ ,k = ^=,K = ni, ε i為第一層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)值，zaΛ nJ wI」 λΜ “1 \ sI為第一層介質(zhì)中天線的縱向坐標(biāo)；最后求取最小的傳播時(shí)延值作為真實(shí)電磁波傳播時(shí)延的估計(jì)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面三層介質(zhì)中電磁波傳播時(shí)延的計(jì)算方法，其特征在于， 通過(guò)一維搜索方法選取最小的傳播時(shí)延值作為真實(shí)電磁波傳播時(shí)延的估計(jì)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面三層介質(zhì)中電磁波傳播時(shí)延的計(jì)算方法，其特征在于， 通過(guò)數(shù)學(xué)解析方法求解最小的傳播時(shí)延值作為真實(shí)電磁波傳播時(shí)延的估計(jì)值；所述的數(shù)學(xué)解析方法為求得所述傳播時(shí)延值計(jì)算公式的一階導(dǎo)數(shù)，令該一階導(dǎo)數(shù)為零，求出對(duì)應(yīng)的 Xr'值，然后再將X/代入傳播時(shí)延值計(jì)算公式計(jì)算得到的傳播時(shí)延值即為最小的傳播時(shí)延值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面三層介質(zhì)中電磁波傳播時(shí)延的計(jì)算方法，其特征在于， 所述的一維搜索方法為等距搜索或最速下降法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的平面三層介質(zhì)中電磁波傳播時(shí)延的計(jì)算方法，其特征在于， 所述的等距搜索方法如下將第二層與第三層介質(zhì)交界面處折射點(diǎn)的估計(jì)區(qū)間[xa，χ0]等分為N份，該N份對(duì)應(yīng)于N+1個(gè)點(diǎn)；在每個(gè)點(diǎn)處，都計(jì)算獲得一個(gè)傳播時(shí)延值，從而獲得N+1 個(gè)傳播時(shí)延值，再通過(guò)逐一比較的方法獲得這N+1個(gè)傳播時(shí)延的最小值作為真實(shí)傳播時(shí)延的估計(jì)值。‘a(chǎn) = 2^Jl + k2 -1，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種平面三層介質(zhì)中電磁波傳播時(shí)延的計(jì)算方法，通過(guò)雙曲線波前近似理論獲得電磁波在第一二層介質(zhì)中由天線位置到二三層介質(zhì)交界面上某點(diǎn)C的傳播時(shí)延。隨著點(diǎn)C在二三層介質(zhì)交界面上的移動(dòng)，總的單程傳播時(shí)延也隨之變化。即可通過(guò)一維搜索或數(shù)學(xué)解析的方法獲得傳播時(shí)延的最小值作為真實(shí)傳播時(shí)延的估計(jì)值，該方法避免了傳統(tǒng)的二維搜索或求解二元四次方程組的計(jì)算方法，大大降低了運(yùn)算量，保證了傳播時(shí)延的計(jì)算精度，適用于探地雷達(dá)實(shí)時(shí)成像處理。
文檔編號(hào)G01S7/02GK102508205SQ201110287608
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者雷文太 申請(qǐng)人:中南大學(xué)