本技術(shù)涉及無人機(jī)探地雷達(dá)地下目標(biāo)探測，尤其涉及一種無人機(jī)探地雷達(dá)雜波抑制方法及收發(fā)陣列裝置。

背景技術(shù)：

1、無人機(jī)探地雷達(dá)是傳統(tǒng)探地雷達(dá)與無人機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物，隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和探地雷達(dá)小型化的實(shí)現(xiàn)，為無人機(jī)探地雷達(dá)無損檢測技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2、探地雷達(dá)（gpr）是一種利用甚高頻vhf(30~300兆赫茲)、特高頻uhf(300~3000兆赫茲)的電磁波探測地下結(jié)構(gòu)的地球物理工具。探地雷達(dá)通過發(fā)射天線朝地下輻射電磁波，當(dāng)?shù)貙又袀鞑サ碾姶挪ㄓ龅诫妼W(xué)參數(shù)（介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率）存在差異的界面時(shí)便會(huì)產(chǎn)生反射，根據(jù)接收天線接收到的部分反射波信號(hào)可獲取地下結(jié)構(gòu)及目標(biāo)屬性信息。探地雷達(dá)的搭載方式多樣，依據(jù)不同的應(yīng)用需求和勘探場景，可以選擇不同的搭載平臺(tái)。傳統(tǒng)的探地雷達(dá)主要采用地面搭載方式，一般以手持、手推及車載等模式進(jìn)行無損檢測或探測，其收發(fā)天線通常緊貼地面或收發(fā)天線端口距離地面一定高度（一般小于1米）。地面搭載的探地雷達(dá)在復(fù)雜地形或障礙物較多的環(huán)境中（如山區(qū)、冰川、沼澤、沙漠或大型建筑物等）以及測量人員無法到達(dá)的條件下實(shí)施困難或無法實(shí)施；此外，對(duì)于大面積或長距離的快速探測或巡檢需要，也存在一定的局限性。

3、隨著無人機(jī)和探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)探地雷達(dá)作為一種新興技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，正在逐步滿足人類對(duì)復(fù)雜地形的勘探需求。雖然無人機(jī)探地雷達(dá)在硬件方面的技術(shù)逐漸趨于成熟，但在信號(hào)處理方面仍存在較大的挑戰(zhàn)，如雜波抑制和弱信號(hào)提取是無人機(jī)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過程中的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，這些問題直接影響地下目標(biāo)物的檢測能力、探測精度及識(shí)別效果。其中，雜波是指無人機(jī)探地雷達(dá)回波信號(hào)中與目標(biāo)信號(hào)無關(guān)的干擾成分，包括地表反射、收發(fā)天線耦合信號(hào)、電磁干擾等。雜波的存在會(huì)顯著降低系統(tǒng)的探測性能、目標(biāo)分辨能力和數(shù)據(jù)解讀的可靠性。在無人機(jī)探地雷達(dá)工作過程中，機(jī)體搭載的收發(fā)天線端口通常距離地面有一定的高度（通常大于1米），此時(shí)地面反射波信號(hào)較強(qiáng)；發(fā)射天線從饋電端開始輻射電磁波信號(hào)，在傳播過程中，該信號(hào)通過空氣介質(zhì)逐步耦合至接收天線，形成顯著的空間耦合效應(yīng)，耦合信號(hào)強(qiáng)度較高；同時(shí)，由于地表土壤、砂石等為非均勻損耗媒質(zhì)，導(dǎo)致進(jìn)入地層的部分電磁波存在散射。地下探測目標(biāo)的有效回波信號(hào)屬于弱信號(hào)，且易淹沒于直耦波和地面反射波之中，因此探究如何抑制雜波并提取地下目標(biāo)的有效回波信號(hào)對(duì)無人機(jī)探地雷達(dá)地下目標(biāo)的探測與識(shí)別尤為重要。

4、雜波抑制可以提高信噪比（snr）、減少誤報(bào)警和漏報(bào)警、提升目標(biāo)分辨能力、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、提高數(shù)據(jù)處理效率、提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位、增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性、支持高階算法的實(shí)施、降低決策風(fēng)險(xiǎn)等。目前，雜波抑制主要采用信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)、時(shí)間-頻率分析、噪聲抑制、機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)等方式實(shí)現(xiàn)，但這些雜波抑制方式主要采用信號(hào)處理方式對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理以實(shí)現(xiàn)雜波抑制。

5、而通過物理層優(yōu)化和硬件預(yù)處理實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集前雜波抑制方案研究較少。例如在一種三角陣的探地雷達(dá)天線裝置中，其利用桶型屏蔽外殼屏蔽四組天線組之間的耦合，通過延時(shí)疊加求和的方式提高信噪比，以增強(qiáng)目標(biāo)區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度。但該方式對(duì)時(shí)延精度敏感、對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)適應(yīng)性差，且計(jì)算復(fù)雜度與實(shí)時(shí)性矛盾，以及存在信號(hào)混疊殘留等問題。雖然該方案公開一種數(shù)據(jù)采集前雜波抑制手段，但其該方案更適合對(duì)信號(hào)完整性、實(shí)時(shí)性要求不高的場景；而主流的采集后雜波抑制方案依賴算法靈活性，適用于需動(dòng)態(tài)調(diào)整的復(fù)雜環(huán)境，但需權(quán)衡計(jì)算成本與性能損失，難以滿足無人機(jī)探地雷達(dá)回波信號(hào)有效提取的實(shí)際需求。?

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供了一種無人機(jī)探地雷達(dá)雜波抑制方法及收發(fā)陣列裝置，旨在解決現(xiàn)有無人機(jī)探地雷達(dá)回波信號(hào)中地面反射波和空氣耦合波難以有效抑制的問題，為地下目標(biāo)弱回波信號(hào)的有效提取提供一種新方案。

2、本技術(shù)一方面提供了一種無人機(jī)探地雷達(dá)收發(fā)陣列裝置，該裝置包括收發(fā)天線陣列、脈沖信號(hào)源和天線掛架；

3、其中，天線掛架呈交叉型結(jié)構(gòu)，其中心位置為圓臺(tái)形盒體，圓臺(tái)形盒體的側(cè)面設(shè)置有多個(gè)活動(dòng)連接的中空結(jié)構(gòu)且等長的支臂，相鄰支臂的夾角可調(diào)，每條支臂的末端固定一個(gè)發(fā)射天線；圓臺(tái)形盒體的中心為一個(gè)可調(diào)節(jié)長度的伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)，伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)的中心位置設(shè)置有同軸電纜連接器?，用于連接接收天線；即本技術(shù)通過伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)的中心位置的同軸電纜連接器?，可以與接收天線實(shí)現(xiàn)硬連接；通過調(diào)節(jié)伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)的伸縮尺度可以調(diào)整接收天線的高度，通過調(diào)節(jié)伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)的軸向旋轉(zhuǎn)方向可以調(diào)整接收天線的端口朝向；

4、收發(fā)天線陣列包含多組互易收發(fā)天線，每組收發(fā)天線均包括兩個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接收天線，且各組收發(fā)天線共用同一個(gè)接收天線；其中，每組收發(fā)天線的兩個(gè)發(fā)射天線部署于天線掛架的兩條支臂末端，與部署于伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)的中心位置的接收天線構(gòu)成一組收發(fā)天線；

5、脈沖信號(hào)源用于為同組的兩個(gè)發(fā)射天線同時(shí)饋入波形特征相同但反相的激勵(lì)信號(hào)；

6、在工作狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)支臂位置，使得同組的接收天線位于同組的兩個(gè)發(fā)射天線的天線饋電點(diǎn)連線中點(diǎn)處，同組的三個(gè)天線呈“一”字排開；通過調(diào)節(jié)伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)的軸向旋轉(zhuǎn)方向使得每組收發(fā)天線的接收端口和激勵(lì)端口在一條直線上，通過調(diào)節(jié)伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)的伸縮尺度使得同組的兩個(gè)發(fā)射天線和接收天線的天線端口在同一水平高度。

7、進(jìn)一步的，還可以將支臂設(shè)置為穿過圓臺(tái)形盒體的通臂，該通臂通過中心點(diǎn)在圓臺(tái)形盒體的中心位置處活動(dòng)連接（相鄰支臂的夾角可調(diào)），進(jìn)而將同組收發(fā)天線的兩個(gè)發(fā)射天線部署于同一條支臂的兩端，以使得同組的三個(gè)天線“一”字排開；從而直接使得接收天線位于同組的兩個(gè)發(fā)射天線的天線饋電點(diǎn)連線中點(diǎn)處，而省去在工作狀態(tài)對(duì)支臂位置的調(diào)整，以達(dá)到三個(gè)天線“一”字排開的結(jié)構(gòu)。此時(shí)對(duì)應(yīng)的無人機(jī)探地雷達(dá)雜波抑制方法及收發(fā)陣列裝置具體為：天線掛架呈交叉型結(jié)構(gòu)，其中心位置為圓臺(tái)形盒體，圓臺(tái)形盒體的側(cè)面設(shè)置有多個(gè)穿過圓臺(tái)形盒體的中空結(jié)構(gòu)的支臂，該支臂通過其中心點(diǎn)在圓臺(tái)形盒體的中心位置處活動(dòng)連接；?收發(fā)天線陣列包含多組互易收發(fā)天線，每組收發(fā)天線均包括兩個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接收天線，且各組收發(fā)天線共用同一個(gè)接收天線；其中，每組發(fā)天線的兩個(gè)發(fā)射天線部署于天線掛架的同一條支臂的兩個(gè)末端，與部署于伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)的中心位置的接收天線構(gòu)成一組收發(fā)天線；且同組的兩個(gè)發(fā)射天線與接收天線的間距相等；脈沖信號(hào)源用于為同組的兩個(gè)發(fā)射天線同時(shí)饋入波形特征（如信號(hào)樣式、振幅、頻率、周期等參數(shù)）相同但反相的激勵(lì)信號(hào)；在工作狀態(tài)時(shí)，通過調(diào)節(jié)伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)的軸向旋轉(zhuǎn)方向使得每組收發(fā)天線的接收端口和激勵(lì)端口在一條直線上，且保證天線的極化方向相同；通過調(diào)節(jié)伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)的伸縮尺度使得同組的兩個(gè)發(fā)射天線和接收天線的天線端口在同一水平高度。

8、與現(xiàn)有的三角陣的探地雷達(dá)天線裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，本發(fā)明的無人機(jī)探地雷達(dá)收發(fā)陣列裝置由多組收發(fā)天線組成，且各組收發(fā)天線共用一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的接收天線；每組收發(fā)天線包含兩個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接收天線，且接收天線到兩個(gè)發(fā)射天線的距離相等，三個(gè)天線呈“一”字排開，且三個(gè)天線端口處于同一水平高度；每組收發(fā)天線中，發(fā)射天線位置固定，各組共用的接收天線可沿軸向方向旋轉(zhuǎn)，確保每次測量時(shí)組內(nèi)收發(fā)天線的極化方向相同。

9、即本發(fā)明中，由于同組的兩個(gè)發(fā)射天線位于相鄰的支臂末端，且支臂等長，同組的接收天線位于天線掛架的中心位置處，且接收天線位于同組的兩個(gè)發(fā)射天線的天線饋電點(diǎn)連線中點(diǎn)處；同時(shí)，收發(fā)天線陣列中的各組發(fā)射天線的位置及端口朝向是可調(diào)節(jié)的；通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度（即調(diào)節(jié)其軸向旋轉(zhuǎn)方向）可以調(diào)整接收天線端口方向，使其與同組發(fā)射天線的極化方向相同。所有收發(fā)天線的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及工作性能（極化方式、增益、s參數(shù)、輸入阻抗等性能參數(shù)）均相同。無人機(jī)探地雷達(dá)上搭載脈沖信號(hào)源，脈沖信號(hào)源可為同組的兩個(gè)發(fā)射天線同時(shí)饋入波形特征（如信號(hào)樣式、振幅、頻率、周期等參數(shù)）相同但反相的激勵(lì)信號(hào)。脈沖信號(hào)源輻射的兩路脈沖信號(hào)的波形樣式相同、脈沖信號(hào)峰峰值相等、脈寬相同，但兩路脈沖信號(hào)的初始相位分別為0°和180°。脈沖信號(hào)源分別與天線陣列中任一同組的兩個(gè)發(fā)射天線連接，并將初始相位相差180°的兩路激勵(lì)信號(hào)同時(shí)饋入同組的兩個(gè)發(fā)射天線。

10、進(jìn)一步的，天線掛架的伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)節(jié)方式為程控自動(dòng)調(diào)節(jié)或手動(dòng)調(diào)節(jié)，均可實(shí)現(xiàn)接收天線的高度、旋轉(zhuǎn)方向調(diào)節(jié)。

11、進(jìn)一步的，天線掛架的支臂采用高強(qiáng)度輕質(zhì)管材制成，其材質(zhì)可采用金屬（如鋁合金、鈦合金）、復(fù)合纖維（如碳纖維、玻璃纖維、復(fù)合纖維等）或工程塑料等。其中空管內(nèi)可以穿入同軸線、供電線等，即中空結(jié)構(gòu)用于在其內(nèi)部部署用于連接其末端的發(fā)射天線與脈沖信號(hào)源的連接線。

12、進(jìn)一步的，收發(fā)天線陣列中的發(fā)射天線為超寬帶定向發(fā)射天線。

13、進(jìn)一步的，收發(fā)天線陣列的各接收天線與發(fā)射天線的間距的最小間距dmin應(yīng)滿足：dmin≧2l2/λ，其中l(wèi)為天線最大口徑尺寸，λ為電磁波在介質(zhì)中的有效波長。

14、本發(fā)明另一方面還提供了一種無人機(jī)探地雷達(dá)雜波抑制方法，該方法基于本技術(shù)的無人機(jī)探地雷達(dá)收發(fā)陣列裝置執(zhí)行下列步驟：

15、從收發(fā)天線陣列中選取一組收發(fā)天線作為當(dāng)前的工作天線組；

16、調(diào)節(jié)支臂位置，使得同組的接收天線位于同組的兩個(gè)發(fā)射天線的天線饋電點(diǎn)連線中點(diǎn)處；（若支臂為穿過圓臺(tái)形盒體的通臂，此時(shí)同組的兩個(gè)發(fā)射天線已位于該支臂的兩個(gè)末端，則可以省略該步驟）；

17、調(diào)節(jié)天線掛架的伸縮轉(zhuǎn)臺(tái)以調(diào)節(jié)接收天線的軸向旋轉(zhuǎn)方向，使工作天線組的收發(fā)天線的接收端口和激勵(lì)端口在一條直線上，且保證天線的極化方向相同；以及調(diào)節(jié)接收天線的伸縮尺度，使兩個(gè)發(fā)射天線和接收天線的天線端口在同一水平高度；

18、控制脈沖信號(hào)源向當(dāng)前的工作天線組的兩個(gè)發(fā)射天線同時(shí)饋入波形特征相同但反相的激勵(lì)信號(hào)，以使得地面反射波和當(dāng)前的工作天線組的收發(fā)天線之間的空氣直耦波被抵消（由于同組的兩個(gè)發(fā)射天線相對(duì)于接收天線的位置對(duì)稱且輻射信號(hào)波形相位反相，因而地面強(qiáng)反射波和收發(fā)天線之間的空氣直耦波被抵消），從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)探地雷達(dá)回波信號(hào)的雜波抑制。

19、本發(fā)明從硬件設(shè)計(jì)的角度實(shí)現(xiàn)無人機(jī)探地雷達(dá)收發(fā)陣列的雜波抑制，基于對(duì)無人機(jī)探地雷達(dá)的收發(fā)天線系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化，在單次測量時(shí)每組中的兩個(gè)發(fā)射天線共用一個(gè)接收天線，激勵(lì)信號(hào)源同時(shí)向兩個(gè)發(fā)射天線饋入波形特征相同但反相的激勵(lì)信號(hào)，利用同頻等幅反相信號(hào)相互疊加抵消的原理，直接實(shí)現(xiàn)地面反射和空氣直耦波的抑制，從而使得接收天線直接接收到強(qiáng)雜波抑制后的回波信號(hào)。本發(fā)明大大消除了傳統(tǒng)雜波抑制技術(shù)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性差、容易損失目標(biāo)信號(hào)、對(duì)噪聲魯棒性差、數(shù)據(jù)處理效率低、依賴人為參數(shù)調(diào)整、對(duì)復(fù)雜雜波分離能力有限、過度依賴預(yù)處理假設(shè)、難以處理非線性雜波、缺乏自適應(yīng)性、無法有效融合多源信息等方面的缺點(diǎn)。

20、進(jìn)一步的，在進(jìn)行地下目標(biāo)的探測時(shí)，當(dāng)檢測到接收天線接收的場值為零時(shí)（此時(shí)地下目標(biāo)位于接收天線的正下方），基于接收天線正下方所在的位置得到地下目標(biāo)距接收天線或地面最近的反射點(diǎn)位置，該位置可以稱為地下目標(biāo)距接收天線或地面最近的強(qiáng)反射點(diǎn)。

21、本發(fā)明提供的技術(shù)方案至少帶來如下有益效果：

22、（1）每一組發(fā)射天線饋入波形特征相同但反相的激勵(lì)信號(hào)，位于兩個(gè)發(fā)射天線中點(diǎn)的接收天線，能夠接收到因位置對(duì)稱而疊加抵消的空氣直耦波信號(hào)、地面強(qiáng)反射波信號(hào)，可直接提取地下目標(biāo)的有效回波信號(hào)，根據(jù)接收天線接收的場值為零，可以確定目標(biāo)體的強(qiáng)反射點(diǎn)位置；

23、（2）接收天線接收到的回波信號(hào)中主要包含地下目標(biāo)的有效回波信號(hào)，可以大大簡化信號(hào)處理過程，易于對(duì)地下目標(biāo)弱回波信號(hào)進(jìn)行放大；

24、（3）對(duì)地下目標(biāo)弱回波信號(hào)易于放大，不會(huì)導(dǎo)致接收前端飽和，便于采用自動(dòng)增益控制放大目標(biāo)信號(hào)，利于目標(biāo)回波的分析及處理；

25、（4）對(duì)多個(gè)收發(fā)天線陣列組合獲取的回波信號(hào)，根據(jù)無人機(jī)的飛行軌跡和對(duì)收發(fā)天線陣列信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以對(duì)地下目標(biāo)進(jìn)行定位及確定目標(biāo)的埋藏方向。