基于VNA的步进频率探地雷达系统及工作方法

技术领域

本发明属于探地雷达系统技术领域，涉及一种基于VNA的步进频率探地雷达系统，本发明还涉及上述步进频率探地雷达系统的工作方法。

背景技术

探地雷达利用电磁波与地下物体之间的相互作用来获取地下目标的信息。雷达发射脉冲信号，当信号遇到地下物体时，一部分将被反射回来形成回波信号。通过接收和处理这些回波信号，可以推断地下目标的位置、形状和特性。由于探地雷达具有可对视觉不透明介质内物体进行无损探测的独特优势，在地下管线探测、道路空洞检测、建筑结构检测、地雷探测等场景中的应用价值较大。将合成孔径(SAR)成像方法应用于探地雷达，可以更好地还原目标信息；将超宽带步进频率波形应用于探地雷达，可在不损失探测深度的同时提高一维距离像分辨率，具有较大的研究意义。

频率步进是一种改进的雷达工作方式，它通过在不同的频率上发射脉冲信号来获取更丰富的地下信息。通过改变发射信号的频率，可以获取不同深度或不同物性的地下目标信息。频率步进技术可以提高探测的灵敏度和分辨率，对地下多种目标进行准确定位和识别。SAR是一种利用雷达技术实现对地面目标的高分辨率成像的方法。它通过在雷达平台上安装合适的天线，并以不同的频率进行脉冲信号发射和接收，然后采集地面目标的回波信号。通过对多个接收信号进行相干处理和合成，可以实现对地面目标的成像。SAR成像技术具有高分辨率、大视场角、非侵入性等优点，被广泛应用于地球观测、军事侦察等领域。

现有技术中，虽然有将频率步进以及SAR成像技术应用到探地雷达测量系统中，但是由于频域成像算法中的傅里叶变换需要均匀采样，对探地雷达系统运行时的运动状态变化和姿态变化很敏感，现有的探地雷达系统由于不具备自动均匀采样，人工控制均匀采样会导致实际回波的频谱往往变形严重，使成像质量衰退。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于VNA的步进频率探地雷达系统，解决了现有技术中存在的人工控制采样会导致实际回波的频谱变形严重，使成像质量衰退的问题。

本发明的另一目的是提供一种基于VNA的步进频率探地雷达系统的工作方法。

本发明所采用的技术方案是，基于VNA的步进频率探地雷达系统，包括采集小车，采集小车的车轮上设置有计米器，计米器通过USB转串口线连接有计算机，计算机还通过网线连接有矢量网络分析仪，矢量网络分析仪的输出端口连接有功率放大器的输入端口，功率放大器的输出端口连接有发射天线，矢量网络分析仪的输入端口还连接有低噪声功率放大器的输出端口，低噪声功率放大器的输入端连接有接收天线，接收天线、低噪声功率放大器、矢量网络分析仪、功率放大器、发射天线以及计算机均放置采集小车上。

本发明的特征还在于，

采集小车设置有两层，计算机放在采集小车的上层，接收天线、低噪声功率发大器、矢量网络分析仪、功率放大器以及发射天线均放在下层，采集小车的上层还放置有移动电源，低噪声功率发大器、矢量网络分析仪、功率放大器、计算机均通过线缆连接移动电源。

矢量网络分析仪和计算机通过LAN口相连接。

功率放大器和矢量网络分析仪以及发射天线之间通过射频线连接，低噪声功率放大器和接收天线以及矢量网络分析仪之间通过射频线连接。

本发明采用的另一种技术方案是，基于VNA的步进频率探地雷达系统的工作方法，采用上述的基于VNA的步进频率探地雷达系统，具体按照如下步骤实施：

步骤1，选定测试场地，在测试场地区域内选择一条直线作为采集小车测量路线，将该路线均匀划分，每个划分点为一个探测点；

步骤2，设置计算机(7)对矢量网络分析仪(4)和计米器(1)的控制；

步骤3，探测时，采集小车(9)到达步骤1规划路线的每个探测点后，发射电磁波信号并接收回波信号；

步骤4，计算机(7)对每个探测点收集的回波信号数据进行处理，然后根据处理后的回波信号数据利用后向投影BP算法进行SAR成像，最终得到目标的二维或三维图像。

步骤2具体为：连接基于VNA的步进频率探地雷达系统的各个部件，设置计算机(7)和矢量网络分析仪(4)的IP地址，再将计算机(7)和矢量网络分析仪(4)通过计算机的cmd的ping命令ping通IP地址，在计算机(7)上安装Keysight IO library suite和KeysightCommand Expert两个驱动程序通过visa编程的方式实现对矢量网络分析仪(4)的控制，通过计算机(7)上的Visual Studio软件编程实现串口通信的方式对计米器(1)显示屏上的数据进行读数并实现内部触发，使基于VNA的步进频率探地雷达系统能够等间距地进行雷达探测，通过计算机(7)上的Visual Studio软件编程发出SCPI命令，以设置矢量网络分析仪(4)的射频参数，射频参数具体包括：起始频率、截止频率以及频点数；

判断矢量网络分析仪(4)和计米器(1)是否设置成功，若设置成功则推动采集小车(9)开始进行探测，若没有，则返回设置步骤解决故障。

步骤2中的判断矢量网络分析仪(4)是否设置成功具体为：

如果设置成功，矢量网络分析仪中会显示设置的起始频率、截止频率以及频点数的数值，设置成功后，矢量网络分析仪(4)保持持续发射电磁波信号以及接收回波信号，如果设置失败，则不显示设置的数值，则返回步骤3解决故障；

步骤2中的判断计米器(1)是否设置成功具体为：

计算机(7)实时读取计米器(1)的数据，如果读数正确，则在采集小车(9)每移动一个等间距均会进行内部触发，即就是，采集小车(9)每移动一个等间距，计算机(7)会发出一个读取数据的指令，读取矢量网络分析仪(4)接收到的回波信号；如果读数不正确或者没有进行内部触发，则先返回设置步骤解决故障。

步骤3具体为：

探测时，采集小车(9)到达步骤1规划路线的每个探测点后，矢量网络分析仪(4)发射电磁波信号，然后矢量网络分析仪(4)产生的信号经过功率放大器(5)放大信号的幅度和功率后由发射天线(6)发射电磁波信号，电磁波透过地下介质来探测目标，然后接收天线(2)接收回波信号，然后接收天线(2)接收到的回波信号经过低噪声功率发大器(3)将接收信号的电压或电流放大到一个更高的水平后再输入到矢量网络分析仪(4)中，计算机(7)读取矢量网络分析仪(4)接收到的回波信号。

步骤4中计算机(7)对每个探测点收集的回波信号数据进行处理具体为：

计算机(7)接收到的矢量网络分析仪(4)回波信号数据即就是回波信号电场的实部和虚部，将回波信号电场的实部和虚部相加得到电场，然后将电场用于后续SAR成像算法中。

步骤4中根据处理后的回波信号数据利用后向投影BP算法进行SAR成像具体为：

将电场做逆傅里叶变换得到一维距离像，再进行一维距离像的脉冲压缩，利用距离像升采样实现对成像场景进行网格划分，计算发射天线(6)发射的每个探测点时刻脉冲与网格点的距离，并根据距离计算出双程时延，根据时延找到回波信号中相同时延的数据，即就是网格点在这一探测点时刻收到回波信号，然后将回波信号再乘以相位补偿，将乘以相位补偿的回波信号反向投影到网格，与上一探测点向网格点的数据进行相干叠加，遍历所有探测点，最终得到SAR图像。

本发明的有益效果是：

本发明采用计米器实时采集探地雷达系统运动距离数据，并将运动距离数据上传到计算机中。计米器与矢量网络分析仪通过计算机集成起来，即可根据不同测量频率和采样要求，控制探地雷达系统完成等间隔的运动测量采样，大大提升了测量精度，并保证SAR成像质量。

附图说明

图1是本发明基于VNA的步进频率探地雷达系统的结构示意图；

图2是本发明基于VNA的步进频率探地雷达系统的工作方法流程图；

图3是本发明基于VNA的步进频率探地雷达系统的工作方法中步进频率信号扫描过程图；

图4是本发明基于VNA的步进频率探地雷达系统的工作方法中探地雷达系统的电磁传播模型图；

图5是本发明基于VNA的步进频率探地雷达系统的工作方法中采用的SAR成像算法的流程图；

图6是本发明实施3中探地雷达实验的SAR成像结果图。

图中，1.采集小车，2.接收天线，3.低噪声功率放大器，4.矢量网络分析仪，5.功率放大器，6.发射天线，7.计算机，8.移动电源，9.采集小车。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

基于VNA的步进频率探地雷达系统，其结构如图1所示，包括采集小车9，采集小车9的车轮上设置有计米器1，计米器1通过USB转串口线连接有计算机7，计算机7还通过网线连接有矢量网络分析仪4，矢量网络分析仪4的输出端口连接有功率放大器5的输入端口，功率放大器5的输出端口连接有发射天线6，矢量网络分析仪4的输入端口还连接有低噪声功率放大器3的输出端口，低噪声功率放大器3的输入端连接有接收天线2，接收天线2、低噪声功率放大器3、矢量网络分析仪4、功率放大器5、发射天线6以及计算机7均放置采集小车9上。

采集小车9设置有两层，计算机7放在采集小车9的上层，接收天线2、低噪声功率发大器3、矢量网络分析仪4、功率放大器5以及发射天线6均放在下层，采集小车9的上层还放置有移动电源8，低噪声功率发大器3、矢量网络分析仪4、功率放大器5、计算机7均通过线缆连接移动电源8。

矢量网络分析仪4和计算机7通过LAN口相连接。

功率放大器5和矢量网络分析仪4以及发射天线6之间通过射频线连接，低噪声功率放大器和接收天线2以及矢量网络分析仪4之间通过射频线连接。

本发明采用计米器1实时采集探地雷达系统运动距离数据，计米器通过USB转串口线与计算机相连接，在Visual Studio软件中通过串口通信的方式将计米器的数据读到计算机中，以实现探地雷达系统的运动探测；

本发明采用矢量网络分析仪4采集数据，通过LAN口连接方式将矢量网络分析仪4与计算机7相连接；在Visual Studio软件编写SCPI指令对矢量网络分析仪4下发测量指令，实现了探地雷达系统测量任务的程序化控制，显著提升测量效率；再将计米器1与矢量网络分析仪4通过计算机7集成起来，根据不同测量频率和采样要求，控制探地雷达系统完成等间隔的运动测量采样，大大提升探地雷达系统的测量精度。

在探地雷达系统运动测量结束之后，最后根据步进频率探地雷达采集的数据信息特点，进行数据处理与SAR成像，完成对地下目标的探测。

将计米器、矢量网络分析仪和SAR成像算法全部集成起来，就可以达到装置运动电磁测量系统高效的、灵活的计算及数据处理，为探地雷达快速获取信息、处理信息提供方便，并最终直观给出探测结果。

本发明采用合成孔径雷达(SAR)成像算法，能够生成高分辨率的地下目标图像。通过合成多次回波信号，可以提高图像的清晰度和细节展示，实现对地下目标的精确成像和分析。

本发明可以通过计算机7给矢量网络分析仪设置不同的射频参数，采用不同频率的脉冲信号，并利用多普勒效应分析地下回波信号的频率变化，可以在不同深度范围内探测到地下目标。这使得该装置在地质勘探、资源探测等领域中具有广泛应用前景，可以检测到较深的地下层次以及更隐蔽的目标。

本发明通过对回波信号的处理和分析，可以从复杂的地下背景中提取出目标的信息，实现对不同类型目标的准确识别和分析。这对于资源勘探、军事侦查等应用非常有益。

本发明能够实时处理和分析采集到的雷达数据以进行SAR成像，提供快速而准确的目标信息。这种实时在线分析功能可以帮助用户及时获取目标位置、形状特性等信息，提高工作的效率和准确性。

实施例2

本发明基于VNA的步进频率探地雷达系统的工作方法，采用实施例1的基于VNA的步进频率探地雷达系统，其流程如图2所示，具体按照如下步骤实施：

步骤1，选定测试场地，在测试场地区域内选择一条直线作为小车测量路线，将该路线均匀划分，每个划分点为一个探测点；

步骤2，按照基于VNA的步进频率探地雷达系统连接各个部件；

步骤3，设置计算机7和矢量网络分析仪4的IP地址，再将计算机7和矢量网络分析仪4通过计算机的cmd的ping命令ping通IP地址，在计算机7上安装Keysight IO librarysuite和Keysight Command Expert两个驱动程序通过visa编程的方式实现对矢量网络分析仪4的控制，通过计算机7上的Visual Studio软件编程实现串口通信的方式对计米器1显示屏上的数据进行读数并实现内部触发，使基于VNA的步进频率探地雷达系统能够等间距地进行雷达探测；

步骤4，通过计算机7上的Visual Studio软件编程发出SCPI命令，以设置矢量网络分析仪4的射频参数，射频参数具体包括：起始频率、截止频率以及频点数，步进频率信号扫描过程如图3所示；探地雷达系统在工作过程中，计算机可以根据实际情况随时改变射频参数，提高探测分辨率与最大可探测深度；

在低损耗均匀介质探测环境下，探测分辨率主要与地下介质的电磁波速度和雷达信号的频带宽度有关。

非色散传播介质的距离分辨率Δd可表示为：

其中，N代表频点数，v是电磁波在介质中传播的速度，ε

步进频率雷达的最大可探测深度H是介质速度v与时间窗长度W

H＝W

由于探地雷达系统是在频率域中测量，其时间响应是由IDFT(离散傅里叶逆变换)得到，所以探地雷达的最大可探测距离转变为最大时间窗长度，即最大无模糊时间长度。即如果要保证IDFT后，所需的最大时间长度无重叠，则必须有保证其频率采样间隔足够小。最大无模糊时间长度受频率域中的扫频频率间隔的控制，关系为：

因此探地雷达的最大可探测深度为：

这个距离完全是IDFT的无模糊时间决定的，所以也称无模糊距离。又由式(2)得出最大可探测深度：

H＝(N-1)Δd (5)

改变起始频率、截止频率就能改变带宽(截止频率与起始频率之差)，通过公式1可以看到带宽越大，距离分辨率越小，也就提高了探测的分辨率。回到公式5，先假设我们的带宽不变，也就是距离分辨率不变，我们增大频点数(也就是整个频段上分的点数)，那么最大可探测深度就变大了；如果N不变，改变带宽就能改变距离分辨率，进而改变最大探测深度。

步骤5，判断矢量网络分析仪4和计米器1是否设置成功，若设置成功则推动采集小车9开始进行探测，若没有，则返回步骤3解决故障；

其中，判断矢量网络分析仪4是否设置成功具体为：

如果设置成功，矢量网络分析仪中会显示设置的起始频率、截止频率以及频点数的数值，设置成功后，矢量网络分析仪4保持持续发射电磁波信号以及接收回波信号，如果设置失败，则不显示设置的数值，则返回步骤3解决故障；

步骤5中的判断计米器1是否设置成功具体为：

计算机7实时读取计米器1的数据，如果读数正确，则在采集小车9每移动一个等间距均会进行内部触发，即就是，采集小车9每移动一个等间距，计算机7会发出一个读取数据的指令，读取矢量网络分析仪4接收到的回波信号；如果读数不正确或者没有进行内部触发，则先返回步骤3解决故障；

步骤6，探测时，采集小车9到达步骤1规划路线的每个探测点后，矢量网络分析仪4发射电磁波信号，然后矢量网络分析仪4产生的信号经过功率放大器5放大信号的幅度和功率，使得信号达到更高的功率水平，然后由发射天线6发射电磁波信号，电磁波透过地下介质来探测目标，然后接收天线2接收回波信号，然后接收天线2接收到的回波信号经过低噪声功率发大器3将接收信号的电压或电流放大到一个更高的水平，同时尽可能地减少噪声的影响，从而提高信号的质量，然后再输入到矢量网络分析仪4中，计算机7读取矢量网络分析仪4接收到的回波信号；

由于在有耗的地下介质中能量衰减是巨大的，并且严重的地下损耗会降低回波增益和限制最大的探测距离，通过波动方程推导出的雷达方程可以用来描述有耗介质下的电磁波穿透能力：

式中，Q

探地雷达天线辐射的电磁波透过地下介质来探测目标，为保证探测效果，雷达的天线需要尽量贴近地表。然而，为了适应实际地表不平和存在障碍物的情况并保证雷达水平移动过程中与目标距离尽量固定，通常采用天线离地面一段固定距离的方法，如图4是探地雷达系统的电磁传播模型。

步骤7，计算机7对每个探测点收集的回波信号数据进行处理，然后根据处理后的回波信号数据利用后向投影BP算法进行SAR成像，最终得到目标的二维或三维图像；

其中，计算机7对每个探测点收集的回波信号数据进行处理具体为：

计算机7接收到的矢量网络分析仪4回波信号数据即就是回波信号电场的实部和虚部值，将回波信号电场的实部和虚部相加得到电场，然后将电场用于后续SAR成像算法中；

根据处理后的回波信号数据利用后向投影BP算法进行SAR成像具体为：

将电场做逆傅里叶变换得到一维距离像，再进行一维距离像的脉冲压缩，利用距离像升采样实现对成像场景进行网格划分，计算发射天线6发射的每个探测点时刻脉冲与网格点的距离，并根据距离计算出双程时延，根据时延找到回波信号中相同时延的数据，即就是网格点在这一探测点时刻收到回波信号，然后将回波信号再乘以相位补偿，将乘以相位补偿的回波信号反向投影到网格，与上一探测点向网格点的数据进行相干叠加，遍历所有探测点，最终得到SAR图像，其流程如图5所示。

实施例3

在实施例1和实施例2的基础上，具体为：

步骤(1)：选定空旷场地为实验测试场地，在场地上摆放一个直径为20cm的金属球模拟深埋在土地里的探测目标。选择采集小车9的探测路径为直线，规划采集小车9的直线运动距离为2m，金属球摆放在距离路径中心1m的地方。

步骤(2)：准备测试仪器：移动电源、计算机、功率放大器、低噪声功率放大器、矢量网络分析仪，射频线、宽带喇叭天线和带有计米器的装载采集小车9；

步骤(3)：将矢量网络分析仪和计算机通过LAN口网线连接，先将计算机的IP地址和矢量网络分析仪的IP地址ping通，再采用安装Keysight IO library suite、KeysightCommand Expert两个驱动程序通过visa编程的方式实现对矢量网络分析仪的控制；

步骤(4)：将计米器和计算机通过USB转串口线连接，通过Visual Studio编程实现串口通信的方式对计米器显示屏上的数据进行读数并实现内部触发，使探地雷达装置能够等间距地进行雷达探测。

步骤(4)：将收发天线与矢量网络分析仪相连接；选取合适的长度的射频线，根据矢量网络分析仪到天线的连接长度需求，同时又尽可能的减小因射频线过长而产生的损耗，因此在该实验使用的射频线的长度为1.6m。选用两个宽带喇叭天线以获取准单站雷达散射数据，将喇叭天线安装在采集小车9底盘上，天线离地面一段固定距离，天线支架选用承重性能较好的材质。

步骤(6)：通过计算机上的Visual Studio软件编程发出SCPI命令，以设置矢量网络分析仪的各种参数，在本实施例中参数如下：起始频率：1GHz，截止频率：2GHz，频点数：201，测量模式：S21；

步骤(7)：判断设置矢量网络分析仪参数是否设置成功，如果设置成功，矢量网络分析仪中会显示设置的数值；如果设置失败，则不显示设置数值，应先返回步骤(3)解决故障；

步骤(8)：判断采集小车9的计米器读数是否正确且是否能够在Visual Studio中进行内部触发，设置采集小车9每0.2m触发一次；如果读数正确其会进行内部触发，则采集小车9每移动0.2m都会进行内部触发，发出雷达探测指令并接收数据；如果读数不正确或者没有进行内部触发，则先返回步骤(4)解决故障；

步骤(9)：矢量网络分析仪参数和采集小车9计米器设置成功后，推动采集小车9开始进行探测；

步骤(10)：推动采集小车9按预先设置的路径进行运动，并结合采集小车9计米器读回的移动距离数据以控制采集小车9每移动一固定间距都会进行内部触发，发出雷达探测指令并将生成的回波数据上传至计算机；

步骤(11)：计算机接收步进频探地雷达上传的数据并将数据保存；

步骤(12)：采集小车9完成预设路径后停止移动，探测结束。

步骤(13)：将所有数据导入雷达算法，利用后向投影(BP)算法进行SAR成像，其结果如图6所示。

根据图6实验结果图可知，探地雷达装置可探测到金属球的位置和大小等信息。由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明不仅可以较为精确地完成对地下目标测量，还可以完成在线数据处理，利用后向投影(BP)算法进行SAR成像，为实时分析提供可行方案。