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探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)是一种利用电磁波探测地下目标的无损探测工具,它具有探测成本低、分辨率高、操作方便灵活等特点,现已在国防、市政、考古、环境监测等众多领域得到广泛应用。与传统的脉冲体制GPR相比,频率步进探地雷达(Stepped Frequency Continuous WaveGPR,SFCW-GPR)具有较高的平均发射功率,便于频域补偿处理,接收机灵敏度高和动态范围大等优点。尽管SFCW-GPR具有诸多优点,但由于其实现复杂且成本较高,在商用探地雷达领域并不被广泛采用。近年来随着数字和射频电子技术的飞速发展,频率步进探地雷达的研究和开发受到越来越多的关注。
目前,对频率步进探地雷达的研究主要有系统硬件设计和信号处理技术两方面研究内容,论文针对以上两方面主要研究了频率步进探地雷达小型化的设计与实现,信号处理与合成孔径成像等方面的内容。本论文的主要工作和创新点如下:
1.深入研究和分析频率步进探地雷达的系统构成与工作原理、综合时域脉冲的方法和系统参数设计原则；
2.设计和实现了一部小型化低成本VHF波段SFCW-GPR.系统。系统发射机基于数字频率合成器技术(Direct Digital Synthesizer,DDS)实现步进频率信号源,接收机采用单通道零差式技术。测试结果表明系统工作稳定可靠、能够实现对地下目标的准确探测；
3.深入研究频率步进探地雷达旁瓣抑制及超分辨率时域信号重建方法,提出采用矩阵束算法重构SFCW-GPR的时域信号实现旁瓣抑制,同时获得目标回波精确的幅度和时延估计；
4.基于压缩感知理论提出并设计了一种新型压缩采样频率步进探地雷达(CS-SFCW-GPR)系统,该系统克服传统SFCW-GPR单个扫描周期数据采集时间长的缺点,在发射频点数大大减少的情况下能够精确重建时域信号,并且重构时域信号不会造成分辨率和成像质量的下降；
5.深入研究了频率步进探地雷达的成像算法,在目标成像空间具备稀疏性的前提下,提出基于杂波抑制的压缩感知频率步进探地雷达成像算法,成像过程中首先采用杂波抑制方法在频率域去除地表强反射波,同时引入交叉验证算法来估计成像过程中的正则化参数,最后采用稀疏约束最优化方法实现对地下目标的高分辨率成像。