基于低频超宽带雷达的井下异质区精细探测方法研究

Aiming at the difficult problems in the detection of underground heterogeneous areas, such as the limited detection distance and the low spatial resolution, based on the spatial frequency synthesis and the sparse aperture synthesis technology of the space-time correlation,this paper research the theory and methods of the low frequency ultra wideband radar to realize the fine detection of heterogeneous regions. The low frequency ultra wideband signal processing method combining the spatial frequency synthesis and the feature matching filter is used to obtain high range resolution, in order to break through the limitation of the underground deployable space, we study the optimization method of the sparse transmit / receive array to maximize the effective aperture, on the basis of establishing the model of the non ideal trajectory of the underground radar, this paper studies the virtual aperture focusing method of the low frequency ultra wideband signal with the aid of space-time correlation. Through the study of the key technologys, a fine detection method of heterogeneous areas will be developed, which can be applied to the underground complex environment.

本项目针对井下异质区域探测所面临的作用距离近、空间分辨能力低等难点问题，探索低频超宽带雷达综合利用空间频率合成和时-空关联稀疏孔径综合技术实现矿井异质区域精细探测的理论与方法。研究结合空间频率合成和特征匹配滤波的低频超宽带信号处理方法来获得距离超分辨；研究稀疏孔径发射/接收的布阵优化方法来最大化有效孔径，突破井下可部署空间限制；在建立井下雷达非理想行进轨迹模型基础上，研究轨迹辅助时-空关联的低频超宽带信号虚拟孔径聚焦方法来提升方位分辨力。通过本项目关键技术研究，形成适用于井下复杂环境的异质区精细探测方法，为煤矿安全生产提供精准数据支持和信息保障。

本项目针对井下异质区探测所面临的作用距离近、空间分辨能力低等难点问题，探索低频超宽带雷达来提升井下探测精度的方法，重点研究了空间步进频雷达进行井下异质体精细探测的理论和方法，突破最优阵列设计、挠性形变下的多发多收阵列高精度系统误差估计与补偿、样本缺失下高精度多维参数估计等关键技术，形成一套高效的空间步进频雷达井下处理方法，为提升低频超宽带雷达对井下异质体探测能力提供理论和技术支撑。取得的主要研究成果包括： （1）基于多发多收阵列，对井下典型介质进行了建模与仿真；（2）通过优化布阵方式来实现有效处理自由度的最大扩展，获得有限装配空间下的最优检测性能，明确了低频超宽带阵列在实际工作环境中的误差源及其对目标检测性能的影响，实现了基于信号处理的阵列雷达系统误差估计与补偿； （3）针对空间步进频雷达对井下目标探测时，有效训练样本缺乏、目标回波能量弱等问题，提出了小样本、低信噪比下的井下目标距离-角度的二维估计方法； （4）针对井下电磁波存在散射现象，研究了多径环境中不同噪声下的井下目标检测方法。 本项目的研究成果可推广应用到巷道目标检测领域，可显著提升复杂地理环境中地下目标探测能力。