稀疏成份分析及在雷达成像处理中的应用
稀疏成份分析是一种新兴的信号分析方法。它以过完备词典为基础，能从有限的观测数据中获得信号的稀疏表示，有效地挖掘信号的自然属性和本质的驱动源，提高变换域的分辨率，为信号处理提供了有力的工具。作为信号处理的重要组成部分，雷达成像技术无论在军事还是民用上都有巨大的应用潜力。雷达成像本质上就是一个信号表示过程，由于高频区雷达目标散射行为具有局部特性，用稀疏成份分析方法能提高雷达图像的质量，有利于图像分析和目标识别。针对雷达成像的应用背景，本文研究了稀疏成份分析中稀疏性度量函数构造的一般准则等理论问题，以及基于稀疏成份分析的雷达成像算法，包括一维距离像、二维逆合成孔径雷达成像和多频段雷达信号综合技术等。研究了稀疏成份分析中度量函数的构造和算法分析等理论问题。利用稀疏成份分析方法研究了高分辨一维距离像稀疏表示的原子构造与相关算法，并对算法的参数估计性能进行了理论分析。研究了基于稀疏成份分析的逆合成孔径雷达成像算法。根据雷达目标散射信号的稀疏表示模型，研究了多频段多分辨雷达信号综合技术。根据雷达目标的理想点散射体模型和几何绕射模型，分析了多频段雷达回波观测信号的联系与差别，并利用稀疏成份分析方法提出了高分辨一维距离像的多频段信号综合成像技术。针对多频段窄带组网雷达检测海上目标的应用背景，根据雷达目标在低分辨回波中的稀疏分布特性和海杂波的分布特性，提出了多雷达距离分辨率匹配处理技术，提高了雷达回波的距离分辨率并实现了多雷达距离分辨率的匹配统一，为多频段窄带雷达信号综合提供了统一的基础。
地质雷达在水利工程质量检测中的应用
1 前言
地质雷达作为近十余年来发展起来的地球物理高新技术方法，以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图象显示等优点，备受广大工程技术人员的青睐。现已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、水文地质调查、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考古探测等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，并在工程实践中不断完善和提高，必将在工程探测领域发挥着愈来愈重要的作用。而地质雷达技术用于堤防隐患的探测尚属初步阶段，通过广大物探技术人员的共同努力，达到了解和掌握不同隐患类型在雷达图像上的反映特征，在不断总结探测经验的基础上，提高异常的判断能力和精度，较确切地推定堤防工程隐患的性质和位置，以便指导有关管理单位加强堤防工程重点部位的维护和防范，提高和巩固堤防工程的运行周期和防洪能力。本文以永定河堤防工程护砌质量检测为实例，说明地质雷达技术在堤防工程探测中的应用情况，以此与同行进行切磋，推动堤防工程探测技术的发展，不妥之处，敬请批评指正。
2 基本原理
地质雷达与探空雷达相似，利用高频电磁波(主频为数十数百乃至数千兆赫)以宽频带短脉冲的形式，由地面通过发射天线(T)向地下发射，当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天线(R)接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。
雷达波(电磁波)在界面上的反射和透射遵循Snell定律。实际观测时，由于发射天线与接收天线的距离很近，所以其电磁场方向通常垂直于入射平面，并近似看作法向入射，反射脉冲信号的强度，与界面的反射系数和穿透介质的衰减系数有关，主要取决于周围介质与反射目的体的电导率和介电常数，对于以位移电流为主的介质，既大多数岩石介质属非磁性、非导电介质，常常满足σ/ωε<<1，于是衰减系数(β)的近似值为：
既衰减系数与电导率(σ)及磁导率(μ)的平方根成正比，与介电常数(ε)的平方根成反比。
而界面的反射系数为：
式中Z为波阻抗，其表达式为：
显然，电磁波在地层中的波阻抗值取决于地层特性参数和电磁波的频率。由此可见，电磁波的频率(ω=2πf)越高，波阻抗越大。
对于雷达波常用频率范围(25～1000MHz)，一般认为σ<<ωε,因而反射系数r可简写成:
上式表明反射系数r主要取决于上下层介电常数差异。
应用雷达记录的双程反射时间可以求得目的层的深度H：
式中:t为目的层雷达波的反射时间；c为雷达波在真空中的传播速度(0.3m/ns)；εr为目的层以上介质相对介电常数均值。
3 工程概况
北京市界内永定河左、右堤防于清朝乾隆年间修筑，后经数次维修和加固形成现有规模，主体为梯形，顶宽约10m，可见堤高约5～6m，堤内坡坡度为1:1.5～1:2.0，外坡相对较缓为1: 2.0～1: 2.5。
堤身为人工堆积，主要由粉细砂(中下游段)、卵砾石(上游段)组成。介质构成复杂多变，分布不均，且处于包气带中，极为干燥。
堤基为第四系全新统地层，岩性以粉细砂为主，下游段出现黑色淤泥质粘土夹层，层厚约0.7～2.0m。
地下水位埋深(自地表计)：卢沟桥附近约20.0m，至下游逐渐变浅，达省/市界附近(石佛寺)一带约2.0m。
永定河卢沟桥下游至省/市界左、右堤防共划定险工段12处23段，分布在左堤约60Km和右堤约30Km范围内，其险工段内坡为浆砌石(厚约40cm——原设计标准)结合铅丝石笼构成的护砌，并于1964～1989年间营建，浆砌石护坡除可见堤身部分露出外，其余部分与铅丝石笼水平护底均埋于河滩滩地以下，一般为3.0～5.0m，外铺8.0m的铅丝石笼护底。这些险工段在历史上均有决口或抢险加固的记载。为满足北京市对永定河防洪设计的需要，保证该堤防渡汛万无一失，故进行地球物理勘探工作，以检测堤防工程的护砌质量，便于99年6月份之前进行加固处理。
4 测试技术及资料处理
为判断险工段堤内坡护险浆砌石质量的优劣，沿内坡坡脚布置一条雷达探测剖面，并按其走向连续测试。
外业施测使用瑞典MALA地质仪器有限公司生产的RAMAC/GPR地质雷达系统，天线的中心频率为250MHz，收发天线的间距为0.6m。实测采用剖面法，且收发天线方向与测线方向平行。记录点距为0.2m，采样频率为3893MHz，单一记录迹线的采样点数为512，迭加次数为16，记录时窗为180ns，若取堤身土体的雷达波速为0.08～0.10m/ns，表层浆砌石的雷达波速为0.10～0.12m/ns，综合考虑该地层剖面特征，选取雷达波速中值为0.10m/ns，则此时该雷达系统的最小纵向分辨率为8～10cm。
雷达资料的数据处理与地震反射法勘探数据处理基本相同，主要有：①滤波及时频变换处理；②自动时变增益或控制增益处理；③多次重复测量平均处理；④速度分析及雷达合成处理等，旨在优化数据资料，突出目的体、最大限度地减少外界干扰，为进一步解释提供清晰可辨的图像。处理后的雷达剖面图和地震反射的时间剖面图相似，可依据该图进行地质解释。
5 成果分析
地质雷达资料的地质解释是地质雷达探测的目的。由数据处理后的雷达图像，全面客观地分析各种雷达波组的特征(如波形、频率、强度等)，尤其是反射波的波形及强度特征，通过同相轴的追踪，确定波组的地质意义，构制地质——地球物理解释模型，依据剖面解释获得整个测区的最终成果图。
地质雷达资料反映的是地下地层的电磁特性(介电常数及电导率)的分布情况，要把地下介质的电磁特性分布转化为地质分布，必须把地质、钻探、地质雷达这三个方面的资料有机结合起来，建立测区的地质——地球物理模型，才能获得正确的地下地质结构模式。
雷达资料的地质解释步骤一般为：
⑴ 反射层拾取
根据勘探孔与雷达图像的对比分析，建立各种地层的反射波组特征，而识别反射波组的标志为同相性、相似性与波形特征等。
⑵ 时间剖面的解释
在充分掌握区域地质资料，了解测区所处的地质结构背景的基础上，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质结构特征，其中要重点研究特征波的同相轴的变化趋势。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波。同时还应分析时间剖面上的常见特殊波(如绕射波和断面波等)，解释同相轴不连续带的原因等。
下部架空时的图像，该剖面第三反射同相轴自剖面点9.4m处断开，形成“背斜”状的强反射层，此现象延续到剖面点12.8m处，此段浆砌石与下部土体分离导致架空，其范围与已知情况吻合。
通过雷达测试成果的地质解释共圈定出73处浆砌石存在不同程度的隐患或质量较差，这些隐患的类型一般为：①浆砌石厚度较薄；②浆砌石与下部土体分离形成架空；③浆砌石胶结不良或松散；④浆砌石出现裂缝等不良现象。
护砌整体质量较差的堤段多为年久失修严重，浆砌石与下部堤身土体接触差，多形成架(悬)空状态，造成护砌断裂、塌陷等不良现象较普遍，且多具一定规模。而造成上述现象存在的原因，笔者分析后认为浆砌石面存在许多缝隙，且砂浆质量差、少浆，下部又无防渗护层，堤身土体多由粉细砂组成，经降水入渗，粉细砂局部被冲刷淘失，在砌石与堤身土体之间形成空洞，并有继续扩大发展之趋势。
该物探成果经开挖验证(见图4——开挖照片)，完全符合客观实际，受到了甲方的赞誉。
6 结语
地质雷达以其高效快速、高精度在护险工程探测中能够发挥重要作用，取得了良好的应用效果，且对浅层或超浅层的工程探测中有着十分广阔的应用前景，然而地质雷达的探测深度和精度与所采用的天线频率有很大关系，天线的频率越低探测深度越大，则精度越低；而天线的频率越高，探测深度越浅，则精度越高。本次采用中心频率250MHz的天线进
仅供参考，请自借鉴。
希望对您有帮助。
无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，是其中的一个有限频带，上限频率 在300GHz（吉赫兹），下限频率较不统一, 在各种射频规范书, 常见的有三 3KHz~300GHz（ITU－国际电信联盟规定）, 9KHz~300GHz, 10KHz~300GHz。
无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。
无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。 通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。
麦克斯韦最早在他递交给英国皇家学会的论文《电磁场的动力理论》中阐明了电磁波传播的理论基础。他的这些工作完成于1861年至1865年之间。
海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）在1886年至1888年间首先通过试验验证了麦克斯韦尔的理论。他证明了无线电辐射具有波的所有特性，并发现电磁场方程可以用偏微分方程表达，通常称为波动方程。
1906年圣诞前夜，雷吉纳德·菲森登（Reginald Fessenden）在美国麻萨诸塞州采用外差法实现了历史上首次无线电广播。菲森登广播了他自己用小提琴演奏“平安夜”和朗诵《圣经》片段。位于英格兰切尔姆斯福德的马可尼研究中心在1922年开播世界上第一个定期播出的无线电广播娱乐节目。
发明
关于谁是无线电台的发明人还存在争议。
1893年，尼科拉·特斯拉（Nikola Tesla）在美国密苏里州圣路易斯首次公开展示了无线电通信。在为“费城富兰克林学院”以及全国电灯协会做的报告中，他描述并演示了无线电通信的基本原理。他所制作的仪器包含电子管发明之前无线电系统的所有基本要素。
古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）拥有通常被认为是世界上第一个无线电技术的专利，英国专利12039号，“电脉冲及信号传输技术的改进以及所需设备”。
尼科拉·特斯拉1897年在美国获得了无线电技术的专利。然而，美国专利局于1904年将其专利权撤销，转而授予马可尼发明无线电的专利。这一举动可能是受到马可尼在美国的经济后盾人物，包括汤玛斯·爱迪生，安德鲁·卡耐基影响的结果。1909年，马可尼和卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）由于“发明无线电报的贡献”获得诺贝尔物理学奖。
1943年，在特斯拉去世后不久，美国最高法院重新认定特斯拉的专利有效。这一决定承认他的发明在马可尼的专利之前就已完成。有些人认为作出这一决定明显是出于经济原因。这样二战中的美国政府就可以避免付给马可尼公司专利使用费。
1898年，马可尼在英格兰切尔姆斯福德的霍尔街开办了世界上首家无线电工厂，雇佣了大约50人。
无线电的用途
无线电的最早应用于航海中，使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。现在，无线电有着多种应用形式，包括无线数据网，各种移动通信以及无线电广播等。
以下是一些无线电技术的主要应用:
通信
声音
* 声音广播的最早形式是航海无线电报。它采用开关控制连续波的发射与否，由此在接收机产生断续的声音信号，即摩尔斯电码。
* 调幅广播可以传播音乐和声音。调幅广播采用幅度调制技术，即话筒处接受的音量越大则电台发射的能量也越大。 这样的信号容易受到诸如闪电或其他干扰源的干扰。
* 调频广播可以比调幅广播更高的保真度传播音乐和声音。对频率调制而言，话筒处接受的音量越大对应发射信号的频率越高。调频广播工作于甚高频段（Very High Frequency，VHF）。频段越高，其所拥有的频率带宽也越大，因而可以容纳更多的电台。同时，波长越短的无线电波的传播也越接近于光波直线传播的特性。
* 调频广播的边带可以用来传播数字信号如，电台标识、节目名称简介、网址、股市信息等。在有些国家，当被移动至一个新的地区后，调频收音机可以自动根据边带信息自动寻找原来的频道。
* 航海和航空中使用的话音电台应用VHF调幅技术。这使得飞机和船舶上可以使用轻型天线。
* 政府、消防、警察和商业使用的电台通常在专用频段上应用窄带调频技术。这些应用通常使用5KHz的带宽。相对于调频广播或电视伴音的16KHz带宽，保真度上不得不作出牺牲。
* 民用或军用高频话音服务使用短波用于船舶，飞机或孤立地点间的通讯。大多数情况下，都使用单边带技术，这样相对于调幅技术可以节省一半的频带，并更有效地利用发射功率。
* 陆地中继无线电(Terrestial Trunked Radio, TETRA)是一种为军队、警察、急救等特殊部门设计的数字集群电话系统。
电话
* 蜂窝电话或移动电话是当前最普遍应用的无线通信方式。蜂窝电话覆盖区通常分为多个小区。每个小区由一个基站发射机覆盖。理论上，小区的形状为蜂窝状六边形，这也是蜂窝电话名称的来源。当前广泛使用的移动电话系统标准包括：GSM，CDMA和TDMA。运营商已经开始提供下一代的3G移动通信服务，其主导标准为UMTS和CDMA2000。
* 卫星电话存在两种形式：INMARSAT 和 铱星系统。两种系统都提供全球覆盖服务。 INMARSAT使用地球同步卫星，需要定向的高增益天线。铱星则是低轨道卫星系统，直接使用手机天线
电视
* 通常的模拟电视信号采用将图像调幅，伴音调频并合成在同一信号中传播。
* 数字电视采用MPEG-2图像压缩技术，由此大约仅需模拟电视信号一半的带宽。
紧急服务
* 无线电紧急定位信标 （emergency position indicating radio beacons，EPIRBs）， 紧急定位发射机或 个人定位信标是用来在紧急情况下对人员或测量通过卫星进行定位的小型无线电发射机。它的作用是提供给救援人员目标的精确位置，以便提供及时的救援。
数据传输
* 数字微波传输设备、卫星等通常采用正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）。QAM调制方式同时利用信号的幅度和相位加载信息。这样，可以在同样的带宽上传递更大的数据量。
* IEEE 802.11是当前无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）的标准。它采用2GHz或5GHz频段，数据传输速率为11 Mbps或54 Mbps。
* 蓝牙（Blueteeth）是一种短距离无线通讯的技术。
辨识
* 利用主动及被动无线电装置可以辨识以及表明物体身份。（参见射频识别）
其它
* 业余无线电是无线电爱好者参与的无线电台通讯。业余无线电台可以使用整个频谱上很多开放的频带。爱好者使用不同形式的编码方式和技术。有些后来商用的技术，比如调频，单边带调幅，数字分组无线电和卫星信号转发器，都是由业余爱好者首先应用的。
导航
* 所有的卫星导航系统都使用装备了精确时钟的卫星。导航卫星播发其位置和定时信息。接收机同时接受多颗导航卫星的信号。接收机通过测量电波的传播时间得出它到各个卫星的距离，然后计算得出其精确位置。
* Loran系统也使用无线电波的传播时间进行定位，不过其发射台都位于陆地上。
* VOR系统通常用于飞行定位。它使用两台发射机，一台指向性发射机始终发射并象灯塔的射灯一样按照固定的速率旋转。当指向型发射机朝向北方时，另一全向发射机会发射脉冲。飞机可以接收两个VOR台的信号，从而通过推算两个波束的交点确定其位置。
* 无线电定向是无线电导航的最早形式。无线电定向使用可移动的环形天线来寻找电台的方向。
雷达
* 雷达通过测量反射无线电波的延迟来推算目标的距离。并通过反射波的极化和频率感应目标的表面类型。
* 导航雷达使用超短波扫描目标区域。一般扫描频率为每分钟两到四次，通过反射波确定地形。这种技术通常应用在商船和长距离商用飞机上。
* 多用途雷达通常使用导航雷达的频段。不过，其所发射的脉冲经过调制和极化以便确定反射体的表面类型。优亮的多用途雷达可以辨别暴雨、陆地、车辆等等。
* 搜索雷达运用短波脉冲扫描目标区域，通常每分钟2－4次。有些搜索雷达应用多普勒效应可以将移动物体同背景中区分开来
* 寻的雷达采用于搜索雷达类似的原理，不过对较小的区域进行快速反复扫描，通常可达每秒钟几次。
* 气象雷达与搜索雷达类似，但使用圆极化波以及水滴易于反射的波长。风廓线雷达利用多普勒效应测量风速，多普勒雷达利用多普勒效应检测灾害性天气。
加热
* 微波炉利用高功率的微波对食物加热。（注：一种通常的误解认为微波炉使用的频率为水分子的共振频率。而实际上使用的频率大概是水分子共振频率的十分之一。）
激光雷达
laser radar
用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。
激光雷达在军事上可用于对各种飞行目标轨迹的测量。如对导弹和火箭初始段的跟踪与测量，对飞机和巡航导弹的低仰角跟踪测量，对卫星的精密定轨等。激光雷达与红外、电视等光电设备相结合，组成地面、舰载和机载的火力控制系统，对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。由于激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息，有利于识别隐身目标。激光雷达可以对大气进行监测，遥测大气中的污染和毒剂，还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。
激光雷达的应用
●孟敏 王学才
激光雷达，采用类似于激光测距机的原理与构造研制，是一种工作在从红外到紫外光谱段的探测系统。通常，把利用激光脉冲进行探测的称作脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称作连续波激光雷达。目前，世界上已研制出用于火控、侦察、制导、测量、导航等多种功能的激光雷达。
生化战高手：陆用激光雷达
生化战剂的探测与防范，一直是军方关注的重点项目之一。传统的探测方法，主要由士兵携带探测装置，边走边测，速度慢、功效低，并易中毒。据报道，俄罗斯一改传统方式，成功地研制出“KDKhr—1N”远距离地面毒剂激光雷达探测系统，可实时地远距探测并确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数等，及时通过有、无线技术向部队控制系统报警，以采取相应的防毒措施。在这方面，德国军方也研制出更加先进的“VTB———1型 ”遥测激光雷达，使用两台9微米—11微米、可在40个频率上调节的连续波C02激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又可靠。
飞行防撞高手：空用激光雷达
飞机尤其是直升机在低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞，这是世界许多国家关注并力求解决的一大难题。美国、德国和法国等近年费尽心血研制出了直升机障碍物规避激光雷达，成功地解决了这一难题。美国率先研制的直升机超低空飞行“障碍规避雷达”，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器，可探测直升机前方很宽的空域，地面障碍物信息可实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，保障了飞行员的安全飞行。随之，德国研制成功的“Hellas ”激光雷达更胜一筹，它是一种固体1.54微米成像，视场为32度×32度，能探测 300米—500米距离内直径1厘米粗的电线或障碍物，直升机采用之可确保飞行安全。法国和英国合研的吊舱载“CLARA”激光雷达，具有多种功能，采用C02激光器，不但能测得直升机飞行前方如标杆、电缆等微型障碍物，还可进行地形跟踪、目标测距和活动目标指示，保障飞行安全，这种激光雷达也适于飞机使用。
捕获水下目标高手：海用激光雷达
对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪的传统方式，是采用体大而重的一般在600千克至几十吨重的声纳。自从发展了海洋激光雷达，即机载蓝绿激光器发射和接收设备后，海洋水下目标探测既简单方便，又准确无误。尤其是20世纪90 年代以后研制成功的第三代激光雷达上，增加了GPS定位、定高功能，实现了航线和高度的自动控制。如美国诺斯罗普公司研制的“ALARMS”机载水雷探测激光雷达，可24小时工作，能准确测得水下水雷等可疑目标。美国卡曼航天公司研制的水下成像激光雷达，更具优势，可以显示水下目标的形状等特征，准确捕获目标，以便采取应急措施，确保航行安全。
此外，激光雷达还可以广泛用于对抗电子战、反辐射导弹、超低空突防、导弹与炮弹制导以及陆地扫雷等。
