基于MIMO探地雷达的地下深埋管道定位技术研究
摘要
探地雷达(GroundPenetratingRadar,GPR)具有高精度无损探测的优势而被广泛应用
于地下管道的探测中。但大地介质的低通滤波作用以及高频超宽带脉冲信号本身的限制
使得传统探地雷达无法兼顾探测深度与分辨率，难以实现地下深埋管道的探测。多输入
多输出(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)雷达具有虚拟大孔径，高分辨率以及可摒
弃带宽限制的特点，为解决地下深埋管道探测的难题提供了新思路。因此，论文对发射
低频连续波信号的正交MIMO探地雷达的管道定位相关技术进行了研究。
波形正交是MIMO探地雷达实现高分辨率定位的前提，现有正交相位编码信号相
关旁瓣较高将影响管道探测精度。针对以上问题，论文提出了一种基于改进哈里斯鹰算
法(HarrisHawksOptimization,HHO)的正交相位编码波形设计方法。地下深埋管道相对
天线仍然属于近场，发射波形的长度受限，需要根据实际探测条件设计适用的高正交性
相位编码波形。改进算法在HHO算法框架下引入遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)的交
叉、变异策略进行离散个体的更新，具有无参数依赖的特点，适用于离散多相编码矩阵
的搜索。仿真结果表明，基于改进HHO算法设计的波形与同类型算法设计的波形相比
具有更好的正交性能，有利于提高后续地下管道的定位精度。
低信噪比的地下环境下，多重信号分类(MultipleSignalClassification，MUSIC)算法
通过特征值分解难以获得准确的噪声子空间，不准确的噪声子空间将导致MUSIC算法
性能下降。针对以上问题，论文提出了一种子空间迭代MUSIC算法。为实现地下管道
的定位，论文首先在极坐标下对贴地探测模型进行建模，得到了角度与距离耦合的信号
模型；在直角坐标系下对离地探测模型进行建模，得到了水平距离与深度耦合的信号模
型。其次，为获得精确的信号子空间，论文利用一组非零延迟协方差矩阵建立了与信号
子空间相关的目标函数。然后，通过迭代求解估计准确信号子空间。最后，根据信号子
空间与噪声子空间的关系，得到对应的噪声子空间的投影矩阵，从而利用该投影矩阵实
现MUSIC算法的改进。仿真结果表明，改进算法与同类算法相比具有更好的性能，有
利于提高地下管道成像定位的分辨率。
MUSIC算法对非目标区域的搜索导致计算量激增、探测效率低下，不适用于车载
探测等实时性要求高的场合。针对以上问题，论文使用具有强大搜索能力的麻雀搜索算
法(SparrowSearchAlgorithm,SSA)改进二维谱峰搜索过程。但经典SSA算法无法解决多
模态问题，论文在贴地模型下提出了一种SSA-root-MUSIC算法，先消除距离参数，使
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
用root-MUSIC预估目标角度，再使用SSA算法精确定位；论文在接收信号参数不可分
离的离地场景下，提出了一种多模态SSA-MUSIC算法，算法利用混合聚类算法划分子
种群，通过一次智能搜索定位多个极值点。仿真结果表明，两种算法均在提升定位效率
的同时避免了网格遍历的量化误差，提高了地下管道定位的速度与准确率，适用于车载
探地雷达连续探测场景。
关键词：MIMO探地雷达；正交波形设计；MUSIC算法；智能算法；管道定位；
基于MIMO探地雷达的地下深埋管道定位技术研究
Abstract
Groundpenetratingradar(GPR)isanon-destructivegeophysicaldetectionmethod,
whichiswidelyusedinthedetectionofundergroundpipelines.However,duetothelowpass
filteringeffectoftheearthmedium,thetraditionalpulsegroundpenetratingradarcannottake
intoaccountthedetection