一種探地雷達地下目標(biāo)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及探地雷達探測領(lǐng)域,具體設(shè)及一種探地雷達地下目標(biāo)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 探地雷達是近幾十年迅速發(fā)展起來的一種有效的淺層地下目標(biāo)探測技術(shù),它是一 種非破壞性探測手段,具有探測速度快、分辨率高、操作方便靈活、探測成本低等諸多優(yōu)點, 已被廣泛應(yīng)用于地下目標(biāo),如空桐、管道、地雷等的探測及定位。
[0003] 探地雷達探測的二維回波數(shù)據(jù)稱為B-Scan數(shù)據(jù),它是后續(xù)雷達信號處理、目標(biāo)識 別及解譯的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),探地雷達目標(biāo)定位技術(shù)也要基于B-Scan數(shù)據(jù)。對實現(xiàn)目標(biāo)準(zhǔn)確定位 影響最大的是探地雷達B-Scan數(shù)據(jù)中的"雜波"。探地雷達雜波可看作是除了目標(biāo)回波W 外的各種回波,通常包括天線直達波、地表回波、地下非均勻介質(zhì)產(chǎn)生的回波、W及偽目標(biāo) 所產(chǎn)生的回波等等。探地雷達雜波使得對地下目標(biāo)的準(zhǔn)確探測變得困難,尤其對于淺層埋 地目標(biāo),目標(biāo)回波與地表回波相比是較弱的成分,并且目標(biāo)回波與地表回波間的時延很小, 目標(biāo)回波易被地表強回波運類雜波所淹沒。因此探地雷達抑制雜波是實現(xiàn)探地雷達目標(biāo)準(zhǔn) 確定位的首要任務(wù)。
[0004] 常見的定位方法主要是基于B掃描圖像的雙曲線提取,根據(jù)提取到的雙曲線進行 速度計算目標(biāo)深度。主要有:基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對雙曲線的提取,需要較多的數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練,不 易實現(xiàn)在線檢測;采用模糊聚類的模式識別方法,對于金屬管線和非金屬管線都可能存在 的淺層探測而言,容易產(chǎn)生虛警,并且容易漏掉非金屬管線目標(biāo)?;趫D像分割和霍夫變換 的方法,應(yīng)用在淺層探測管線的時候,不能有效區(qū)分較強的雜波和目標(biāo)回波;基于圖像分割 和模板匹配的方法應(yīng)用在淺層探測管線時候,由于管徑的大小可能多變,從而對應(yīng)的模版 也較多,導(dǎo)致算法運算時間較長;基于形態(tài)學(xué)的曲線檢測,是根據(jù)圖像的灰度值進行檢測判 斷,能夠判斷目標(biāo)的區(qū)域但是得到是多根曲線,進行下一步計算還需對曲線進行處理。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明提供一種探地雷達地下目標(biāo)定位方法,旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中的目標(biāo)定位方 法復(fù)雜且定位精度不高的問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007] 1)對探地雷達的B-Scan探測回波數(shù)據(jù)進行二維經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解,得到K個頻率依次 遞減的二維經(jīng)驗?zāi)B(tài)函數(shù)分量IMF和1個殘差;
[0008] 2)將前M個(M《K)二維經(jīng)驗?zāi)B(tài)函數(shù)分量的均值作為探測回波數(shù)據(jù)的特征值;
[0009] 3)獲取所述探測回波數(shù)據(jù)的特征值的極值點,作為地下目標(biāo)頂點位置的估計值;
[0010] 4)估算電磁波在地下的傳播速度;
[0011] 5)根據(jù)所述地下目標(biāo)頂點位置的估計值和電磁波在地下的傳播速度,利用探地雷 達雙曲線數(shù)學(xué)模型,進行雙曲線擬合,完成地下目標(biāo)位置的定位。
[0012] 所述步驟1)中對探地雷達的探測回波數(shù)據(jù)進行二維經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的具體過程 為:
[0013]a)首先確定探地雷達的探測回波數(shù)據(jù)IfM的所有極值點,具體的采用八鄰域方法 確定If。.圖像所有的極大值和極小值;
[0014]b)對探地雷達的探測回波數(shù)據(jù)I。曲所有極值點利用徑向基函數(shù)進行插值,插值 后的極大值點和極小值點分別用El和Es表示,進行曲線擬合后得到探測回波數(shù)據(jù)IfM的上、 下包絡(luò);
[0015] 徑向基函數(shù)RBF的具體形式是:
[0016] (])
[0017]其中:S是徑向基函數(shù)伽巧,Pm是低次多項式,如線性或二次或d個變量的mth多 項式,I I?II表示歐幾里德范數(shù)。A1是RBF系數(shù),〇是實值函數(shù),常被稱為是徑向基函數(shù) RBF的中屯、。
[001引C)求上、下包絡(luò)的均值
[001引Em=巧i+Es)/2 ; 似
[0020]d)從原始探測回波數(shù)據(jù)IfM中減去EM,得到新的探測回波數(shù)據(jù) [00引]
(3)
[0022]e)根據(jù)IMF判定條件判定巧i是否為一個IMF,若是一個IMF,令第一個二維 經(jīng)驗?zāi)B(tài)函數(shù)分量(IMF)
吞則,用代替IfM,重復(fù)步驟 a)~d)直到判定/某為一個IMF,令第一個二維經(jīng)驗?zāi)B(tài)函數(shù)分量(IMF)巧^為殘差
如此重復(fù),直至得到K個頻率依次遞減的二維經(jīng)驗?zāi)B(tài)函數(shù)分量IMF和1個 殘差。
[002引所述IMF判定條件為設(shè)定SD闊值,
[0024]
煤
[002引其中,和為通過第ith個模式的連續(xù)兩次衰減結(jié)果,^ 表示第ith個模式分解的第j次衰減的第m行n列的數(shù)值,M、N表示二維探地雷達圖像的行數(shù)和列數(shù)。 實際中預(yù)設(shè)一個闊值T,當(dāng)SD小于該闊值時停止迭代,即判定片1是一個IMF。
[0026] 所述步驟3)中根據(jù)探地雷達原理得知目標(biāo)回波有雙曲線特征,雙曲線頂點的縱 坐標(biāo)表示最短的回波時延,即在運一測點探地雷達距離目標(biāo)最近。因此,逐列掃描選取的探 測回波數(shù)據(jù)的特征值,選取縱坐標(biāo)的最小值,確定雙曲線頂點的縱坐標(biāo)。雙曲線的橫坐標(biāo)就 代表目標(biāo)對應(yīng)的水平位置。所述步驟4)中采用頻率波束偏移法并結(jié)合最小賭技術(shù)估算電 磁波在地下的傳播速度。
[0027] 所述步驟5)中的探地雷達雙曲線數(shù)學(xué)模型為:
[0028]
(5)
[0029] 其中,X表示天線位置,X。表示目標(biāo)頂點位置的水平坐標(biāo),V表示電磁波在地下的 傳播速度,t。表示天線位置為X。的目標(biāo)反射回波時延,t表示天線位置為X的目標(biāo)反射回 波時延。
[0030] 本發(fā)明探地雷達地下目標(biāo)定位方法首先對探地雷達的探測回波數(shù)據(jù)進行二維經(jīng) 驗?zāi)B(tài)分解,得到若干個單成分信號,然后根據(jù)單成分信號提取探測回波數(shù)據(jù)特征值,估 算目標(biāo)頂點位置,然后結(jié)合估算出來的波速和探地雷達原理,進行雙曲線擬合,完成目標(biāo)定 位。該方法在較完整保留目標(biāo)信息的同時提升雜波抑制效果,提高了目標(biāo)定位的精度。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本實施例中探地雷達地下目標(biāo)定位方法流程圖;
[0032] 圖2為本實施例中二維經(jīng)驗?zāi)J椒纸馑惴鞒虉D;
[003引圖3為本實施例中探地雷達實測B-Scan回波圖像;
[0034] 圖4為本實施例中利用二維經(jīng)驗?zāi)J椒纸馓崛〉谝粋€IMF后的圖像;
[0035] 圖5為本實施例中雷達天線與目標(biāo)B-Scan回波的幾何位置關(guān)系圖;
[0036] 圖6為本實施例中擬合曲線繪制在原始B-Scan圖像上的效果圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖,對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明。
[003引如圖1所示,本實施例的探地雷達地下目標(biāo)定位方法包括如下步驟:
[0039] 1)對探地雷達的探測回波數(shù)據(jù)進行二維經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解,得到K個頻率依次遞減的 二維經(jīng)驗?zāi)B(tài)函數(shù)分量IMF和1個殘差;
[0040] 2)將前M個(M《K)二維經(jīng)驗?zāi)B(tài)函數(shù)分量的均值作為探測回波數(shù)據(jù)的特征值;
[0041] 3)獲取所述探測回波數(shù)據(jù)的特征值的極值點,作為地下目標(biāo)頂點位置的估計值;
[0042] 4)估算電磁波在地下的傳播速度;
[0043] 5)根據(jù)所述地下目標(biāo)頂點位置的估計值和電磁波在地下的傳播速度,利用探地雷 達雙曲線數(shù)學(xué)模型,進行雙曲線擬合,完成地下目標(biāo)位置的定位。
[0044] 下面對上述步驟進行詳細(xì)闡述:
[0045] 步驟1)中對探地雷達B-Scan探測回波數(shù)據(jù)進行二維經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解,經(jīng)驗?zāi)B(tài)分 解的過程可采用現(xiàn)有技術(shù)中的分解過程,如圖2所示,本實施例優(yōu)選如下的二維經(jīng)驗?zāi)B(tài) 分解過程:
[0046]Stepl首先