一種探地雷達(dá)地埋目標(biāo)有效信號(hào)增強(qiáng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明是一種探地雷達(dá)地埋目標(biāo)有效信號(hào)增強(qiáng)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的濾波 去噪和干擾信號(hào)壓制，增強(qiáng)如管線等地埋目標(biāo)的有效信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0002] 反射式探測(cè)和透射式探測(cè)是常用的兩種探地雷達(dá)探測(cè)方法。反射式探地雷達(dá)通過(guò) 對(duì)地發(fā)射電磁波并接收回波信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下目標(biāo)的探測(cè)，該探測(cè)方法接收的數(shù)據(jù)是本發(fā)明 數(shù)據(jù)處理的來(lái)源。
[0003] 由于反射式探地雷達(dá)中發(fā)射天線和接收天線都放置于被測(cè)介質(zhì)表面，因此在接收 到的數(shù)據(jù)中除了被測(cè)介質(zhì)的回波外，還包括空氣直達(dá)波和地表折射波等背景信號(hào)。通?？?氣直達(dá)波和地表折射波都表現(xiàn)為直線，而如管線等地埋目標(biāo)產(chǎn)生的有效回波信號(hào)表現(xiàn)為雙 曲線。
[0004] 本發(fā)明的目的在于通過(guò)S變換和SVD對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在保真有效回波信 號(hào)的同時(shí)，濾除空氣直達(dá)波、地表折射波等背景信號(hào)，并壓制噪聲，增強(qiáng)有效信號(hào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是通過(guò)利用聯(lián)合S變換和SVD，實(shí)現(xiàn)對(duì)地埋目標(biāo)如管線等有效回波信 號(hào)的識(shí)別和增強(qiáng)，能夠在去除噪聲的同時(shí)保留有效波，實(shí)現(xiàn)對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的高保真濾波 去噪。
[0006] -種探地雷達(dá)地埋目標(biāo)有效信號(hào)增強(qiáng)方法的基本實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0007] 步驟一：利用SVD對(duì)時(shí)間-空間域中的數(shù)據(jù)Xo做奇異值分解，并將第一個(gè)最大奇異 值置零，對(duì)分解后的信號(hào)進(jìn)行合成，得到去除了直達(dá)波后的數(shù)據(jù)X，其中X和Xo都是N行M列 的數(shù)組，M表示采樣道數(shù)，N表示每一道數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)；
[000引步驟二:將X中的每一道數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)S變換到頻率-延時(shí)域，得到數(shù)據(jù)&化，11)，其中 下標(biāo)j為正整數(shù)表示道數(shù)，0< j < M，n是延遲因子，k是頻譜分量，0非如-1，0如如-1，即Sj 化，n)是一個(gè)維數(shù)為N X N的數(shù)組；
[0009] 步驟對(duì)數(shù)據(jù)Sj化，n)應(yīng)用SVD，對(duì)應(yīng)每一道j得到S個(gè)數(shù)組Uj, Qi和Vj,其中Qi是 NX閑戶負(fù)對(duì)角陣，Uj=[u日,j，Ul,j，…，UN-l,J和Vj = [v日,j，Vl,j，…，VN-l,j]都是維數(shù)為NXN的酉 陣；
[0010] 步驟四：從向量Vi,j中找到最大值，并將該最大值記錄為Qi,j，其中0<i ^N-I,對(duì)應(yīng) 每一道數(shù)據(jù)有N個(gè)最大值，對(duì)于所有的道數(shù)共有記錄N X M個(gè)；
[OOW 步驟五:對(duì)記錄的所有的qi,J利用雙曲線擬合，選出符合雙曲線規(guī)律數(shù)據(jù)，并將對(duì) 應(yīng)的位置值(i，j)0保存在記錄集P中；
[0012]步驟六:保存記錄P中對(duì)應(yīng)（i，j)的向量ViJ的值，將其他的值置零，獲得一個(gè)新的 矩陣
[0013] 步驟屯:合成處理后的數(shù)據(jù)得到式.托n);
[0014] 步驟八:對(duì)數(shù)據(jù)馬.批n)采用逆S變換，得到最終處理后的數(shù)據(jù)義。
[0015] 進(jìn)一步地，所述步驟一中，SVD的具體公式為： X=UQyH 假設(shè)X是一大小為NXM的數(shù)據(jù)矩陣，則Q是維數(shù)為NXM非負(fù)對(duì)角陣，U是一個(gè)維數(shù)為NX N的酉陣，V-個(gè)維數(shù)為M X M的酉陣，yH是矩陣V的共輛轉(zhuǎn)置。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟二中，使用S變換的具體公式為：
其中X(m，j)為m時(shí)刻第j道的時(shí)域采樣數(shù)據(jù)，也是矩陣X第m行第j列的數(shù)據(jù)，0<m<N-l， 0 y < M-I，n是延遲因子，k是頻譜分量，0 < k < N-I，0如< N-I。
[0017] 進(jìn)一步地，所述步驟S中，所述的SVD其具體公式與權(quán)利要求2所述一致。
[0018] 進(jìn)一步地，所述步驟四中，Vi,J為矩陣Vj中的第i個(gè)向量，其長(zhǎng)度為N，vi,J中最大值 對(duì)應(yīng)的位置記錄為qi, ^戈表的是可能為信號(hào)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)的延時(shí)信息。
[0019] 進(jìn)一步地，所述步驟五中，記錄集P中的（i，j)o為一簇值，該系列值代表記錄qi, J中 所有能符合雙曲線擬合規(guī)律的（i，j)位置值；
[0020] 進(jìn)一步地，所述步驟六中，新矩陣禾j.中對(duì)應(yīng)位置(i，j)o處的向量Vi,北勺值等于原矩 陣Vj中對(duì)應(yīng)位置(i，j)o處的向量值，其它位置處的值為零向量；
[0021] 進(jìn)一步地，所述步驟屯中，合成數(shù)據(jù)的具體公式為： 式批 11)二 u/vi'f 其中ff是專利要求1步驟六中得到的的共輛轉(zhuǎn)置矩陣。
[0022] 進(jìn)一步地，所述步驟八中，逆S變換可W用分成兩步完成，第一針對(duì)延遲量n將所有 的別知1)做累加得到= SlUTlR (/(.")|，第二對(duì)F^k)做逆傅里葉變換得到X :。 衍 【附圖說(shuō)明】 圖1為探地雷達(dá)地埋目標(biāo)有效信號(hào)增強(qiáng)方法的流程框圖； 圖2為加噪后的原始雷達(dá)剖面圖； 圖3為目標(biāo)增強(qiáng)后的雷達(dá)剖面圖。 【具體實(shí)施方式】 W下結(jié)合具體方法實(shí)施過(guò)程對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā) 明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。 在一個(gè)長(zhǎng)為2.5m，高為1.2m的空間內(nèi)，填滿水泥，中間放置一個(gè)金屬管，中屯、位置為 (1.25m，0.95m)，天線頻率為IGHz。天線位置為離地表0.05m，初始橫坐標(biāo)為0.6075m，每次位 移量為0.02m，共義65道。 將采集得到的信號(hào)，按照如下步驟進(jìn)行處理： 1) 利用SVD對(duì)時(shí)間-空間域中的數(shù)據(jù)Xo做奇異值分解，并將第一個(gè)最大奇異值置零，對(duì) 分解后的信號(hào)進(jìn)行合成，得到去除了直達(dá)波后的數(shù)據(jù)X，其中X和Xo都是N行M列的數(shù)組，M表 示采樣道數(shù)，N表示每一道數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)； 2) 將X中的每一道數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)S變換到頻率-空間域，得到數(shù)據(jù)&化，11)，其中下標(biāo)j為正 整數(shù)表示道數(shù)，〇<j < M，n是延遲因子，k是頻譜分量，0非如-1，0如如-1，即Sj化,n)是一 個(gè)維數(shù)為N X N的數(shù)組； 3) 對(duì)數(shù)據(jù)Sj化，n)應(yīng)用SVD，對(duì)應(yīng)每一道j得到S個(gè)數(shù)組Uj，Q i和Vj，其中Q i是N X閑戶負(fù) 對(duì)角陣，Uj=[u日,j，山,j，???，UN-l,j巧PIVj=[v日,j，vl,j，???，VN-l,j]都是維數(shù)為NXN的酉陣； 4) 從向量Vi, j中找到最大值，并將該最大值記錄為qi, j，其中0< i ^ N-I，對(duì)應(yīng)每一道數(shù) 據(jù)有N個(gè)最大值，對(duì)于所有的道數(shù)共有記錄N X M個(gè)； 5) 對(duì)記錄的所有的qi,#U用雙曲線擬合，選出符合雙曲線規(guī)律數(shù)據(jù)，并將對(duì)應(yīng)的Q J) 保存在記錄集P中； 6) 保存記錄P中對(duì)應(yīng)(i，j)的向量Vi,J的值，將其他的值置零，獲得一個(gè)新的矩陣 7) 合成處理后的數(shù)據(jù)得到式批打)； 8) 對(duì)數(shù)據(jù)心，11)采用逆S變換，得到最終處理后的數(shù)據(jù)文。 利用前面闡述的地埋目標(biāo)有效信號(hào)增強(qiáng)方法，對(duì)圖2進(jìn)行處理，得到圖3,從圖3可W看 出背景信號(hào)被分離，噪聲被有效壓制，原本微弱的雙曲反射特征得到了加強(qiáng)。 綜上，本發(fā)明通過(guò)利用S變換和SVD提出了一種探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的高保真濾波處理的新方 法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)探地雷達(dá)地埋目標(biāo)回波有效信號(hào)的增強(qiáng)。 W上所述僅為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的較佳實(shí)例，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原 則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種探地雷達(dá)地埋目標(biāo)有效信號(hào)增強(qiáng)方法，用于探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，其特征在于，通 過(guò)利用S變換和SVD，實(shí)現(xiàn)對(duì)地埋目標(biāo)如管線等有效回波信號(hào)的識(shí)別和增強(qiáng)，包括如下步驟： 步驟一：利用SVD對(duì)時(shí)間-空間域中的數(shù)據(jù)Xo做奇異值分解，并將第一個(gè)最大奇異值置 零，對(duì)分解后的信號(hào)進(jìn)行合成，得到去除了直達(dá)波和折射波的數(shù)據(jù)X，其中X和Xo都是N行M列 的數(shù)組，M表示采樣道數(shù)，N表示每一道數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)； 步驟二:將X中的每一道數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)S變換到頻率-延時(shí)域，得到數(shù)據(jù)S」(k，n)，其中下標(biāo)j 為正整數(shù)表示道數(shù)，0〈j < M，n是延遲因子，k是頻譜分量，0 < k < N-I，0 < η < N-I，即Sj(k，n) 是一個(gè)維數(shù)為N X N的數(shù)組； 步驟三:對(duì)數(shù)據(jù)Sj(k，η)應(yīng)用SVD，對(duì)應(yīng)每一道j得到三個(gè)數(shù)組Uj，Ω i和Vj，其中Ω i是NXN 非負(fù)對(duì)角陣，山=[11〇,」，111,」，-_，1^-1,』]和^^=[￥(),」，￥1,」，-_^-1,』]都是維數(shù)為以1'1的酉陣 ； 步驟四：從右奇異向量VU中找到最大值，并將該最大值對(duì)應(yīng)的位置記錄為qi,P其中0 < i < N-I，對(duì)應(yīng)每一道數(shù)據(jù)有N個(gè)值，對(duì)于所有的道數(shù)共有記錄NXM個(gè)； 步驟五:對(duì)記錄的所有的利用雙曲線擬合，選出符合雙曲線規(guī)律數(shù)據(jù)，并將對(duì)應(yīng)的 位置值(i，j) Q保存在記錄集P中； 步驟六:保存記錄P中對(duì)應(yīng)（i，j)的右奇異向量Vi, j的值，將其他的值置零，獲得一個(gè)新 的矩陣% ; 步驟七:利用進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，得到處理后的數(shù)據(jù)&以,11).; 步驟八:對(duì)數(shù)據(jù)毛(?,η)采用逆S變換，得到最終處理后的數(shù)據(jù)竟。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟一中，SVD的具體公式為： X = UQVh 假設(shè)X是一大小為NXM的數(shù)據(jù)矩陣，則Ω是維數(shù)為NXM非負(fù)對(duì)角陣，U是一個(gè)維數(shù)為NX N的酉陣，V-個(gè)維數(shù)為M X M的酉陣，Vh是矩陣V的共輒轉(zhuǎn)置。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟二中，使用S變換的具體公式為：其中x(m，j)為m時(shí)刻第j道的時(shí)域采樣數(shù)據(jù)，也是矩陣X第m行第j列的數(shù)據(jù)，N-I， OS j SM-I，n是延遲因子，k是頻譜分量，N-I，0< n SN-I。4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟三中，所述的SVD其具體公式與權(quán)利 要求2所述一致。5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟四中，為矩陣Vj中的第i個(gè)向量， 其長(zhǎng)度為N，vu中最大值對(duì)應(yīng)的位置記錄為代表的是可能為信號(hào)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)的延時(shí)信 息。6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟七中，合成數(shù)據(jù)的具體公式為：其中tf是專利要求1步驟六中得到的令^的共輒轉(zhuǎn)置矩陣。7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟八中，逆S變換可以用分成兩步完 成，第一針對(duì)延遲量η將所有的&p,n)做累加得到 做逆FFT變換得到文。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種探地雷達(dá)地埋目標(biāo)有效信號(hào)增強(qiáng)方法，通過(guò)利用S變換和SVD，實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的濾除以及地埋目標(biāo)如管線等產(chǎn)生的有效回波信號(hào)的識(shí)別和增強(qiáng)。本方法首先利用SVD對(duì)直達(dá)波以及折射波進(jìn)行了分離和濾除，然后利用S變換得到了所有道數(shù)據(jù)的頻率-延時(shí)域數(shù)據(jù)，接著通過(guò)對(duì)頻率延時(shí)域數(shù)據(jù)再次進(jìn)行SVD分析得到每一道數(shù)據(jù)中信號(hào)可能出現(xiàn)的延時(shí)信息，再通過(guò)分析延時(shí)信息是否符合雙曲線特征來(lái)判斷是否屬于有效信號(hào)，保留下有效成分進(jìn)行逆SVD和逆S變換，得到濾波增強(qiáng)后的有效信號(hào)。本方法能夠在去除噪聲和雜波的同時(shí)保留有效波，實(shí)現(xiàn)對(duì)有效回波信號(hào)的識(shí)別和增強(qiáng)。
【IPC分類】G01S7/41
【公開(kāi)號(hào)】CN105527618
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610103980
【發(fā)明人】鄭晶, 彭蘇萍, 楊峰
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【公開(kāi)日】2016年4月27日
【申請(qǐng)日】2016年2月26日