在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標檢測識別方法
2023-05-30 06:45:31
專利名稱：在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標檢測識別方法
技術領域：
本發明屬於探地雷達信號處理技術領域，特別是涉及一種在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標檢測識別方法。
背景技術：
探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是一種通過向地下發射超高頻 (IO6MHz-IO8MHZ)的寬頻帶窄脈衝電磁波而對地下介質內不可見的目標或界面進行定位的電磁技術。電磁波遇到介質層中電磁特性變化的目標體即發生反射，返回地表時被探地雷達的接收天線接收，並根據其延時、形狀及頻譜特性等參數解譯出目標位置、結構及屬性等目標信息。由於探地雷達具有無損、快速、穿透力強及解析度高等優點，因此逐漸被人們所熟知，被應用於工程勘察，並在許多領域都獲得了較成熟的研究成果，如高速公路路面和機場跑道隱性災害的檢測、混凝土建築結構檢測、地下管線和人防工事探測及考古調查等領域。在探地雷達系統中，為了獲得更多反射波的特徵，通常使用寬頻帶接收機記錄回波，因此其在接收有用信號的同時，無可避免地會接收到各種幹擾和噪聲。探地雷達的幹擾主要來自以下幾個方面1、儀器的噪聲及系統噪聲；2、來自手機、電臺等電磁幹擾；3、汽車、飛機等產生的噪聲；4、來自地下加固鋼筋、通信電纜、管線等設施的反射波；5、來自地下非探測目的體的局部不均勻體的反射波；一般來說，從頻域上即能夠分辨出是否存在噪聲，並能在頻域上抑制掉大部分的噪聲能量。後兩類幹擾是相干幹擾，當它們不是探測目的體時，其反射波就變成了幹擾波。 但對於相干幹擾則並非如此，它們在時空域上與感興趣的目標回波混疊在一起，在頻域上也無法分開。甚至某些小目標的回波在能量上遠遠小於加固鋼筋等強反射體的回波，從而導致其回波被湮沒在鋼筋回波中，因此很難被檢測到。總而言之，相干幹擾波的存在使得對感興趣目標的檢測識別工作變得十分困難，因此需要儘可能地進行消除。
發明內容
為了解決上述問題，本發明的目的在於提供一種受噪聲、鋼筋回波影響小，檢測識別率高的在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標識別方法。為了達到上述目的，本發明提供的在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標識別方法包括按順序進行的下列步驟(1)對探地雷達時空二維回波數據進行預處理，以去除時空二維回波數據中的直達波分量和噪聲；(2)利用時空二維回波數據進行目標檢測，並確定目標的橫向位置；
(3)提取每個目標的一道回波數據並進行識別，從而確定鋼筋的橫向位置；(4)利用Hyp-curvelet變換將鋼筋回波與災害回波分離，抑制鋼筋回波，重構災害回波，然後重新進行災害檢測識別。所述的步驟O)中目標檢測的方法是利用Hyp-curvelet變換在一個合適的尺度下對時空二維回波數據進行分解，通過在尺度空間中搜索局部峰值來檢測目標及得到目標的橫向位置。所述的步驟(3)中目標識別的方法是首先基於不同種類目標回波時頻能量密度分布之間的差異，在時頻平面上提取時間方差、頻率方差和正負能量時間中心三個特徵，並利用該三維特徵和最小距離分類器將待識別目標判為最可能的兩類目標，然後採用Fisher 線性判別分析方法預選出區分該兩類目標性能最好的特徵子集，最後完成識別，同時得到鋼筋的橫向位置。所述的步驟中鋼筋回波抑制的方法是首先利用Hyp-curvelet變換將探地雷達時空二維回波信號在多個尺度下進行投影，目標回波的能量將聚集且與其他目標分離， 進而結合步驟(3)中得出的鋼筋的橫向位置，在尺度空間中消除鋼筋回波分量，最後將數據反變換回時空域，得到抑制了鋼筋回波的數據。本發明提供的在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標識別方法是在鋼筋強反射回波幹擾的背景下，首先對探地雷達天線接收到的時空二維回波數據進行預處理，然後進行目標檢測，並確定目標的橫向位置，再提取每個目標的一道回波數據進行目標識別，從而確定鋼筋的橫向位置，最後利用波場分離理論將鋼筋回波與目標回波分離，並進一步進行抑制，重新檢測識別，達到災害檢測識別的目的。本方法具有受噪聲、鋼筋回波影響小，檢測識別率高等優點。
圖1為本發明提供的在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標檢測識別方法流程圖。圖2(a)和圖2(b)分別為本發明所採用的一段探地雷達的時空二維回波數據的幾何模型及其B-scan橫向堆積圖。圖3為使用Hyp-curvelet變換在一個合適的尺度下分解的結果圖。圖4為待識別目標數據的時頻特徵在特徵空間的分布圖。圖5為鋼筋回波抑制後重構的B-scan數據圖。圖6(a)和圖6(b)分別為使用重構數據重新檢測和識別的結果圖。
具體實施例方式下面參照附圖和具體實施例對本發明提供的在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標檢測識別方法進行詳細說明。為了方便災害目標識別性能分析且不失一般性，本實施例在機場跑道兩層結構中使用發射脈衝波形為Ricker波、中心頻率為1GHz、收發分置的探地雷達系統進行災害檢測識別。在其它道面結構下使用其它探地雷達系統，本發明的方法同樣適用。如圖1所示，本發明提供的在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標檢測識別方法包括按順序進行的下列步驟(1)對探地雷達(GPR)時空二維回波(B-scan)數據進行預處理，以去除時空二維回波數據中的直達波分量和噪聲，以便後續處理；(2)利用時空二維回波數據進行目標檢測，並確定目標的橫向位置；探地雷達沿著測試線掃描時，天線與目標的相對距離不斷變化而導致目標回波信號在時空域呈現近似雙曲線的形狀，我們認為可通過在時空域中檢測雙曲線來實現目標檢測。Hyp-curve let變換實質上是雙曲線Radon變換切片上的一維小波變換，它延續了雙曲線Radon變換在描述雙曲線奇性上的優越性能，其定義為ffY (b) = ura*Rhypf(T ,b)= = / / f(t, χ) ￥Ydtdx(1)其中，「*」表示卷積運算；RHYP(t,b)為雙曲線Radon變換結果；f為GPR B-scan 數據；綜合考慮GI^R信號的時空域特徵和衰減特性後，Hyp-curvelet小波Ψ γ可表示為
權利要求
1.一種在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標識別方法，其特徵在於所述的在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標識別方法包括按順序進行的下列步驟(1)對探地雷達時空二維回波數據進行預處理，以去除時空二維回波數據中的直達波分量和噪聲；(2)利用時空二維回波數據進行目標檢測，並確定目標的橫向位置；(3)提取每個目標的一道回波數據並進行識別，從而確定鋼筋的橫向位置；(4)利用Hyp-curvelet變換將鋼筋回波與災害回波分離，抑制鋼筋回波，重構災害回波，然後重新進行災害檢測識別。
2.根據權利要求1所述的在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標識別方法，其特徵在於所述的步驟( 中目標檢測的方法是利用Hyp-curvelet變換在一個合適的尺度下對時空二維回波數據進行分解，通過在尺度空間中搜索局部峰值來檢測目標及得到目標的橫向位置。
3.根據權利要求1所述的在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標識別方法，其特徵在於所述的步驟(3)中目標識別的方法是首先基於不同種類目標回波時頻能量密度分布之間的差異，在時頻平面上提取時間方差、頻率方差和正負能量時間中心三個特徵，並利用該三維特徵和最小距離分類器將待識別目標判為最可能的兩類目標，然後採用Fisher線性判別分析方法預選出區分該兩類目標性能最好的特徵子集，最後完成識別，同時得到鋼筋的橫向位置。
4.根據權利要求1所述的在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標識別方法，其特徵在於所述的步驟⑷中鋼筋回波抑制的方法是首先利用Hyp-curvelet變換將探地雷達時空二維回波信號在多個尺度下進行投影，目標回波的能量將聚集且與其他目標分離，進而結合步驟(3)中得出的鋼筋的橫向位置，在尺度空間中消除鋼筋回波分量，最後將數據反變換回時空域，得到抑制了鋼筋回波的數據。
全文摘要
一種在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標識別方法。其主要包括目標檢測、識別算法及鋼筋回波抑制算法等步驟。本發明提供的在鋼筋強反射回波幹擾下的道面災害目標識別方法是在鋼筋強反射回波幹擾的背景下，首先對探地雷達天線接收到的時空二維回波數據進行預處理，然後進行目標檢測，並確定目標的橫向位置，再提取每個目標的一道回波數據進行目標識別，從而確定鋼筋的橫向位置，最後利用波場分離理論將鋼筋回波與目標回波分離，並進一步進行抑制，重新檢測識別，達到災害檢測識別的目的。本方法具有受噪聲、鋼筋回波影響小，檢測識別率高等優點。
文檔編號G01S7/41GK102495402SQ20111041742
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者何煒琨, 劉家學, 吳仁彪, 鍾羽中 申請人:中國民航大學