一种探地雷达地下目标定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种探地雷达地下目标定位方法，属于探地雷达探测领域。
【背景技术】
[0002] 探地雷达是近几十年迅速发展起来的一种有效的浅层地下目标探测技术，它是一 种非破坏性探测手段，具有探测速度快、分辨率高、操作方便灵活、探测成本低等诸多优点， 已被广泛应用于地下目标，如空洞、管道、地雷等的探测及定位。
[0003] 探地雷达探测的二维回波数据称为B-Scan数据，它是后续雷达信号处理、目标识 别及解译的数据基础，探地雷达目标定位技术也要基于B-Scan数据。对实现目标准确定位 影响最大的是探地雷达B-Scan数据中的"杂波"。探地雷达杂波可看作是除了目标回波以 外的各种回波，通常包括天线直达波、地表回波、地下非均匀介质产生的回波、以及伪目标 所产生的回波等等。探地雷达杂波使得对地下目标的准确探测变得困难，尤其对于浅层埋 地目标，目标回波与地表回波相比是较弱的成分，并且目标回波与地表回波间的时延很小， 目标回波易被地表强回波这类杂波所淹没。因此有效的抑制杂波方法是实现探地雷达目标 准确定位的首要任务。
[0004] 目前国内外常见的定位方法主要是基于B-Scan图像的双曲线提取，根据提取到 的双曲线进行速度估计再计算目标深度。目前常用的地下目标定位方法主要有以下五种： 1、基于神经网络对双曲线的提取，需要较多的数据进行训练，不易实现在线检测；2、釆用模 糊聚类的模式识别方法，对于金属管线和非金属管线都可能存在的浅层探测而言，容易产 生虚警，且容易漏掉非金属管线目标；3、基于图像分割和霍夫变换的方法，应用在浅层探测 管线的时候，不能有效区分较强的杂波和目标回波；4、基于图像分割和模板匹配的方法应 用在浅层探测管线时候，由于管径的大小可能多变，从而对应的模版也较多，导致算法运算 时间较长；5、基于形态学的曲线检测，是根据图像的灰度值进行检测判断，能够判断目标的 区域但是得到是多根曲线，进行下一步计算还需对曲线进行处理。
[0005] 另外，单演小波（Monogenic)信号是一维解析信号二维延拓的结果，该方法是将 实系数的小波基和它复值Riesz变换结合起来构成多尺度单演信号分析，从而使得每个小 波系数都有振幅，相位和方向信息。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种探地雷达地下目标定位方法，用以解决传统的地下目标 定位方法存在着诸多弊端的问题。
[0007] 为实现上述目的，本发明的方案包括一种探地雷达地下目标定位方法，包括以下 步骤：
[0008] (1)、将探地雷达B-Scan数据进行多尺度单演信号分析提取信号的振幅分量；
[0009] (2)、从所述振幅分量图像中找出目标感兴趣区域；
[0010] (3)、对所述目标感兴趣区域的振幅图像进行边缘提取；
[0011] (4)、利用霍夫变换进行目标双曲线的定位；
[0012] (5)、根据所述目标双曲线实现目标的定位。
[0013] 所述步骤⑴具体为：
[0014] 1)、构造小波域单演信号分析框架：假设f?是原始信号，解析小波杓(X)，得到的 小波系数:
[0017] 其中，ruM是Riesz变换的实部，r2,i[k]是Riesz变换的虚部；[0018] 2)、基于张量的方法得到方向向量为：u=(cos0，sin0 )，其解析变换形式为：
[0015]
[0016]
[0019] [k] = ; [k] cos 9+r2,; [k] sin 9或者
[0020] 3)、计算幅值和相位：
[0021]
[0022] 所述步骤2)具体为：
[0023] 1)、针对每一道A-Scan数据，利用能量和方差两个统计量，选取能量和方差都为 峰值的区域，并结合第一设定阈值，确定出目标所在的深度范围，用时间窗口表示为：ta~ tb；
[0024] 2)、让每道A-scan数据中除ta~、时间窗口之外的数据全为0,然后根据A-scan 数据的能量变化情况曲线，选择曲线中最大值处的位置，并结合第二设定阈值，确定目标的 R0I位置。
[0025] 所述步骤⑶具体为：
[0026]1)、采用高斯滤波进行去噪和剔除虚假目标；
[0027] 2)、利用Canny算子将所述目标感兴趣区域的正负图像进行边缘提取转换为二值 图像。
[0028] 所述步骤⑷具体为：
[0029] 1)、针对目标感兴趣区域的边缘提取的结果，将每个边缘像素点（x，t)都定义为 目标的中心点（X。，t。）；
[0030] 2)、将每个所述边缘像素点代入公5
中，结合不同的速度 值v变换到霍夫平面；
[0031] 3)、霍夫平面内的出现频数最大的三个参数：x。，t。及v对应的值即为该双曲线的 顶点坐标（X。，t。）及波速V。
[0032] 所述目标的定位包括：
[0033] 目标深度定位：H=t。?V，其中，t。为双曲线顶点的反射回波时延，v为电磁波在 介质中的传播速度，H为目标的深度位置；
[0034] 目标水平位置定位：S=X。?Ax，X。为双曲线顶点的横坐标，Ax为天线的移动步 长，S为目标的水平位置。
[0035] 首先，本发明提供的探地雷达地下目标定位方法，不需要进行数据的训练，所以容 易进行在线检测；能够较完整保留目标信息，从而提升目标定位的精度，对于金属管线和非 金属管线都可能存在的浅层探测而言，不易产生虚警，所以不易漏掉非金属管线目标；能 够提升杂波抑制效果，有效区分较强的杂波和目标回波；基于的算法较为简单，算法运算时 间短，保证了快速进行目标定位。
【附图说明】
[0036] 图1是本发明提供的探地雷达地下目标定位方法的流程图；
[0037] 图2是探地雷达实测的B-Scan回波图；
[0038] 图3是利用多尺度单演信号提取振幅后的图像；
[0039] 图4是采用霍夫变换进行目标双曲线的定位的原理图；
[0040] 图5是提取到的单演振幅图像依次经边缘检测和霍夫变换的处理后产生的图像；
[0041] 图6是霍夫平面上的各个曲线图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0043] 单演小波（Monogenic)信号是一维解析信号二维延拓的结果，该方法是将实系数 的小波基和它复值Riesz变换结合起来构成多尺度单演信号分析，从而使得每个小波系数 都有振幅，相位和方向信息，因此，采用单演小波进行目标回波振幅特征的提取，能够在较 完整保留目标彳目息的同时提升杂波抑制效果，从而提升目标定位的精度。
[0044] 本发明是一种基于多尺度单演（Monogenic)信号分析的方法来进行探地雷达地 下目标的定位，如图1所示，具体如下：
[0045] 1、首先将图2所示的探地雷达回波B-Scan图像进行多尺度单演信号分析提取信 号的振幅分量。具体包含以下步骤：
[0046] 1. 1、针对探地雷达的B-Scan探测回波数据f(x)，其中x= (x，y)，求其Riesz 变换：
[0047]
[0048] 其中货即表示f(x)的Riesz变换，名=))为Riesz变换的实部， ./2 = //术)?(/Qf))为Riesz变换的虚部。
[0049] 1.2、构造小波域单演信号分析框架。假设f是原始信号，解析小波Mx)，得到的 小波系数:
[0050]
[0051]
[0052] 其中，r^lik]是《i[k]的Riesz变换的实部，r2,i[k]是《i[k]的Riesz变换的虚 部。
[0053] 1. 3、基于张量的方法得到方向向量为：
[0054]u=(cos9，sin9) (4)
[0055] 其相应的解析变换形式可以用下式表示：
[0056]q; [k] =rht [k]cos9 +r2>; [k]sin9 (5)
[0057]或者：
[0058]
(6)
[0059] 1. 5、计算得到的幅度和相位：
[0060]
[0061]
[0062] 从而实现了在小波子频带中由小波振幅提取出了探地雷达B-Scan探测数据中的 幅度分量，如图3所示。
[0063] 2、采