一种探地雷达地下目标定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及探地雷达探测领域，具体设及一种探地雷达地下目标定位方法。
【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，如空桐、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W 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、W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运类杂波所淹没。因此探地雷达抑制杂波是实现探地雷达目标准 确定位的首要任务。
[0004] 常见的定位方法主要是基于B扫描图像的双曲线提取，根据提取到的双曲线进行 速度计算目标深度。主要有：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；采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，并且容易漏掉非金属管线目标。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；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；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。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种探地雷达地下目标定位方法，旨在解决现有技术中的目标定位方 法复杂且定位精度不高的问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
[0007] 1)对探地雷达的B-Scan探测回波数据进行二维经验模态分解，得到K个频率依次 递减的二维经验模态函数分量IMF和1个残差；
[0008] 2)将前M个（M《K)二维经验模态函数分量的均值作为探测回波数据的特征值；
[0009] 3)获取所述探测回波数据的特征值的极值点，作为地下目标顶点位置的估计值；
[0010] 4)估算电磁波在地下的传播速度；
[0011] 5)根据所述地下目标顶点位置的估计值和电磁波在地下的传播速度，利用探地雷 达双曲线数学模型，进行双曲线拟合，完成地下目标位置的定位。
[0012] 所述步骤1)中对探地雷达的探测回波数据进行二维经验模态分解的具体过程 为：
[0013]a)首先确定探地雷达的探测回波数据IfM的所有极值点，具体的采用八邻域方法 确定If。.图像所有的极大值和极小值；
[0014]b)对探地雷达的探测回波数据I。曲所有极值点利用径向基函数进行插值，插值 后的极大值点和极小值点分别用El和Es表示，进行曲线拟合后得到探测回波数据IfM的上、 下包络；
[0015] 径向基函数RBF的具体形式是：
[0016] (])
[0017]其中：S是径向基函数伽巧，Pm是低次多项式，如线性或二次或d个变量的mth多 项式，I I?II表示欧几里德范数。A1是RBF系数，〇是实值函数，常被称为是径向基函数 RBF的中屯、。
[001引C)求上、下包络的均值
[001引Em=巧i+Es)/2 ; 似
[0020]d)从原始探测回波数据IfM中减去EM，得到新的探测回波数据 [00引]
(3)
[0022]e)根据IMF判定条件判定巧i是否为一个IMF,若是一个IMF,令第一个二维 经验模态函数分量（IMF)
吞则，用代替IfM，重复步骤 a)~d)直到判定/某为一个IMF,令第一个二维经验模态函数分量（IMF)巧^为残差
如此重复，直至得到K个频率依次递减的二维经验模态函数分量IMF和1个 残差。
[002引所述IMF判定条件为设定SD阔值，
[0024]
煤
[002引其中，和为通过第ith个模式的连续两次衰减结果，^ 表示第ith个模式分解的第j次衰减的第m行n列的数值，M、N表示二维探地雷达图像的行数和列数。 实际中预设一个阔值T，当SD小于该阔值时停止迭代，即判定片1是一个IMF。
[0026] 所述步骤3)中根据探地雷达原理得知目标回波有双曲线特征，双曲线顶点的纵 坐标表示最短的回波时延，即在运一测点探地雷达距离目标最近。因此，逐列扫描选取的探 测回波数据的特征值，选取纵坐标的最小值，确定双曲线顶点的纵坐标。双曲线的横坐标就 代表目标对应的水平位置。所述步骤4)中采用频率波束偏移法并结合最小赌技术估算电 磁波在地下的传播速度。
[0027] 所述步骤5)中的探地雷达双曲线数学模型为：
[0028]
(5)
[0029] 其中，X表示天线位置，X。表示目标顶点位置的水平坐标，V表示电磁波在地下的 传播速度，t。表示天线位置为X。的目标反射回波时延，t表示天线位置为X的目标反射回 波时延。
[0030] 本发明探地雷达地下目标定位方法首先对探地雷达的探测回波数据进行二维经 验模态分解，得到若干个单成分信号，然后根据单成分信号提取探测回波数据特征值，估 算目标顶点位置，然后结合估算出来的波速和探地雷达原理，进行双曲线拟合，完成目标定 位。该方法在较完整保留目标信息的同时提升杂波抑制效果，提高了目标定位的精度。
【附图说明】
[0031] 图1为本实施例中探地雷达地下目标定位方法流程图；
[0032] 图2为本实施例中二维经验模式分解算法流程图；
[003引图3为本实施例中探地雷达实测B-Scan回波图像；
[0034] 图4为本实施例中利用二维经验模式分解提取第一个IMF后的图像；
[0035] 图5为本实施例中雷达天线与目标B-Scan回波的几何位置关系图；
[0036] 图6为本实施例中拟合曲线绘制在原始B-Scan图像上的效果图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[003引如图1所示，本实施例的探地雷达地下目标定位方法包括如下步骤：
[0039] 1)对探地雷达的探测回波数据进行二维经验模态分解，得到K个频率依次递减的 二维经验模态函数分量IMF和1个残差；
[0040] 2)将前M个（M《K)二维经验模态函数分量的均值作为探测回波数据的特征值；
[0041] 3)获取所述探测回波数据的特征值的极值点，作为地下目标顶点位置的估计值；
[0042] 4)估算电磁波在地下的传播速度；
[0043] 5)根据所述地下目标顶点位置的估计值和电磁波在地下的传播速度，利用探地雷 达双曲线数学模型，进行双曲线拟合，完成地下目标位置的定位。
[0044] 下面对上述步骤进行详细阐述：
[0045] 步骤1)中对探地雷达B-Scan探测回波数据进行二维经验模态分解，经验模态分 解的过程可采用现有技术中的分解过程，如图2所示，本实施例优选如下的二维经验模态 分解过程：
[0046]Stepl首先