一种基于Hough变换探地雷达目标提取方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及探地雷达地下目标识别与提取技术领域，尤其涉及雷达信号处理以及 数字图像处理技术领域，特别涉及一种基于Hough变换探地雷达目标提取方法和装置。
【背景技术】
[0002] 探地雷达是一种新型的无损探测浅层地下目标的探测设备。它通过发射天线发射 高频宽带电磁波，接收天线接收回波信号，最后通过对回波的分析推断地下介质的结构。由 于地下不同介质的电磁性质差异，雷达波到达介质分界面时产生强烈的回波，根据回波信 号的旅程时间、幅度、相位信息，推断介质的结构及性质等。
[0003] 雷达脉冲信号在发射到接收的过程中，主要的信号衰减是来自于地层的两次传 播、分界面的反射、收发端的能量损耗。由于收发端的能量损耗是固定不变且一定范围内可 控的，故可以对地层中雷达信号的传输、散射和反射进行分析。
[0004] 探地雷达在一个水平表面上工作。设X为雷达的水平位置，电磁波在介质中传播， 遇到目标反射回来由接收天线接收，这之间的旅程时间设为t，当雷达处于目标上方时，设 X = X。，t = t0〇那么推导出的X-t方程为：
[0006] 针对雷达回波信号列构成的二维灰度图像，检测出上式所示的双曲线，并确定双 曲线的参数便是最亟需解决的问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种基于Hough变换探地雷达目标提取方法和装置，以解 决探地雷达目标提取与识别的相关问题，通过信号处理、数字图像处理、图形识别等一系列 方法来获得地下目标的空间位置信息。
[0008] -种基于Hough变换探地雷达目标提取方法，获取N列A-Scan回波信号构成二 维灰度图像B-Scan，再通过分析处理B-Scan的数据来获取目标位置信息，具体包括以下步 骤：
[0009] 步骤S1、对获取的N列A-Scan回波信号数据预处理与归一化；
[0010] 步骤S2、滑动平移滤波；
[0011] 步骤S3、模极大值判别波峰波谷；
[0012] 步骤S4、基于Hough变换提取双曲线；
[0013] 步骤S5、实测物体位置计算。
[0014] 其中，所述步骤S1、对获取的N列A-Scan回波信号数据预处理与归一化；具体为：
[0015] 将A-Scan信号数据中前一部分无效数据点去除，搜索待处理数据的最大值
[0016] 与最小值，并将数据归一化到[0, 1]之内以备后续处理，归一化公式为：
[0017] X " = (X-min (X)) / (max (X) -min (X))
[0018] 其中，X"代表归一化后的回波数据值，X代表归一化前的回波数据值，max(X)代 表回波数据中的最大值，min(X)代表回波数据中的最小值。
[0019] 其中，所述步骤S2、滑动平移滤波；具体为：
[0020] 对于步骤S1中得到的A-Scan数据，采用16组相邻A-Scan信号取滑动平均的方 法进行平滑处理：
[0021] X(：, i) = Σ0^,<16Χ(：, i+k)/16,0 ^ i < N-16
[0022] 其中，N为二维图像B-Scan中回波信号的总列数。
[0023] 其中，所述步骤S3、模极大值判别波峰波谷；具体为：
[0024] (a)选定coif3小波进行小波变换；
[0025] (b)将各列A-Scan原始信号进行coif3小波分解，对小波系数进行处理之后重构 信号；
[0026] (c)通过设定高阈值和低阈值来确定峰值点出现的区域，并使用导数过零点的方 法找到峰值点准确位置；
[0027] (d)将提取到的二维波峰点二值化为灰度图，其中，峰值点为1，其他为0。
[0028] 其中，所述步骤S4、基于Hough变换提取双曲线；具体为：
[0029] 针对双曲线方程：
[0031] (1)匹配 A，B;
[0032] 根据双曲线存在一对渐近线：
[0034] 可以得到：
[0036] 其中（Xl，yi)，（x2，y 2)为图像空间的两个点，实际有效点为双曲线两支所在位置， 又有
则得到A，B之间的关系；
[0037] (2)匹配 a，b ;
[0038] 根据双曲线顶点曲线类似圆弧的原理提取实轴与虚轴长度，具体方法：抽取某个 区域三个不同块的点，移动该区域获得不同组抽样值，计算三个点组成的弧的圆心位置，用 Hough变换搜索最多的圆心点的位置并依据该位置来确定双曲线的参数；
[0039] 设求得的圆方程为：
[0040] (X-X) 2+ (y-y)2 = r 2
[0041] 圆的参数与双曲线的参数关系为：
[0042] a = X" b = yfr-B，r = B2/A ;
[0043] (3)求解双曲线参数；
[0044] 联立得以下方程组并求解即可得出双曲线参数：
[0046] 其中，所述步骤S5、实测物体位置计算；具体为：
[0047] 探地雷达目标构成的双曲线方程为：
[0049] 采用步骤S4的方法确定X。，t。以及V，则目标在坐标系中的位置为（X。，vt。）。
[0050] 其中，所述（b)将各列A-Scan原始信号进行coif3小波分解，对小波系数进行处 理之后重构信号；具体为：
[0051] 1)选定coif3小波进行小波变换，对每一列A-Scan原始信号s进行5次coif3小 波分解，得到第五次分解的低频信息α5，以及相应每层分解的高频细节信息山，d2, d3, d4， d5;
[0052] 2)将能够反映信号大尺度上的交流分量的a 5和能够反映信号的高频噪声信息的 山，d2的小波系数置为零；
[0053] 3)保留d4的小波系数，同时将d 3, (15的小波系数按一定比例缩小；
[0054] 4)将剩余的小波系数进行逆小波变换，对原始信号进行重构。
[0055] -种基于Hough变换探地雷达目标提取装置，该装置用于获取N列A-Scan回波信 号构成二维灰度图像B-Scan，再通过分析处理B-Scan的数据来获取目标位置信息，具体包 括以下单元：
[0056] 数据预处理单元，用于对获取的N列A-Scan回波信号数据预处理与归一化；
[0057] 滤波除噪单元，用于滑动平移滤波；
[0058] 波峰波谷获取单元，用于模极大值判别波峰波谷；
[0059] 双曲线提取单元，用于基于Hough变换提取双曲线；
[0060] 物体位置计算单元，用于实测物体位置计算。
[0061] 其中，所述数据预处理单元，具体用于将A-Scan信号数据中前一部分无效数据点 去除，搜索待处理数据的最大值与最小值，并将数据归一化到[0，1]之内以备后续处理，归 一化公式为：
[0062] X " = (X-min (X)) / (max (X) -min (X))
[0063] 其中，X"代表归一化后的回波数据值，X代表归一化前的回波数据值，max(X)代 表回波数据中的最大值，min(X)代表回波数据中的最小值；
[0064] 所述滤波除噪单元，具体用于对于数据预处理单元中得到的A-Scan数据，采用16 组相邻A-Scan信号取滑动平均的方法进行平滑处理：
[0065] X(:，i) = E0《k<16X(:，i+k)/16,0 彡 i < N-16
[0066] 其中，N为二维图像B-Scan中回波信号的总列数；
[0067] 所述波峰波谷获取单元，具体用于选定coif3小波进行小波变换；将各列A-Scan 原始信号进行coif3小波分解，对小波系数进行处理之后重构信号；通过设定高阈值和低 阈值来确定峰值点出现的区域，并使用导数过零点的方法找到峰值点准确位置；将提取到 的二维波峰点二值化为灰度图，其中，峰值点为1，其他为0 ;
[0068] 所述双曲线提取单元，具体用于针对双曲线方程：
[0070] (1)匹配 A，B;
[0071] 根据双曲线存在一对渐近线：
[0073] 可以得到：
[0075] 其中（Xl，yi)，（x2，y 2)为图像空间的两个点，实际有效点为双曲线两支所在位置， 又有，则得到A，B之间的关系；
[0076] (2)匹配 a，b ;
[0077] 根据双曲线顶点曲线类似圆弧的原理提取实轴与虚轴长度，具体方法：抽取某个 区域三个不同块的点，移动该区域获得不同组抽样值，计算三个点组成的弧的圆心位置，用 Hough变换搜索最多的圆心点的位置并依据该位置来确定双曲线的参数；
[0078] 设求得的圆方程为：
[0079] (X-X) 2+ (y-y)2 = r 2
[0080] 圆的参数与双曲线的参数关系为：
[0081] a = X" b = y「r_B，r = B2/A ;
[0082] (3)求解双曲线参数；
[0083] 联立得以下方程组并求解即可得出双曲线参数：
[0085] 所述物体位置计算单元，具体用于探地雷达目标构成的双曲线方程为：
[0087] 采用双曲线提取单元的计算方法确定X。，t。以及V，则目标在坐标系中的位置为 (x〇，vt〇) 〇
[0088] 其中，所述将各列A-Scan原始信号进行coif3小波分解，对小波系数进行处理之 后重构信号；具体为：
[0089] 1)选定coif3小波进行小波变换，对每一列A-Scan原始信号s进行5次coif3小 波分解，得到第五次分解的低频信息α5，以及相应每层分解的高频细节信息山，d2, d3, d4， d5;<