一种多级滤波嵌套振幅增益的地质雷达信号恢复方法与流程

本发明涉及雷达信号修复技术，尤其涉及一种多级滤波嵌套振幅增益的地质雷达信号恢复方法。

背景技术：

地质雷达技术被广泛用于城市地下空间探测、管道探测、根系探测、基岩探测、黄土孔隙及其他工程勘查领域，具有轻便、快捷、探测精度高、分辨率高的特点，但由于其信号衰减较快，探测深度较浅一直是这项技术最大问题。

为了解决上述问题，业内人士主要通过采用相对较低的频段天线以达到探测更深的目的，但这是一种以牺牲分辨率为代价的方法，当对小目标进行探测时容易漏失相对应信号；若不牺牲分辨率则需要对深部信号进行恢复处理。实践表明，若进行单次信号恢复，深部信号大多无太大改观，若进行多次增益，则容易将干扰信号放大到与主信号在同一水平，为后期干扰信号消除与主信号保留造成极大困难。故而，在本领域内，开发有效的弱信号恢复技术以实现保分辨率的大深度勘探一直是地质雷达探测的一个前沿性课题。另外，一些特殊信号(如燕尾状信号)的提取与识别已依耐于较为有效的信号恢复技术，不恰当振幅恢复往往造成信号变形或呈现其他信号，进而影响对特殊目标体的识别。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种多级滤波嵌套振幅增益的地质雷达信号恢复方法，其解决了在地质雷达勘探中弱雷达信号与深部雷达信号无法正确恢复的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：本发明实施例提供一种多级滤波嵌套振幅增益的地质雷达信号恢复方法，包括：

s1、对前期处理后的地质雷达数据的剖面进行能量衰减反向增益的处理，获得一次整体信号恢复的数据一；

s2、对所述数据一进行一维截断滤波，获取去除超高频和超低频信号的数据二；

s3、根据目标数据的属性选择对应目标信号的增益处理技术，对所述数据二进行增益处理，获取增益处理后的数据二；

s4、采用指定频率的带通滤波对增益处理后的数据二进行处理，获取恢复有深部信号和弱信号的地质雷达数据，所述地质雷达数据中包括所述目标数据。

可选地，s2中一维截断滤波对应滤波器的频率设置为所用地质雷达天线主频的1/10-5倍之间。

可选地，在s3中，若目标信号为水平层状的信号或斜向的信号，则采用能量衰减反向增益技术进行增益处理；

若目标信号为燕尾状的信号，则采用几何发散补偿增益技术进行增益处理。

可选地，在s4中，以雷达天线主频为中心，设置带通滤波对应滤波器的低频剪切频率f1在0.6-0.7倍所用的地质雷达天线主频之间，设置带通滤波对应滤波器的低通频率f2为0.8-0.9倍主频，设置带通滤波对应滤波器的高通频率f3为1.4-1.6倍主频之间，设置带通滤波对应滤波器的高频剪切频率f4为2.0-2.2倍主频之间，其中，f1<f2<f3<f4；

相应地，采用指定频率的带通滤波包括：低频剪切频率f1、低通频率f2、高通频率f3和高频剪切频率f4的带通滤波。

可选地，s1之前，方法还包括：

s0、对待处理的地质雷达数据进行用于去除背景干扰信号的前期处理。

可选地，s0包括：

采用最大相位校正方式、切除初至技术、去直流信号方式和背景滤波方式依次依序处理所述待处理的地质雷达数据，获得前期处理后的地质雷达数据。

可选地，所述待处理的地质雷达数据包括：mala、sir4000、ekkoplus或ekkoplus-utral型号等雷达采集的数据，主要针对数据的深部及弱信号恢复。

可选地，s2中，一维截断滤波方式为巴斯沃斯截断滤波方式；

s1中的能量衰减反向增益中的指数范围为1.0-1.5之间。

可选地，在目标信号为根系目标信号时，对前期处理后的地质雷达数据先进行s3中的增益处理，再执行s2中的一维截断滤波，然后执行s1中的能量衰减反向增益的处理，再接着执行s4中的指定频率的带通滤波处理。

可选地，方法还包括：

对恢复有深部信号和弱信号的地质雷达数据进行校正处理。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明中应用两次滤波与振幅增益组合方法恢复地质雷达数据中的微弱信号与深部信号。本发明的方法在对地质雷达数据进行前期编辑与修饰性处理后，进行一次宽频带滤波与振幅恢复，对信号进行整体信号增强；再根据地质雷达天线主频进行针对性主频滤波与信号增强，即可实现的目标信号与深部信号增强与提取。由此，可实现在信号衰减较快地区(如黄土地区)正常信号的恢复及雷达探测的深部信号恢复，亦可实现对孔洞、根系等特殊信号的增强与提取，进而大大提高地质雷达的精细化探测深度，可广泛应用于城市地下空间探测、根系探测、空洞探测、管道探测等浅层精细化探测领域的数据处理。

本发明的方法属于一种广谱性极高的地质雷达信号恢复方法，应用在广谱振幅恢复与特殊振幅恢复、频率变化与振幅恢复等方面，可实现地质雷达弱信号与深部信号的恢复与识别。本发明的方法在鄂尔多盆地、关中盆地进行了大量应用试验，并取得了成功。

附图说明

图1a和图1b分别为本发明一实施例提供的多级滤波嵌套振幅增益的地质雷达信号恢复方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的前期数据处理过程图；

图3为本发明一实施例提供的能量衰减反补偿振幅增益(第一次增益)的示意图；

图4为本发明一实施例提供的一维巴斯沃斯滤波(第一次滤波)的示意图；

图5为本发明一实施例提供的能量衰减反补偿振幅增益(第二次增益)的示意图；

图6为本发明一实施例提供的根系信号的几何扩散补偿增益振幅恢复(第二次增益)的示意图；

图7为本发明一实施例提供的带通信号滤波及道均衡处理(第二次滤波及修饰性补偿)的示意图；

图8为本发明一实施例提供的弱信号恢复实例-黄土孔洞信号恢复的示意图；

图9为本发明一实施例提供的深部信号恢复实例-地层深部解理信号恢复的示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

图1a示出了本发明一实施例提供的多级滤波嵌套振幅增益的地质雷达信号恢复方法的流程图，本实施例的方法包括如下步骤：

s1、对前期处理后的地质雷达数据的剖面进行能量衰减反向增益的处理，获得一次整体信号恢复的数据一。

在本实施例中，首先对雷达剖面(待处理的地质雷达数据)进行常规的前期处理，主要包括最大相位校正→切除初至→去直流信号→背景滤波，通过上述处理，去除前期常规的仪器及背景干扰信号，为后期振幅恢复做好准备。

s2、对所述数据一进行一维截断滤波，获取去除超高频和超低频信号的数据二。

举例来说，采用一维截断滤波，频带放宽，滤波器设置频带宽度一般为所用雷达天线频率的1/10-5倍之间，目的在于除去超高频与超低频信号，凸显主频附近的信号。也就是说，一维截断滤波频率对应滤波器的频率设置为所用地质雷达天线主频的1/10-5倍之间。

s3、根据目标数据的属性选择对应目标信号的增益处理技术，对所述数据二进行增益处理，获取增益处理后的数据二。

举例来说，可选择合适的增益方式增强目标信号。对于水平层状或斜向的信号，采用能量衰减反向增益技术进行增益；燕尾状的信号(如根系、孔洞、管道)则采用几何发散补偿增益技术。

s4、采用指定频率的带通滤波对增益处理后的数据二进行处理，获取恢复有深部信号和弱信号的地质雷达数据，所述地质雷达数据中包括所述目标数据。

例如，可再次选择带通滤波压缩信号频带，以天线主频为中心，设置滤波器剪切频率(f1,f4)在0.6-2.2倍主频，带宽(f2,f3)在0.8-1.5之间，再进行带通滤波，即可实现深部信号与弱信号的恢复。具体地，以雷达天线主频为中心，设置带通滤波对应滤波器的低频剪切频率f1在0.6-0.7倍所用的地质雷达天线主频之间，设置带通滤波对应滤波器的低通频率f2为0.8-0.9倍主频，设置带通滤波对应滤波器的高通频率f3为1.4-1.6倍主频之间，设置带通滤波对应滤波器的高频剪切频率f4为2.0-2.2倍主频之间，其中，f1<f2<f3<f4；即，采用指定频率的带通滤波包括：低频剪切频率f1、低通频率f2、高通频率f3和高频剪切频率f4的带通滤波。

需要说明的是，在步骤s4中，主频范围(f2,f3)可适当放大与缩小，主要根据目标层位深度加以确定，若深度较大则适当保留一部分的低频型号，f1、f2值比正常范围要小一些；若目标层位较浅，则适当保留高频信号，f3、f4值比正常情况要大一些。

本实施例的方法可实现在信号衰减较快地区(如黄土地区)正常信号的恢复及雷达探测的深部信号恢复，亦可实现对孔洞、根系等特殊信号的增强与提取，进而大大提高地质雷达的精细化探测深度，可广泛应用于城市地下空间探测、根系探测、空洞探测、管道探测等浅层精细化探测领域的数据处理

实施例二

图1a为本发明一种多级滤波嵌套振幅增益的地质雷达信号恢复方法的具体流程图，如图1a所示，一种多级滤波嵌套振幅增益的地质雷达信号恢复方法，包括：6个步骤：前期处理、第一次能量增强、巴斯沃斯滤波、第二次能量增强、带通滤波、道均衡等。

结合图1b至图9，对本发明实施例的多级滤波嵌套振幅增益的地质雷达信号恢复方法进行详细说明。

第一步：地质雷达剖面数据的前期处理

雷达剖面的前期处理，主要包括最大相位校正→切除初至→背景滤波等步骤。由于地质雷达信号始终是以空气传入地下，二者介电常数差异巨大，故而在地面与空气的交接处形成振幅较大的反射信号，如图1a所示。根据这一特性，本实施例中可根据其最大相位或起震点切除初至波，目的是将雷达信号归到以地表为0的状态，便于后期深度的确定。

但在实际工作中，由于地质条件的差异，往往造成雷达在地面与空气的交接处的信号不在同一水平线上，而是发生了漂移。为了消除这些漂移，需要以地面与空气的交接处的强振幅信号作为参考面，将这一区域的信号的最大相位调整到统一水平面，便于切除初至波，这需要进行最大相位校正。初至切除后，进行2d背景滤波，主要是切除横向的空气波，同时拉平剖面内的信号振幅，达到压制强振幅、增强弱振幅的目的。

通过上述处理，使振幅更加均匀，为后期弱信号与深部信号恢复做好准备。

第二步：第一次能量增强。以第一步为基础，采用能量衰减反向增益技术对剖面进行一次整体的振幅恢复，目的在于将剖面弱振幅进行一次放大，重点在于增强中等深度的振幅。能量衰减反向增益采用的是指数形式算法，增益系数在1.0-3.0之间即可。如图4所示，通过能量衰减反向增益后整个信号得到明显增强。

第三步：巴斯沃斯滤波。在第一次振幅增益的基础上，对剖面进行滤波，但频带放得很宽，主要目的在于考虑电磁波信号在地下传播的过程会产生整数谐波与分数谐波，这些信号中离主频较近的部分是属于有用的，而超低频与超高频信号一般属于有害信号，故而要进行消除。巴斯沃斯截断滤波的使用主要是为了消除超高频与超低频信号。为了达到上述目的，可采用采用一维截断滤波器，采用1/10倍主频与5倍主频作为滤波器的截断频率边界，然后进行巴斯沃斯滤波，即可实现目标。

第四步：第二次能量增强。在第三步的基础上，开始对目标信号进行重点恢复。目标信号是指根据地层的特性，雷达波信号呈现不同的特征，如水位、成层地质建造，雷达波信号一般呈现横向或斜向的连续亮线，我们叫做线状信号；如树木根系、黄土孔洞、地下管道等建造，雷达波信号一般呈现出近似于燕自尾部形态的弧线的特征，国际通用名称为燕尾状信号。这两种形状的信号主要组成了雷达剖面信号。根据研究目标需求，若目标信号为线状信号，则需采用能量衰减反向增益技术，增益因子为1.0-15即可实现线状信号的恢复；若目标信号为燕尾状信号，则选用几何扩散补偿信号增益技术。如图5所示，采用能量衰减反向增益技术后，线状信号得到了很好的恢复；图6则为采用几何扩散对旱柳根系信号进行恢复的情形，说明几何扩散增益对燕尾状信号恢复效果较好。

第五步：带通滤波。目标信号恢复后，即可进行主频滤波，目的在于突出主频信号，压制干扰信号，本技术流程采用带通滤波。首先，设置带滤波器为以天线主频为中心，设置滤波器剪切频率(f1,f4)在0.6-2.2倍主频，带宽(f2,f3)在0.8-1.5之间；再进行带通滤波即可将主频信号突显出来。如图7所示，经过带通滤波后，可清晰的看待深部隐藏的信号，达到了深部信号恢复的目的。需要指出的是，带通滤波器的设置，需根据目标深度做相应调整，若探测目标较浅，则可适当多保留高频段的信号，f3、f4的值可适当放大；若探测深度较深，则需多保留低频段的信号，f3、f4的值可适当放小。

第六步：经过上述第5步处理后，基本可实现任意地质雷达信号的弱信号与深部信号的恢复，但往往信号在横向分布上呈现可能不均匀，需要进行道均衡振幅平均，增加同相轴的连续性。

通过完成上述步骤1-6个步骤即可实现地质雷达信号的弱信号与深部信号的恢复，试验表明该套技术流程，可同时适用于mala、sir4000、ekkoplus、ekkoplus-utral等型号雷达的深部及弱信号分析；同时，该流程具有可靠性缺很高、容易实现、在一般的地震与雷达软件中都有相应模块，操作简单等特点。图2-图7的数据均来自于mala雷达系统，图8为应用本技术流程恢复黄土地区地下孔洞探测的微弱信号恢复实例，应用天线为ekkoplus100mhz天线，探测目标为寻找十几米深的一个地下黄土孔洞，经过流程处理后可得到较为清晰的孔洞信号(一簇弧状同相轴)；图9为将这套技术应用于深部信号的恢复。数据采集应用了ekkoplus-utral加强版25mhz天线，探测目标为150米以浅的岩层解理特征，经过信号恢复后可得到180米以浅的较为清晰的岩层产状信息，极大的提升了地质雷达他侧的深度。

本实施例的方法在对地质雷达数据进行前期编辑与修饰性处理后，进行一次宽频带滤波与振幅恢复，对信号进行整体信号增强；再根据地质雷达天线主频进行针对性主频滤波与信号增强，即可实现的目标信号与深部信号增强与提取。上述方法属于一种广谱性极高的地质雷达信号恢复方法，应用在广谱振幅恢复与特殊振幅恢复、频率变化与振幅恢复等方面，可实现地质雷达弱信号与深部信号的恢复与识别。

此外，本发明实施例的方法在鄂尔多盆地、关中盆地进行了大量应用试验，并取得了成功。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。