一种基于鲁棒主元分析的探地雷达数据背景去除方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及探地雷达技术领域，尤其设及一种基于鲁棒主元分析的探地雷达数据 背景去除方法。
【背景技术】
[0002] 对于收发天线共置的冲激脉冲探地雷达，随着雷达沿着水平测线移动，并不断向 地下发射宽带电磁波，同时接收地下目标体的反射信号，在每一个位置可W得到一组采样 数据，称为A-SCAN，由一系列A-SCAN数据组成二维探地雷达回波剖面图，称为B-SCAN图像。 所W在进行后续的目标检测、识别W及解译工作之前，应采用有效的预处理方法，对探地雷 达数据进行预处理，用W压制噪声和杂波等背景的干扰，尽可能突出目标信号。
[0003] 经典的背景去除方法如主元分析方法，是将探地雷达B-SCAN数据矩阵进行奇异值 分解，由于接收信号中，地面杂波分量较强，所W大奇异值对应的分量为主元，运些选定的 主元所合成的信号即是地面杂波的估计值。运种方法的关键问题是如何选取主元。选择不 当，则会产生较大误差，鲁棒性差。
[0004] 考虑到探地雷达数据中背景杂波在水平方向通常是几乎不变的，比如当地表较为 平整、介质较为均匀时，地表强反射波的时间延迟基本形同，故可W认为，探地雷达所采集 的B-SCAN数据中，杂波分量可W用一个低秩矩阵来近似，而目标回波数据为少数的异常点， 因此可W用一个稀疏矩阵来近似，因此应用鲁棒主元分析法能够有效的将背景杂波和目标 回波分离，完成背景杂波的去除。
【发明内容】
[0005] 本发明的基本原理：
[0006] 首先对原始探地雷达B-SCAN数据进行标准化，由于原始数据可能存在直流偏移 量，故将每一道A-SCAN数据减去自身均值;之后应用滑动平均滤波去除随机噪声，运样会使 原始数据中的"毛刺"变得平滑；由于探地雷达数据中背景杂波在水平方向通常是变化缓慢 的，比如当地表较为平整、介质较为均匀时，地表强反射波的时间延迟基本形同，故可W认 为，杂波分量可W用一个低秩矩阵来近似，而目标回波数据为少数的异常点，因此可W用一 个稀疏矩阵来近似，因此应用鲁棒主元分析法能够有效的将背景杂波和目标回波分离，完 成背景杂波的去除。
[0007] 本发明的目的是为了解决传统背景去除方法对探地雷达数据背景信号估计不准 确、鲁棒性差的问题，提供一种基于鲁棒主元分析的探地雷达数据背景去除方法。本发明所 述一种基于鲁棒主元分析的探地雷达数据背景去除方法，按W下步骤进行：
[000引步骤一:探地雷达B-SCAN数据标准化
[0009] 将探地雷达B-SCAN数据标准化处理，使二维数据矩阵中的值处于[-1，1]区间；
[0010] 步骤二:探地雷达A-SCAN数据去除直流偏移；
[0011] 探地雷达回波数据常常出现全部为正或者全部为负的情况，说明含有直流分量， 需要进行压制，将每一道A-SCAN数据减去该道A-SCAN数据的均值；
[0012]步骤利用滑动平均滤波法去除探地雷达B-SCAN图像随机噪声；
[001引利用一个滑动窗口，选择窗口宽度为5道，计算窗口内的5道A-SCAN数据的均值，用 来代替窗口内上述5道中的中间道的A-SCAN数据；
[0014] 步骤四：鲁棒主元分析去除背景
[0015] 对于经过上述步骤处理之后的B-SCAN数据，进行鲁棒主元分析，将其分解成一个 低秩矩阵L与一个稀疏矩阵S之和，其中低秩矩阵L作为背景杂波的估计矩阵，稀疏矩阵S作 为探地雷达回波信号的估计矩阵。
[0016] 本发明包括W下有益效果：
[0017] 1、利用鲁棒主元分析法，相较于传统的主元分析法，避免因主元选取不当引起的 较大误差；
[0018] 2、传统的主元分析法，当杂波较强时，求解的结果会出现较大的误差，而鲁棒主元 分析法仍能取得良好效果，鲁棒性较强；
[0019] 3、本发明中，鲁棒主元分析法采用非精确拉格朗日乘子法，收敛速度快，运算精度 较高，不需要占用过多的存储空间。
【附图说明】
[0020] 图1为一种基于鲁棒主元分析的探地雷达数据背景去除方法总流程图；
[0021 ]图2为鲁棒主元分析算法流程图；
[0022] 图3为原始B-SCAN数据灰度图；
[0023] 图4为原始单道A-SCA赠的屆图；
[0024] 图5为滑动平均滤波前后对比图；
[0025] 图6为鲁棒主元分析处理后得到的稀疏矩阵灰度图；
[0026] 图7为鲁棒主元分析处理后得到的低秩矩阵灰度图；
[0027] 图8为稀疏矩阵中的单道A-SCA赠的屆图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合图1至8和具体 实施方式对本发明作进一步详细的说明，其中图1为本发明所述的基于鲁棒主元分析的探 地雷达数据背景去除方法总流程图。
【具体实施方式】 [0029] 一、本实施方式所述的一种基于鲁棒主元分析的探地雷达数据背景 去除方法，按W下步骤进行：
[0030] 步骤一:探地雷达B-SCAN数据标准化
[0031] 将探地雷达B-SCAN数据标准化处理，使二维数据矩阵中的值处于[-1,1]区间；
[0032] 步骤二:探地雷达A-SCAN数据去除直流偏移
[0033] 探地雷达回波数据常常出现全部为正或者全部为负的情况，说明含有直流分量， 需要进行压制，将每一道A-SCAN数据减去所有A-SCAN数据的均值；
[0034] 步骤利用滑动平均滤波法去除探地雷达B-SCAN图像随机噪声
[0035] 利用一个滑动窗口，选择窗口宽度为5道，计算窗口内的5道A-SCAN数据的均值，用 来代替窗口内上述5道中的中间道的A-SCAN数据；
[0036] 步骤四：鲁棒主元分析去除背景
[0037] 对于经过上述步骤处理之后的B-SCAN数据，进行鲁棒主元分析，将其分解成一个 低秩矩阵L与一个稀疏矩阵S之和，其中低秩矩阵L作为背景杂波的估计矩阵，稀疏矩阵S作 为探地雷达回波信号的估计矩阵。
[0038] 本实施方式包括W下有益效果：
[0039] 2、利用鲁棒主元分析法，相较于传统的主元分析法，避免因主元选取不当引起的 较大误差；
[0040] 2、传统的主元分析法，当杂波较强时，求解的结果会出现较大的误差，而鲁棒主元 分析法仍能取得良好效果，鲁棒性较强；
[0041] 3、本发明中，鲁棒主元分析法采用非精确拉格朗日乘子法，收敛速度快，运算精度 较高，不需要占用过多的存储空间。
【具体实施方式】 [0042] 二、本实施方式是对一所述的一种基于鲁棒主元分析 的探地雷达数据背景去除方法的进一步说明，步骤一所述的将探地雷达B-SCAN数据标准化 处理具体过程如下：
[0043] B-SCAN数据D为mXn的矩阵，且所有元素的值处于区间[MIN，MAX]，那么做W下标 准化处理：
[0045] 标准化后的B-SCAN数据取值范围变为[-1，1 ]。
【具体实施方式】 [0046] =、本实施方式是对一或二所述的一种基于鲁棒主元 分析的探地雷达数据背景去除方法的进一步说明，步骤二所述探地雷达A-SCAN数据去除直 流偏移具体过程如下：
[0047] 探地雷达B-SCAN数据中的每一列都称之为一道A-SCAN，将B-SCAN数据D写成A-SCAN的集合：
[0048] D= [Al, A2,..., An]
[0049] 其中Ai=[aii，ai2, . . .，aim]T表示i第道A-SCAN数据。对每一道A-SCAN数据做如下处 理：
[0051 ]得到去除了直流分量的数据。
【具体实施方式】 [0052] 四、本实施方式是对一至=之一所述的一种基于鲁棒 主元分析的探地雷达数据背景去除方法的进一步说明，步骤=所述利用滑动平均滤波法去 除探地雷达B-SCAN图像随机噪声具体过程如下：
[0053] 将窗口内的数据W列为单位取均值代替当前列，可W消除图像中的高频噪声干 扰;算法设计如下：
[0054] 对于m Xn的数据矩阵，选择滑动窗口宽度为5道，随着窗口的滑动，对窗口内的5道 A-SCAN求均值，代替当前窗口中间道的A-SCAN数据;公式如下：
[0055] 对于边缘的A-SCAN数据，最前两道数据作如下处理：
[0056] A'I = Ai
[005引最后两道数据，做相同处理：
[0059] A'n = An
[0061]对于中间道数据，做如下处理：
[0063] 得到的处理后的数据为D' = [A/i，A'2, . . .，A'n]。
【具体实施方式】 [0064] 五、本实施方式是对一至四之一所述的一种基于鲁棒 主元分析的探地雷达数据背