一种探地雷达地埋目标有效信号增强方法
【技术领域】
[0001 ]本发明是一种探地雷达地埋目标有效信号增强方法，实现对探地雷达数据的滤波 去噪和干扰信号压制，增强如管线等地埋目标的有效信号。
【背景技术】
[0002] 反射式探测和透射式探测是常用的两种探地雷达探测方法。反射式探地雷达通过 对地发射电磁波并接收回波信号实现对地下目标的探测，该探测方法接收的数据是本发明 数据处理的来源。
[0003] 由于反射式探地雷达中发射天线和接收天线都放置于被测介质表面，因此在接收 到的数据中除了被测介质的回波外，还包括空气直达波和地表折射波等背景信号。通常空 气直达波和地表折射波都表现为直线，而如管线等地埋目标产生的有效回波信号表现为双 曲线。
[0004] 本发明的目的在于通过S变换和SVD对探地雷达数据进行处理，在保真有效回波信 号的同时，滤除空气直达波、地表折射波等背景信号，并压制噪声，增强有效信号。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是通过利用联合S变换和SVD，实现对地埋目标如管线等有效回波信 号的识别和增强，能够在去除噪声的同时保留有效波，实现对探地雷达数据的高保真滤波 去噪。
[0006] -种探地雷达地埋目标有效信号增强方法的基本实现步骤如下：
[0007] 步骤一：利用SVD对时间-空间域中的数据Xo做奇异值分解，并将第一个最大奇异 值置零，对分解后的信号进行合成，得到去除了直达波后的数据X，其中X和Xo都是N行M列 的数组，M表示采样道数，N表示每一道数据的采样点数；
[000引步骤二:将X中的每一道数据都经过S变换到频率-延时域，得到数据&化，11)，其中 下标j为正整数表示道数，0< j < M，n是延迟因子，k是频谱分量，0非如-1，0如如-1，即Sj 化，n)是一个维数为N X N的数组；
[0009] 步骤对数据Sj化，n)应用SVD，对应每一道j得到S个数组Uj, Qi和Vj,其中Qi是 NX闲戶负对角阵，Uj=[u日,j，Ul,j，…，UN-l,J和Vj = [v日,j，Vl,j，…，VN-l,j]都是维数为NXN的酉 阵；
[0010] 步骤四：从向量Vi,j中找到最大值，并将该最大值记录为Qi,j，其中0<i ^N-I,对应 每一道数据有N个最大值，对于所有的道数共有记录N X M个；
[OOW 步骤五:对记录的所有的qi,J利用双曲线拟合，选出符合双曲线规律数据，并将对 应的位置值(i，j)0保存在记录集P中；
[0012]步骤六:保存记录P中对应（i，j)的向量ViJ的值，将其他的值置零，获得一个新的 矩阵
[0013] 步骤屯:合成处理后的数据得到式.托n);
[0014] 步骤八:对数据马.批n)采用逆S变换，得到最终处理后的数据义。
[0015] 进一步地，所述步骤一中，SVD的具体公式为： X=UQyH 假设X是一大小为NXM的数据矩阵，则Q是维数为NXM非负对角阵，U是一个维数为NX N的酉阵，V-个维数为M X M的酉阵，yH是矩阵V的共辆转置。
[0016] 进一步地，所述步骤二中，使用S变换的具体公式为：
其中X(m，j)为m时刻第j道的时域采样数据，也是矩阵X第m行第j列的数据，0<m<N-l， 0 y < M-I，n是延迟因子，k是频谱分量，0 < k < N-I，0如< N-I。
[0017] 进一步地，所述步骤S中，所述的SVD其具体公式与权利要求2所述一致。
[0018] 进一步地，所述步骤四中，Vi,J为矩阵Vj中的第i个向量，其长度为N，vi,J中最大值 对应的位置记录为qi, ^戈表的是可能为信号的数据出现的延时信息。
[0019] 进一步地，所述步骤五中，记录集P中的（i，j)o为一簇值，该系列值代表记录qi, J中 所有能符合双曲线拟合规律的（i，j)位置值；
[0020] 进一步地，所述步骤六中，新矩阵禾j.中对应位置(i，j)o处的向量Vi,北勺值等于原矩 阵Vj中对应位置(i，j)o处的向量值，其它位置处的值为零向量；
[0021] 进一步地，所述步骤屯中，合成数据的具体公式为： 式批 11)二 u/vi'f 其中ff是专利要求1步骤六中得到的的共辆转置矩阵。
[0022] 进一步地，所述步骤八中，逆S变换可W用分成两步完成，第一针对延迟量n将所有 的別知1)做累加得到= SlUTlR (/(.")|，第二对F^k)做逆傅里叶变换得到X :。 衍 【附图说明】 图1为探地雷达地埋目标有效信号增强方法的流程框图； 图2为加噪后的原始雷达剖面图； 图3为目标增强后的雷达剖面图。 【具体实施方式】 W下结合具体方法实施过程对本发明作进一步详细描述，所举实例只用于解释本发 明，并非用于限定本发明的范围。 在一个长为2.5m，高为1.2m的空间内，填满水泥，中间放置一个金属管，中屯、位置为 (1.25m，0.95m)，天线频率为IGHz。天线位置为离地表0.05m，初始横坐标为0.6075m，每次位 移量为0.02m，共义65道。 将采集得到的信号，按照如下步骤进行处理： 1) 利用SVD对时间-空间域中的数据Xo做奇异值分解，并将第一个最大奇异值置零，对 分解后的信号进行合成，得到去除了直达波后的数据X，其中X和Xo都是N行M列的数组，M表 示采样道数，N表示每一道数据的采样点数； 2) 将X中的每一道数据都经过S变换到频率-空间域，得到数据&化，11)，其中下标j为正 整数表示道数，〇<j < M，n是延迟因子，k是频谱分量，0非如-1，0如如-1，即Sj化,n)是一 个维数为N X N的数组； 3) 对数据Sj化，n)应用SVD，对应每一道j得到S个数组Uj，Q i和Vj，其中Q i是N X闲戶负 对角阵，Uj=[u日,j，山,j，???，UN-l,j巧PIVj=[v日,j，vl,j，???，VN-l,j]都是维数为NXN的酉阵； 4) 从向量Vi, j中找到最大值，并将该最大值记录为qi, j，其中0< i ^ N-I，对应每一道数 据有N个最大值，对于所有的道数共有记录N X M个； 5) 对记录的所有的qi,#U用双曲线拟合，选出符合双曲线规律数据，并将对应的Q J) 保存在记录集P中； 6) 保存记录P中对应(i，j)的向量Vi,J的值，将其他的值置零，获得一个新的矩阵 7) 合成处理后的数据得到式批打)； 8) 对数据心，11)采用逆S变换，得到最终处理后的数据文。 利用前面阐述的地埋目标有效信号增强方法，对图2进行处理，得到图3,从图3可W看 出背景信号被分离，噪声被有效压制，原本微弱的双曲反射特征得到了加强。 综上，本发明通过利用S变换和SVD提出了一种探地雷达数据的高保真滤波处理的新方 法，实现了对探地雷达地埋目标回波有效信号的增强。 W上所述仅为实现本发明的较佳实例，并不用W限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种探地雷达地埋目标有效信号增强方法，用于探地雷达数据处理，其特征在于，通 过利用S变换和SVD，实现对地埋目标如管线等有效回波信号的识别和增强，包括如下步骤： 步骤一：利用SVD对时间-空间域中的数据Xo做奇异值分解，并将第一个最大奇异值置 零，对分解后的信号进行合成，得到去除了直达波和折射波的数据X，其中X和Xo都是N行M列 的数组，M表示采样道数，N表示每一道数据的采样点数； 步骤二:将X中的每一道数据都经过S变换到频率-延时域，得到数据S」(k，n)，其中下标j 为正整数表示道数，0〈j < M，n是延迟因子，k是频谱分量，0 < k < N-I，0 < η < N-I，即Sj(k，n) 是一个维数为N X N的数组； 步骤三:对数据Sj(k，η)应用SVD，对应每一道j得到三个数组Uj，Ω i和Vj，其中Ω i是NXN 非负对角阵，山=[11〇,」，111,」，-_，1^-1,』]和^^=[￥(),」，￥1,」，-_^-1,』]都是维数为以1'1的酉阵 ； 步骤四：从右奇异向量VU中找到最大值，并将该最大值对应的位置记录为qi,P其中0 < i < N-I，对应每一道数据有N个值，对于所有的道数共有记录NXM个； 步骤五:对记录的所有的利用双曲线拟合，选出符合双曲线规律数据，并将对应的 位置值(i，j) Q保存在记录集P中； 步骤六:保存记录P中对应（i，j)的右奇异向量Vi, j的值，将其他的值置零，获得一个新 的矩阵% ; 步骤七:利用进行数据合成，得到处理后的数据&以,11).; 步骤八:对数据毛(?,η)采用逆S变换，得到最终处理后的数据竟。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，SVD的具体公式为： X = UQVh 假设X是一大小为NXM的数据矩阵，则Ω是维数为NXM非负对角阵，U是一个维数为NX N的酉阵，V-个维数为M X M的酉阵，Vh是矩阵V的共辄转置。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，使用S变换的具体公式为：其中x(m，j)为m时刻第j道的时域采样数据，也是矩阵X第m行第j列的数据，N-I， OS j SM-I，n是延迟因子，k是频谱分量，N-I，0< n SN-I。4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，所述的SVD其具体公式与权利 要求2所述一致。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四中，为矩阵Vj中的第i个向量， 其长度为N，vu中最大值对应的位置记录为代表的是可能为信号的数据出现的延时信 息。6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤七中，合成数据的具体公式为：其中tf是专利要求1步骤六中得到的令^的共辄转置矩阵。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤八中，逆S变换可以用分成两步完 成，第一针对延迟量η将所有的&p,n)做累加得到 做逆FFT变换得到文。
【专利摘要】本发明公开一种探地雷达地埋目标有效信号增强方法，通过利用S变换和SVD，实现对噪声的滤除以及地埋目标如管线等产生的有效回波信号的识别和增强。本方法首先利用SVD对直达波以及折射波进行了分离和滤除，然后利用S变换得到了所有道数据的频率-延时域数据，接着通过对频率延时域数据再次进行SVD分析得到每一道数据中信号可能出现的延时信息，再通过分析延时信息是否符合双曲线特征来判断是否属于有效信号，保留下有效成分进行逆SVD和逆S变换，得到滤波增强后的有效信号。本方法能够在去除噪声和杂波的同时保留有效波，实现对有效回波信号的识别和增强。
【IPC分类】G01S7/41
【公开号】CN105527618
【申请号】CN201610103980
【发明人】郑晶, 彭苏萍, 杨峰
【申请人】中国矿业大学(北京)
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2016年2月26日