專利名稱：在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)檢測識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于探地雷達(dá)信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)檢測識別方法。
背景技術(shù)：
探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是一種通過向地下發(fā)射超高頻 (IO6MHz-IO8MHZ)的寬頻帶窄脈沖電磁波而對地下介質(zhì)內(nèi)不可見的目標(biāo)或界面進(jìn)行定位的電磁技術(shù)。電磁波遇到介質(zhì)層中電磁特性變化的目標(biāo)體即發(fā)生反射，返回地表時被探地雷達(dá)的接收天線接收，并根據(jù)其延時、形狀及頻譜特性等參數(shù)解譯出目標(biāo)位置、結(jié)構(gòu)及屬性等目標(biāo)信息。由于探地雷達(dá)具有無損、快速、穿透力強(qiáng)及分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，因此逐漸被人們所熟知，被應(yīng)用于工程勘察，并在許多領(lǐng)域都獲得了較成熟的研究成果，如高速公路路面和機(jī)場跑道隱性災(zāi)害的檢測、混凝土建筑結(jié)構(gòu)檢測、地下管線和人防工事探測及考古調(diào)查等領(lǐng)域。在探地雷達(dá)系統(tǒng)中，為了獲得更多反射波的特征，通常使用寬頻帶接收機(jī)記錄回波，因此其在接收有用信號的同時，無可避免地會接收到各種干擾和噪聲。探地雷達(dá)的干擾主要來自以下幾個方面1、儀器的噪聲及系統(tǒng)噪聲；2、來自手機(jī)、電臺等電磁干擾；3、汽車、飛機(jī)等產(chǎn)生的噪聲；4、來自地下加固鋼筋、通信電纜、管線等設(shè)施的反射波；5、來自地下非探測目的體的局部不均勻體的反射波；一般來說，從頻域上即能夠分辨出是否存在噪聲，并能在頻域上抑制掉大部分的噪聲能量。后兩類干擾是相干干擾，當(dāng)它們不是探測目的體時，其反射波就變成了干擾波。 但對于相干干擾則并非如此，它們在時空域上與感興趣的目標(biāo)回波混疊在一起，在頻域上也無法分開。甚至某些小目標(biāo)的回波在能量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于加固鋼筋等強(qiáng)反射體的回波，從而導(dǎo)致其回波被湮沒在鋼筋回波中，因此很難被檢測到?？偠灾喔筛蓴_波的存在使得對感興趣目標(biāo)的檢測識別工作變得十分困難，因此需要盡可能地進(jìn)行消除。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種受噪聲、鋼筋回波影響小，檢測識別率高的在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)識別方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)識別方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟(1)對探地雷達(dá)時空二維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以去除時空二維回波數(shù)據(jù)中的直達(dá)波分量和噪聲；(2)利用時空二維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測，并確定目標(biāo)的橫向位置；
(3)提取每個目標(biāo)的一道回波數(shù)據(jù)并進(jìn)行識別，從而確定鋼筋的橫向位置；(4)利用Hyp-curvelet變換將鋼筋回波與災(zāi)害回波分離，抑制鋼筋回波，重構(gòu)災(zāi)害回波，然后重新進(jìn)行災(zāi)害檢測識別。所述的步驟O)中目標(biāo)檢測的方法是利用Hyp-curvelet變換在一個合適的尺度下對時空二維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，通過在尺度空間中搜索局部峰值來檢測目標(biāo)及得到目標(biāo)的橫向位置。所述的步驟(3)中目標(biāo)識別的方法是首先基于不同種類目標(biāo)回波時頻能量密度分布之間的差異，在時頻平面上提取時間方差、頻率方差和正負(fù)能量時間中心三個特征，并利用該三維特征和最小距離分類器將待識別目標(biāo)判為最可能的兩類目標(biāo)，然后采用Fisher 線性判別分析方法預(yù)選出區(qū)分該兩類目標(biāo)性能最好的特征子集，最后完成識別，同時得到鋼筋的橫向位置。所述的步驟中鋼筋回波抑制的方法是首先利用Hyp-curvelet變換將探地雷達(dá)時空二維回波信號在多個尺度下進(jìn)行投影，目標(biāo)回波的能量將聚集且與其他目標(biāo)分離， 進(jìn)而結(jié)合步驟(3)中得出的鋼筋的橫向位置，在尺度空間中消除鋼筋回波分量，最后將數(shù)據(jù)反變換回時空域，得到抑制了鋼筋回波的數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)識別方法是在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾的背景下，首先對探地雷達(dá)天線接收到的時空二維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行目標(biāo)檢測，并確定目標(biāo)的橫向位置，再提取每個目標(biāo)的一道回波數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)識別，從而確定鋼筋的橫向位置，最后利用波場分離理論將鋼筋回波與目標(biāo)回波分離，并進(jìn)一步進(jìn)行抑制，重新檢測識別，達(dá)到災(zāi)害檢測識別的目的。本方法具有受噪聲、鋼筋回波影響小，檢測識別率高等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明提供的在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)檢測識別方法流程圖。圖2(a)和圖2(b)分別為本發(fā)明所采用的一段探地雷達(dá)的時空二維回波數(shù)據(jù)的幾何模型及其B-scan橫向堆積圖。圖3為使用Hyp-curvelet變換在一個合適的尺度下分解的結(jié)果圖。圖4為待識別目標(biāo)數(shù)據(jù)的時頻特征在特征空間的分布圖。圖5為鋼筋回波抑制后重構(gòu)的B-scan數(shù)據(jù)圖。圖6(a)和圖6(b)分別為使用重構(gòu)數(shù)據(jù)重新檢測和識別的結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式下面參照附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)檢測識別方法進(jìn)行詳細(xì)說明。為了方便災(zāi)害目標(biāo)識別性能分析且不失一般性，本實(shí)施例在機(jī)場跑道兩層結(jié)構(gòu)中使用發(fā)射脈沖波形為Ricker波、中心頻率為1GHz、收發(fā)分置的探地雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行災(zāi)害檢測識別。在其它道面結(jié)構(gòu)下使用其它探地雷達(dá)系統(tǒng)，本發(fā)明的方法同樣適用。如圖1所示，本發(fā)明提供的在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)檢測識別方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟(1)對探地雷達(dá)(GPR)時空二維回波(B-scan)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以去除時空二維回波數(shù)據(jù)中的直達(dá)波分量和噪聲，以便后續(xù)處理；(2)利用時空二維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測，并確定目標(biāo)的橫向位置；探地雷達(dá)沿著測試線掃描時，天線與目標(biāo)的相對距離不斷變化而導(dǎo)致目標(biāo)回波信號在時空域呈現(xiàn)近似雙曲線的形狀，我們認(rèn)為可通過在時空域中檢測雙曲線來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測。Hyp-curve let變換實(shí)質(zhì)上是雙曲線Radon變換切片上的一維小波變換，它延續(xù)了雙曲線Radon變換在描述雙曲線奇性上的優(yōu)越性能，其定義為ffY (b) = ura*Rhypf(T ,b)= <f, Ψγ> = / / f(t, χ) ￥Ydtdx(1)其中，“*”表示卷積運(yùn)算；RHYP(t,b)為雙曲線Radon變換結(jié)果；f為GPR B-scan 數(shù)據(jù)；綜合考慮GI^R信號的時空域特征和衰減特性后，Hyp-curvelet小波Ψ γ可表示為
權(quán)利要求
1.一種在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)識別方法，其特征在于所述的在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)識別方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟(1)對探地雷達(dá)時空二維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以去除時空二維回波數(shù)據(jù)中的直達(dá)波分量和噪聲；(2)利用時空二維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測，并確定目標(biāo)的橫向位置；(3)提取每個目標(biāo)的一道回波數(shù)據(jù)并進(jìn)行識別，從而確定鋼筋的橫向位置；(4)利用Hyp-curvelet變換將鋼筋回波與災(zāi)害回波分離，抑制鋼筋回波，重構(gòu)災(zāi)害回波，然后重新進(jìn)行災(zāi)害檢測識別。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)識別方法，其特征在于所述的步驟( 中目標(biāo)檢測的方法是利用Hyp-curvelet變換在一個合適的尺度下對時空二維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，通過在尺度空間中搜索局部峰值來檢測目標(biāo)及得到目標(biāo)的橫向位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)識別方法，其特征在于所述的步驟(3)中目標(biāo)識別的方法是首先基于不同種類目標(biāo)回波時頻能量密度分布之間的差異，在時頻平面上提取時間方差、頻率方差和正負(fù)能量時間中心三個特征，并利用該三維特征和最小距離分類器將待識別目標(biāo)判為最可能的兩類目標(biāo)，然后采用Fisher線性判別分析方法預(yù)選出區(qū)分該兩類目標(biāo)性能最好的特征子集，最后完成識別，同時得到鋼筋的橫向位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)識別方法，其特征在于所述的步驟⑷中鋼筋回波抑制的方法是首先利用Hyp-curvelet變換將探地雷達(dá)時空二維回波信號在多個尺度下進(jìn)行投影，目標(biāo)回波的能量將聚集且與其他目標(biāo)分離，進(jìn)而結(jié)合步驟(3)中得出的鋼筋的橫向位置，在尺度空間中消除鋼筋回波分量，最后將數(shù)據(jù)反變換回時空域，得到抑制了鋼筋回波的數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)識別方法。其主要包括目標(biāo)檢測、識別算法及鋼筋回波抑制算法等步驟。本發(fā)明提供的在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾下的道面災(zāi)害目標(biāo)識別方法是在鋼筋強(qiáng)反射回波干擾的背景下，首先對探地雷達(dá)天線接收到的時空二維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行目標(biāo)檢測，并確定目標(biāo)的橫向位置，再提取每個目標(biāo)的一道回波數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)識別，從而確定鋼筋的橫向位置，最后利用波場分離理論將鋼筋回波與目標(biāo)回波分離，并進(jìn)一步進(jìn)行抑制，重新檢測識別，達(dá)到災(zāi)害檢測識別的目的。本方法具有受噪聲、鋼筋回波影響小，檢測識別率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01S7/41GK102495402SQ20111041742
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者何煒琨, 劉家學(xué), 吳仁彪, 鐘羽中 申請人:中國民航大學(xué)