CN102023315A - 一种基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法 - Google Patents

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卢策吾
吴世有
刘小军
方广有
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Abstract

一种基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法，其主要步骤为：1)将雷达时域采样信号分割成若干个波峰段；2)将各个波峰段用自身的能量点代替；3)杂波的时域抑制。本发明引入能量点来代替接收时域信号的波峰段，使处理变得十分简单有效。在能量点聚类后，对非目标类中能量点代表的时域段进行衰减，达到杂波抑制的目的。

Description

一种基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法
技术领域
本发明属于探地雷达成像技术领域，具体地涉及一种基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法。
背景技术
探地雷达现已广泛应用在市政建设、资源勘查、水利建设以及考古等相关领域。
探地雷达利用一个发射天线发射高频宽频带电磁波，并通过另一个天线接收来自介质界面的反射波。当电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度及波形、相位等随所穿越介质的电磁特性及几何形态而变化。因此，通过检测回波时间、幅度、相位等参量，解译出目标深度、介质特性及结构等信息。在数据可视化上，可运用数字图像的恢复与重建技术，对地下目标进行成像处理，以期达到对地下目标真实和直观的显示效果。
探地雷达成像结果的性能指标受杂波的影响很大，所以杂波抑制处理非常重要。杂波的有效抑制是成像、检测、目标识别等成功应用的根本保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法，以克服现有技术中的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供的基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法，其主要步骤为：
1)将雷达时域采样信号分割成若干个波峰段；
2)将各个波峰段用自身的能量点代替；
3)杂波的时域抑制。
其中，步骤1中的波峰段分割点的位置是时域采样信号一阶导数值大于某个阀值V的时间轴上的位置。
其中，对时域采样信号的一阶差分绝对值排序，取其最大10％一阶差分绝对值的平均值，阀值V为该平均值的2倍。
其中，步骤2中的代替波峰段的能量点的含义是：“这个能量点的位置是该波峰段的重心位置在时间轴上的投影，能量点的能量值为该波峰段的能量大小”。
其中，步骤3中的杂波的时域抑制的依据是，目标回波的能量点序列是呈现明显的单峰状，杂波的能量点序列是随机波动的。
由于本发明采用能量点序列进行判断并抑制杂波，所以对介质不均匀，地表起伏，目标回波畸变等特殊情况不敏感。所有操作都在时域上，对频域上目标回波与杂波时域频域完全重叠的情况有很好的效果。这是因为目标回波与杂波重叠时其波峰被保留的可能性很大，可以被检测成波峰段。同时，该方法不会有像感兴趣目标(ROI)检测方法那样对B-scan图像质量的依赖。实验数据表明该方法有很好的结果，理论分析说明该方法能够提高27dB的信杂比。
附图说明
图1为原始探地雷达B-scan图；
图2为本发明探地雷达时域采样信号波峰段分割原理图；
图3为本发明将波峰段等效为能量点后的B-scan图；
图4为本发明中目标与杂波的能量点序列分布差异；
图5为本发明杂波抑制后的B-scan图；
图6为本发明杂波抑制后的三维图；
图7为本发明探地雷达时域采样信号波峰段分割流程示意图。
具体实施方式
本发明能够准确分割时域信号的波峰段，并用该波峰段的能量点来等效该波峰段。目标和杂波有着不同的能量点序列分布。由此，可以找到杂波对应时域位置，对其相应时域进行衰减。
本发明的方法主要分成三步(请同时参阅图7所示)：
1)能量点分割：由于探地雷达时域信号大趋势上可以认为是波峰波谷的交替出现(步进脉冲体制，经过脉冲压缩后，目标也是波峰形状)。我们将B-Scan深度方向的信号分成若干个波峰段，每个波峰段的能量集中到“能量点”上。
2)能量点聚类：如果水平方向相邻采样道有两个波峰段是由同一回波实体(可以是浅地表分界层或是目标物体)产生的，则它们波峰段能量点重心的深度方向位置非常接近。基于此，对各个目标实的能量点进行聚类，并按照水平顺序生成类的能量点序列。能量点序列记录了该回波实体在各天线位置采样道上对应波峰段的能量值，实现了一个类对应一个目标实体。
3)杂波的时域抑制：由于天线位置的原因，对于目标实体从远到近，再由近到远，可以认为能量点序列是呈现明显的单峰状，杂波的能量点序列是随机波动的，在极少数情况下会呈现出单波峰状但是其陡峭度不大。基于此特性可以判断出杂波，并对其所在的时域波峰段进行衰减。
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明研制出基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法。探地雷达时域信号波峰段等效为能量点后，杂波和目标有着不同的能量点序列分布，由此分辨出杂波，对其衰减，达到杂波抑制的目的。
如图1所示，原始探地雷达B-scan图像中目标被杂波所淹没。
如图2所示，该方法对时域采样信号进行分割获取波峰段。搜索时域信号一阶导数值大于某个阀值V的时间轴上的位置作为波峰段分割点。该方法能很好地分割探地雷达信号波峰段。对时域采样信号的一阶差分绝对值排序，取其最大10％一阶差分绝对值的平均值。阀值V为该平均值的2倍。
如图3所示，将分割得到的各个波峰段用其本身的能量点代替。能量点的含义是“这个能量点的位置是该波峰段的重心位置在时间轴上的投影，能量点的能量值为该波峰段的能量大小”。由图可见处理分辨率得到提高。
如图4所示，能量点代替波峰段后的B-scan图。依据图3，我们能对各个回波体(包括目标和杂波)进行聚类。由图4可知目标回波的能量点序列的分布是呈峰状的，而杂波的能量点序列的分布是呈随机起伏状的。我们可以通过此特性来分辨出杂波和目标。
图5为对杂波进行衰减后的结果。可见完成杂波抑制后，可以获得清晰的目标。
图6为图5的三维图，杂波抑制效果好，结果更加清晰。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法，其主要步骤为：
1)将时域采样信号按照波峰段进行分割；
2)将各个波峰段用其本身的能量点代替；
3)杂波的时域抑制。
2.如权利要求1所述基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法，其中，步骤1中的波峰段分割点指的是时域采样信号一阶导数值大于某个阀值V的时间轴上的位置。
3.如权利要求2所述基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法，其中，对时域采样信号的一阶差分绝对值排序，取其最大10％一阶差分绝对值的平均值，阀值V为该平均值的2倍。
4.如权利要求1所述基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法，其中，步骤2中的用来代替波峰段的能量点的位置是该波峰段的重心位置在时间轴上的投影，能量点的能量值为该波峰段的能量大小。
5.如权利要求1所述基于能量点聚类的探地雷达杂波抑制方法，其中，步骤3中的杂波的时域抑制的依据是，目标回波的能量点序列是呈现明显的单峰状，杂波的能量点序列是随机波动的。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
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