CN104793203A - 一种用于多频多通道探地雷达的数据融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频多通道探地雷达数据融合方法，对于多频多通道探地雷达连续剖面扫描原始数据，通过对各通道数据进行扫描道零点校正、扫描道实测位置校正，得到在扫描剖面上对应位置的多频多通道雷达数据；将对应位置的各通道雷达扫描道数据分别进行时频分析，得到时频域的多通道雷达信号；再将不同通道的对应雷达扫描信号在时频域进行合成，即可在每个扫描道位置获得由不同通道合成的一道时频域的雷达数据；对合成的时频域雷达数据按扫描道依次通过逆时频变换，即可得时间域的多频融合雷达图像。该方法能有效融合多频多通道探地雷达数据，充分发挥多频多通道雷达信号具有较大勘探深度和较高分辨率的探测潜力。

Description

一种用于多频多通道探地雷达的数据融合方法

技术领域

本发明属于勘探地球物理数据处理领域，涉及一种用于多频多通道探地雷达的数据融合方法。

背景技术

探地雷达作为一种高效无损检测技术在工程勘查、混凝土构件缺陷、路面检测、路基病害探查等方面应用广泛并取得了良好的探测效果。通常情况下，如果需要得到高分辨率的探测结果，则需要采用中心频率较高的雷达系统，但探测深度较浅。如果需要得到较大的勘探深度，则选用中心频率较低的雷达系统，但分辨率较低。

然而，探地雷达的探测分辨率和勘探深度两个性能指标随着实际应用的需求而不能兼顾。例如，随着我国铁路通车里程的增加和铁路使用年限的增长，铁路路基病害探测日趋常态化，探地雷达由于其高效无损的特点在铁路路基检测方面成为了一种不可或缺的手段。铁路路基病害可能出现在不同的介质层，从浅部至深部依次为轨枕层、道渣层、道床、基床等，探测结果必须有较高分辨率和较大的勘探深度。为此，多频多通道探地雷达系统开始研制并用于铁路路基检测(刘杰等，采用探地雷达技术评估既有铁路路基状况的现状与发展，铁道建筑，2008年第1期)，得到多个不同中心频率雷达剖面，分别进行异常的识别，给探测成果解释带来不便。对于多频多通道雷达系统的信号融合处理，目前尚无解决这一问题的成熟方法。

发明内容

本发明提供了一种用于多频多通道探地雷达的数据融合方法，通过对所有通道的雷达反射信号的合成雷达剖面进行处理，将频率较高分辨较率高但勘探深度较浅的高频雷达信号和频率较低分辨率较低但勘探深度较大的低频雷达信号进行融合。

一种用于多频多通道探地雷达的数据融合方法，包括以下步骤：

步骤1：获取具有不同中心频率的多通道雷达剖面；

步骤2：对各个通道的雷达剖面进行扫描道零点校正与扫描道实测位置校正；

所述扫描道零点校正是指通过对直达波的识别，以直达波为参照对每个通道雷达信号的各扫描道进行截取完成零点校正；

所述扫描道实测位置校正是指以所有通道中最大扫描数为基准，通过插值方法实现扫描道位置校正，使不同通道的雷达剖面在同一勘探线上都具有相同的扫描道数；

多通道的雷达系统中每个通道除了分别具有不同的中心频率外，其它工作参数也可能有区别，如发射天线和接收天线工作的时间差、各通道的采样率等，从而在同一的勘探测线上获得的多通道雷达信号具有不同直达波到达时间和扫描道数，从而需要对不同通道的雷达剖面进行扫描道零点校正和扫描道实测位置校正。

步骤3：分别对经步骤2处理后的各个通道上的各个扫描道进行时频分析，得到对应的时频谱；

步骤4：将各个通道中相同扫描道上的时频谱进行叠加获得同一勘探线上各扫描道的合成时频谱；

步骤5：对各个扫描道的合成时频谱进行逆时频变换得到对应扫描道的时间域雷达信号，得到时间域的多频融合雷达图像。

所述步骤3中的时频分析为S变换，公式如下：

$S(\mathrm{\τ},f)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}h\left(t\right)\frac{\left|f\right|}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{{(\mathrm{\τ}-t)}^2{f}^2}{2}}{e}^{-i2\mathrm{\πft}}\mathrm{dt}$

其中，令时窗函数h(t)为某通道某一扫描道的雷达信号，S(τ,f)为h(t)对应通道对应扫描道的时频谱；τ为时窗函数的中心点，用于控制高斯窗函数在时间轴上的位置，与探地雷达扫描道的采样点相对应；f为时窗宽度的倒数，时窗宽度等于扫描道的总时长除以采样点数；t表示雷达信号的采样时间。

所述步骤5中的逆时频变换公式如下：

$\mathrm{fh}\left(t\right)=\sqrt{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}\frac{\mathrm{FS}(\mathrm{\τ},f)}{\left|f\right|}{e}^{+i2\mathrm{\πft}}\mathrm{df}$

其中，FS(τ,f)多通道雷达信号中相对应的某一个扫描道位置的合成时频谱，fh(t)为该合成时频谱通过逆S变换得到的对应扫描道合成的时间域的雷达信号。

对不同频率的两个通道的扫描道上雷达信号进行时频谱合成运算时，对低频通道的雷达信号进行重采样，以获得与高频雷达信号相同的采样率；同时，将高频雷达信号进行补零处理，以获得低频雷达信号相同的采样长度。

通常情况下，最大通道数可能为2或3。

有益效果

本发明提供了一种用于多频多通道探地雷达的数据融合方法，对于多频多通道探地雷达连续剖面扫描原始数据，通过对各通道数据进行扫描道零点校正、扫描道实测位置校正，得到在扫描剖面上对应位置的多频多通道雷达数据；将对应位置的各通道雷达扫描道数据分别进行时频分析，得到时频域的多通道雷达信号；再将不同通道的对应雷达扫描信号在时频域进行合成，即可在每个扫描道位置获得由不同通道合成的一道时频域的雷达数据；对合成的时频域雷达数据按扫描道依次通过逆时频变换，即可得时间域的多频融合雷达图像。

相对于现有技术，由于探地雷达系统受到硬件器件性能的限制，尤其是在较大深度应用环境中通过加大发射功率的情况下，其采样率不能无限加大；另一方面，较高频率的电磁波对异常的分辨能力较高，反之亦然。多频多通道探地雷达技术试图突破探地雷达探测深度与分辨率相互制约的技术瓶颈，但由于不同通道雷达信号的频率、采样率等参数不同，无法在时间域对多频雷达信号进行数据级的融合处理。本发明将采用时频分析技术对多频多通道雷达信号在时频域进行合成，能充分利用原始信号中的所有信息。

合成的雷达图像相比多通道原始雷达图像而言，包含多频雷达系统中各种频率的雷达反射信号，具有多频雷达系统中较高频信号较高分辨率特点，同时具有较低频率信号较大勘探深度的特点，解决了传统探地雷达信号高分辨率与大勘探深度不能兼顾的问题；同时，将在同一勘探测线上获得的不同频率探地雷达信号融合成一个包含各种频率的直观的雷达图像，有利于勘探成果的解释和异常的识别。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为中心频率为100M的雷达系统一道采样曲线及其时频谱，其中，(a)为采样曲线，(b)为(a)对应的时频谱；

图3为中心频率为400M的雷达系统一道采样曲线及其时频谱，其中，(a)为采样曲线，(b)为(a)对应的时频谱；

图4为两道不同频率的雷达曲线在时频域的时频谱合成结果及其对应的时域曲线，其中，(a)为时频谱合成结果，(b)为(a)对应的时域曲线；

图5为两条中心频率不同的雷达实测剖面的数据融合处理结果，其中，(a)为高频通道400MHz的雷达信号，(b)为低频通道100MHz的雷达信号，(c)为高频通道与低频通道的雷达信号融合图像。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种用于多频多通道探地雷达的数据融合方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：获取具有不同中心频率的多通道雷达剖面；

步骤2：对各个通道的雷达剖面进行扫描道零点校正与扫描道实测位置校正；

所述扫描道零点校正是指通过对直达波的识别，以直达波为参照对每个通道雷达信号的各扫描道进行截取完成零点校正；

所述扫描道实测位置校正是指以所有通道中最大扫描数为基准，通过插值方法实现扫描道位置校正，使不同通道的雷达剖面在同一勘探线上都具有相同的扫描道数；

多通道的雷达系统中每个通道除了分别具有不同的中心频率外，其它工作参数也可能有区别，如发射天线和接收天线工作的时间差、各通道的采样率等，从而在同一的勘探测线上获得的多通道雷达信号具有不同直达波到达时间和扫描道数，从而需要对不同通道的雷达剖面进行扫描道零点校正和扫描道实测位置校正。

步骤3：分别对经步骤2处理后的各个通道上的各个扫描道进行时频分析，得到对应的时频谱；

步骤4：将各个通道中相同扫描道上的时频谱进行叠加获得同一勘探线上各扫描道的合成时频谱；

步骤5：对各个扫描道的合成时频谱进行逆时频变换得到对应扫描道的时间域雷达信号，得到时间域的多频融合雷达图像。

参见图2至图5，该实例采用青藏铁路路基检测的专用多通道车载探地雷达的实测数据，本实例中仅采用两个通道的数据，其天线中心频率分别100MHz和400MHz。检测车近似匀速行驶，约为15公里/小时，天线固定于检测车底部，距轨枕上界面为0.4米，收发天线沿轨枕轴向排列，垂直于铁轨走向，水平采样密度平均为15.38道/米。

获得野外实测数据后，根据雷达信号的直达波对两个通道的数据分别进行零点校正，根据雷达信号中的打标信息对扫描道位置校正，从而获得两个通道的校正数据，分别如图5(a)和图5(b)所示。

“打标”是在野外数据采集过程中，利用探地雷达的打标器进行打标，主要用于探地雷达连续工作方式下对扫描道位置的校正。

图5(a)为中心频率为400MHz的雷达数据，剖面长度为30米，扫描道数为501道，时窗为60ns，采样点数为512。

图5(b)为中心频率为100MHz的雷达数据，剖面长度为30米，扫描道数为501道，时窗为300ns，采样点数为1024。

两个通道中以第200道数据为例进行时频域合成。先将低频通道100MHz的数据进行重采样，获得与高频通道400MHz的数据相同的采样率，重采样后低频通道的采样点数为2560点，如图2(a)所示。

然后将高频通道的数据进行补零处理，得到的采样点数也为2560点，如图3(a)所示。

对图2(a)和图3(a)所示的雷达信号分别进行S变换，分别得到对应的时频谱，如图2(b)和图3(b)。

将图2(b)所示的低频通道时频谱与图3(b)所示的高频通道的时频谱相加，得到高频通道第200道数据与低频通道第200道数据合成的时频谱，如图4(a)所示。将合成时频谱采用反S变换，得到时间域的合成信号，如图4(b)所示。

在图2(a)、图3(a)及图4(b)中，纵坐标Amplitude表示振幅；在图2(b)、图3(b)及图4(a)中纵坐标为频率乘以采样率，单位为MHz；图2-图4的横坐标为τ乘以采样率的倒数，单位为ns；其中，采样率为2560/300MHz，2560为采样点数，300ns为采样时间。

通过上述过程将高频通道第200道与低频通道第200道数据合成得到融合图像中的第200道数据。同理，可将高频通道的全部扫描道501道数据(图5(a))与低频通道的全部扫描道501道数据(图5(b))依次融合，最终得到高频通道与低频通道的融合雷达图像，如图5(c)所示。

图5(a)为高频通道400MHz的雷达信号，在双程走时5ns～40ns范围内，可明显看到“蜂窝”状的条带反射信号，这是铁路路基最顶层介质轨枕的多次反射信号，轨枕轮廓清晰，但在50ns以后，随着雷达信号的衰减，反射信号微弱，无法从图5(a)中辨识出勘探深度较大时的地质情况。这说明高频通道的雷达信号具有较高的分辨率但探测深度浅。

图5(b)为低频通道100MHz的雷达信号，在双程走时35ns～60ns范围及水平位置23米～26米之间，反射信号在水平方向明显“不连续”(图中黑色圆圈标识的部分)，可能为路基缺陷所致，这一现象在高频通道雷达图像的图5(a)中并不存在，因为高频通道雷达信号探测深度有限。但图5(b)中轨枕轮廓并不明显，这是由于低频通道的雷达信号的横截面尺寸较小轨枕无法分辨。

图5(c)为高频通道与低频通道的雷达信号融合图像，即采用本发明所述方法得到的融合图像，在该融合图像中不但可以看到轨枕反射信号而且能探测到路基较深部的异常介质反射信号(图中黑色圆圈标识的部分)，说明多频多通道雷达融合信号同时具有较高的分辨率和较大的勘探深度。

本发明对多频多通道探地雷达图像融合处理，解决了探地雷达的固有缺陷，即高频雷达信号探测深度浅而低频雷达信号分辨率低的问题。

Claims (4)

1.一种用于多频多通道探地雷达的数据融合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取具有不同中心频率的多通道雷达剖面；

步骤2：对各个通道的雷达剖面进行扫描道零点校正与扫描道实测位置校正；

所述扫描道零点校正是指通过对直达波的识别，以直达波为参照对每个通道雷达信号的各扫描道进行截取完成零点校正；

所述扫描道实测位置校正是指以所有通道中最大扫描数为基准，通过插值方法实现扫描道位置校正，使不同通道的雷达剖面在同一勘探线上都具有相同的扫描道数；

步骤3：分别对经步骤2处理后的各个通道上的各个扫描道进行时频分析，得到对应的时频谱；

步骤4：将各个通道中相同扫描道上的时频谱进行叠加获得同一勘探线上各扫描道的合成时频谱；

步骤5：对各个扫描道的合成时频谱进行逆时频变换得到对应扫描道的时间域雷达信号，得到时间域的多频融合雷达图像。

2.根据权利要求1所述的一种用于多频多通道探地雷达的数据融合方法，其特征在于，所述步骤3中的时频分析为S变换，公式如下：

$S(\mathrm{\τ},f)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}h\left(t\right)\frac{\left|f\right|}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{{(\mathrm{\τ}-t)}^2{f}^2}{2}}{e}^{-i2\mathrm{\πft}}\mathrm{dt}$

其中，令时窗函数h(t)为某通道某一扫描道的雷达信号，S(τ,f)为h(t)对应通道对应扫描道的时频谱；τ为时窗函数的中心点，用于控制高斯窗函数在时间轴上的位置，与探地雷达扫描道的采样点相对应；f为时窗宽度的倒数，时窗宽度等于扫描道的总时长除以采样点数；t表示雷达信号的采样时间。

3.根据权利要求2所述的一种用于多频多通道探地雷达的数据融合方法，其特征在于，所述步骤5中的逆时频变换公式如下：

$\mathrm{fh}\left(t\right)\sqrt{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}\frac{\mathrm{FS}(\mathrm{\τ},f)}{\left|f\right|}{e}^{+i2\mathrm{\πft}}\mathrm{df}$

其中，FS(τ,f)多通道雷达信号中相对应的某一个扫描道位置的合成时频谱，fh(t)为该合成时频谱通过逆S变换得到的对应扫描道合成的时间域的雷达信号。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于多频多通道探地雷达的数据融合方法，其特征在于，对不同频率的两个通道的扫描道上雷达信号进行时频谱合成运算时，对低频通道的雷达信号进行重采样，以获得与高频雷达信号相同的采样率；同时，将高频雷达信号进行补零处理，以获得低频雷达信号相同的采样长度。