CN105974405B - 基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法 - Google Patents

Abstract

基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，属于雷达成像领域。传统后向投影成像方法存在对杂波、噪声抑制能力不足的问题。一种基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，对于任意成像点A，利用时延计算成像点在各通道的散射响应幅值x_A,k＝r_k(t)，t＝τ_A,k；通过边缘提取获得双曲线回波上的点对应的响应幅值构造窗函数；对各通道的散射响应幅值x_A,k进行加权，然后相干叠加完成对A点的成像；遍历所有成像点完成整个成像过程。本发明利用窗函数对散射幅度进行加权处理，改进了目标检测的精度，提高了对噪声、杂波干扰的抑制能力。

Description

基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法

技术领域

本发明属于雷达成像领域，具体涉及一种基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法。

背景技术

探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)通过向地下媒质发射高频电磁波，利用电磁波在媒质电磁特性不连续处产生的反射、散射来实现地下目标检测与识别。随着信号处理技术的发展和电子器件水平的提高，高分辨率数据处理和目标成像技术成为了探地雷达最有应用前景的处理方法。

探地雷达关于理想点目标的回波模型呈双曲线形状。为了提高图像的方位分辨率，一般采用合成孔径成像技术(SAR)来对双曲线进行聚焦处理，实现对目标的精确定位。探地雷达在地面沿观测线方向移动时向地面发射高频电磁波，在每条孔径处的回波信号中都记录了目标的位置信息，扫过整个区域后即完成了合成孔径扫描。

目前最具有代表性的成像方法分别为时域上的后向投影(Back Projection,BP)成像方法和频域上的距离偏移(Range Migration,RM)成像方法。

(一)后向投影成像方法。这类方法通过求出成像点后向散射回波的相干叠加结果后，再求其幅度即可得到该点的后向散射强度，其基本思想可以用“延迟-求和”概括。后向投影成像方法最早应用于计算机层析成像，因原理类似，在Munson,D.C.,J.D.O'Brien,andW.Jenkins."A tomographic formulation of spotlight-mode synthetic apertureradar."Proceedings ofthe IEEE 71.8(1983):917-925(聚束模式合成孔径雷达的层析成像).，中使用后向投影成像方法进行合成孔径成像；Halman,J.I.,K.Shubert,andG.T.Ruck."SAR processing of ground-penetrating radar data for buried UXOdetection:results from a surface-based system."IEEE Transactions on Antennas&Propagation 46.7(1998):1023-1027(地下未爆炸武器探地雷达合成孔径成像).中利用后向投影方法对地下未爆炸武器进行了三维成像，证明了该方法对地下目标成像的准确性；Cui,Guolong,L.Kong,and J.Yang."A Back-Projection Algorithm to Stepped-Frequency Synthetic Aperture Through-the-Wall Radar Imaging."SyntheticAperture Radar,2007.APSAR 2007.1st Asian and Pacific Conference on 2007:123–126(一种频率步进孔径雷达的反投影算法).中将后向投影方法应用于穿墙雷达成像，证明了该方法可以进行穿墙高质量成像。这类方法对地下各类随机噪声和杂波干扰的抑制能力有限，导致回波信号的信噪比达不到要求，严重影响成像结果。

(二)距离偏移成像方法。这类方法的信号处理过程在频域中进行，其关键在于频域上的Stolt插值处理。最早在Mast J E.Microwave pulse-echo radar imaging for thenondestructive evaluation of civil structures[D].Urbana,Illinois:Universityof Illinois at Urbana-Champaign,1993(微波脉冲回波成像对土木结构无损检测的研究).中提出应用于探地雷达的距离偏移成像方法；Gu,K.,G.Wang,and J.Li."Migrationbased SAR imaging for ground penetrating radar systems."Radar,Sonar andNavigation,IEE Proceedings-151.5(2004):317-325(基于偏移成像的探地雷达系统).中指出相比于射线追踪合成孔径方法，距离偏移方法由于其在空气-地面对斜入射波处理简单、直观的优点更适合对地下目标进行成像；Lopera,Olga,et al."Filtering SoilSurface andAntennaEffects From GPRData to Enhance Landmine Detection."IEEETransactions on Geoscience&Remote Sensing 45.3(2007):707-717(提高地雷检测的方法：消除土壤表面和GPR数据的天线效应).中通过线性变换和格林函数滤波对探地雷达回波数据进行了更好的预处理，提高了图像的成像质量。这类方法的问题在于当存在分层介质时并不符合该方法的初始条件，从而使Stolt插值不能很好地找到频域的回波数值，导致成像结果很差，双曲线无法聚焦，严重影响了目标的检测与定位。

发明内容

本发明的目的是为了有效提高后向投影方法对杂波、噪声干扰的抑制能力，针对地下目标成像，提出一种基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法。

一种基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、设定探地雷达的总通道数为M，计算成像区域内任意一个成像点A到各个通道的双程时延，那么，成像点A到第k个通道的双程时延τ_A,k表示为：

其中，成像点A坐标为A(x_A,z_A)；

式中，k表示通道序号，且k＝1,2,......,M；τ_A,k表示成像点A到第k个通道的双程时延；v表示电磁波在介质中的传播速度，c表示电磁波在真空中传播的速度，大小为3.0×10⁸m/s，ε为介质的介电常数；

步骤二、通过公式x_A,k＝r_k(t)计算成像点A在各通道的散射响应幅值x_A,k，其中t＝τ_A,k；

式中，r_k(t)表示探地雷达在各通道的回波数据；

步骤三、构造窗函数W；

步骤四、利用步骤三中构建的窗函数扫描成像点A，进行成像点A的成像过程；

步骤五、重复步骤一至步骤四的过程，遍历成像区域所有成像点，则完成了成像过程。

本发明的有益效果为：

本发明的基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法为探地雷达合成孔径成像开辟了一条新途径，在经典的后向投影成像方法的基础上对探地雷达回波信号进行加权，获得的信噪比和成像分辨率与现有经典后投影成像技术相比能提高40-60％；改善了经典后向投影成像算法对噪声、杂波干扰抑制能力较差的缺点，与实物相比所成像的成像质量达98％。本发明可应用于需要高分辨率成像的探地雷达成像领域，利用本文中所提出的窗函数对散射幅度进行加权处理，改进了目标检测的精度，对噪声、杂波干扰的抑制能力提高30％左右。

附图说明

图1为本发明涉及的预处理后的探地雷达回波B-scan图像；

图2为本发明涉及的经典后向投影成像方法的成像结果；

图3为本发明涉及的基于幅度加权的后向投影方法(Delay-Weight-Sumalgorithm,DWS algorithm)的成像结果，

图4为本发明涉及的两种成像方法在X轴的剖面图对比；

图5为本发明涉及的两种成像方法在Y轴的剖面图对比；

图6为本发明的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，结合图6的流程图，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、设定探地雷达的总通道数为M，计算成像区域内任意一个成像点A到各个通道的双程时延，那么，成像点A到第k个通道的双程时延τ_A,k表示为：

其中，成像点A坐标为A(x_A,z_A)；

式中，k表示通道序号，且k＝1,2,......,M；τ_A,k表示成像点A到第k个通道的双程时延；v表示电磁波在介质中的传播速度，c表示电磁波在真空中传播的速度，大小为3.0×10⁸m/s，ε为介质的介电常数；

步骤二、通过公式x_A,k＝r_k(t)计算成像点A在各通道的散射响应幅值x_A,k，其中t＝τ_A,k；

式中，r_k(t)表示探地雷达在各通道的回波数据；

步骤三、构造窗函数W；

步骤四、利用步骤三中构建的窗函数扫描成像点A，进行成像点A的成像过程；

步骤五、重复步骤一至步骤四的过程，遍历成像区域所有成像点，则完成了成像过程。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，步骤二所述计算成像点A在各通道的散射响应幅值的过程为，首先，设探地雷达各通道的回波用r_k(t)表示，然后得成像点A在各通道的散射响应幅值x_A,k分别为x_A,k＝r_k(t)，t＝τ_A,k；式中，k表示通道序号，且k＝1,2,......,M。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，步骤三所述构造窗函数W的过程为，

步骤三一、设双曲线的水平区域对应m个通道，分别为k₁,k₂,...,k_m；对获得的探地雷达B-scan图像进行边缘提取，得到双曲线上的点对应的响应幅值分别为u₁,u₂,......,u_m，并构造一个1×M维的矢量W'，且：

其中，M表示总通道数，m表示探地雷达回波双曲线水平区域占据的通道数；

步骤三二、设总通道数M和双曲线对应的通道数m都是偶数，

步骤三三、对获得的矢量W'进行归一化处理，则得到了基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法中使用的窗函数W，窗函数W表示为：

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，步骤四所述利用步骤三中构建的窗函数扫描成像点A，进行成像点A的成像过程具体为，

利用步骤三中构建的窗函数W对步骤二中成像点A在各通道的散射响应幅值x_A,k构成的X_A＝(x_A,1,x_A,2,......,x_A,M)进行加权；然后将加权后的各通道回波相干叠加，获得成像点A的散射幅度信息，完成对成像点A的成像过程。

具体实施方式五：

与具体实施方式四不同的是，本实施方式的基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，所述的完成对成像点A的成像过程后，得到成像结果表示为：

具体实施方式六：

与具体实施方式四或五不同的是，本实施方式的基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，所述的进行对成像点A的成像过程中，

当窗函数扫过非目标成像点时，对该成像点幅度加权值改变不大；

当窗函数扫过目标成像点时，窗函数与目标成像点形成的幅度曲线重合，基于波束形成和匹配滤波器的原理可知，此时对幅值的改变最大，从而达到了抑制旁瓣与改进分辨力的目的，提高了信噪比。

仿真实验：

计算成像点对应于每个合成孔径位置的延时；找到成像点对应于每个合成孔径位置的散射强度；利用窗函数对散射强度进行加权后相干叠加获得该点的成像结果；遍历所有成像区域，完成对整个区域的成像。

其中，图2为经典后向投影成像方法对图1处理后的聚焦结果，图3为本发明涉及的后向投影成像方法对图1处理后的聚焦结果。

仿真结果证明：

图3与图2相比可知。本发明的基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，在经典的后向投影成像方法的基础上对探地雷达回波信号进行加权，能够获得更好的信噪比和成像分辨率，改善了经典后向投影成像算法对噪声、杂波干扰抑制能力较差的缺点，提高了成像质量。本发明可应用于需要高分辨率成像的探地雷达成像领域，利用本文中所提出的窗函数对散射幅度进行加权处理，改进了目标检测的精度，提高了对噪声、杂波干扰的抑制能力。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、设定探地雷达的总通道数为M，计算成像区域内任意一个成像点A到各个通道的双程时延，那么，成像点A到第k个通道的双程时延τ_A,k表示为：

其中，成像点A坐标为A(x_A,z_A)；

式中，k表示通道序号，且k＝1,2,......,M；τ_A,k表示成像点A到第k个通道的双程时延；v表示电磁波在介质中的传播速度，c表示电磁波在真空中传播的速度，大小为3.0×10⁸m/s，ε为介质的介电常数；

步骤二、通过公式x_A,k＝r_k(t)计算成像点A在各通道的散射响应幅值x_A,k，其中t＝τ_A,k；

式中，r_k(t)表示探地雷达在各通道的回波数据；

步骤三、构造窗函数W；

所述构造窗函数W的过程为，

步骤三一、设双曲线的水平区域对应m个通道，分别为k₁,k₂,...,k_m；对获得的探地雷达B-scan图像进行边缘提取，得到双曲线上的点对应的响应幅值分别为u₁,u₂,......,u_m，并构造一个1×M维的矢量：

其中，M表示总通道数，m表示探地雷达回波双曲线水平区域占据的通道数；

步骤三二、设总通道数M和双曲线对应的通道数m都是偶数，

步骤三三、对获得的矢量W'进行归一化处理，则得到了基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法中使用的窗函数W，窗函数W表示为：

步骤四、利用步骤三中构建的窗函数扫描成像点A，进行成像点A的成像过程；

步骤五、重复步骤一至步骤四的过程，遍历成像区域所有成像点，则完成了成像过程。

2.根据权利要求1所述基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，其特征在于：步骤二所述计算成像点A在各通道的散射响应幅值的过程为，首先，设探地雷达各通道的回波用r_k(t)表示，然后得成像点A在各通道的散射响应幅值x_A,k分别为x_A,k＝r_k(t)，t＝τ_A,k；式中，k表示通道序号，且k＝1,2,......,M。

3.根据权利要求1所述基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，其特征在于：步骤四所述利用步骤三中构建的窗函数扫描成像点A，进行成像点A的成像过程具体为，利用步骤三中构建的窗函数W对步骤二中成像点A在各通道的散射响应幅值x_A,k构成的X_A＝(x_A,1,x_A,2,......,x_A,M)进行加权；然后将加权后的各通道回波相干叠加，获得成像点A的散射幅度信息，完成对成像点A的成像过程。

4.根据权利要求3所述基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，其特征在于：所述的完成对成像点A的成像过程后，得到成像结果表示为：

5.根据权利要求3所述基于幅度加权的探地雷达后向投影成像方法，其特征在于：所述的进行对成像点A的成像过程中，

当窗函数扫过非目标成像点时，对该成像点幅度加权值改变不大；

当窗函数扫过目标成像点时，窗函数与目标成像点形成的幅度曲线重合，对幅值的改变最大。