CN109085548B - 一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法及装置 - Google Patents

一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法及装置，通过预置点分割阈值，将表层穿透雷达接收信号的B‑scan图像转换的二值图像中孤立的像素点去除，清除二值图像中的零散的像素点，再通过寻找二值图像中的上开口和下开口区域，提取二值图像中的目标区域，最后将二值图像中非聚类的像素点去除，并将两个双曲线之间的交叉区域的像素点去除，使得二值图像中虚假目标区域被去除，更精确和完整地提取表层穿透雷达目标检测中存在的双曲线目标，解决了现有的表层穿透雷达双曲线特征的提取方法存在的双曲线的提取精度不高，背景目标的去除存在的不足的技术问题。

Description

一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法及装置
技术领域
本发明涉及表层穿透雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法及装置。
背景技术
表层穿透雷达(SPR)作为一种非破坏性探测手段，已广泛应用于探测隐蔽区域的未知目标，例如埋藏的地雷、路面下的管道、有障碍物时的手势识别等。表层穿透雷达是一种非接触式探测仪器，利用不同遮蔽介质电磁特性的差异，通过发射高频电波并接受其反射信号实现对遮蔽环境的探测。上世纪九十年代以来，随着超宽带雷达技术逐步发展成熟，针对浅层遮蔽的小目标的探测(如薄板后的手势识别雷达)才变为可能。
表层穿透雷达一般采用类似Ricker子波的雷达脉冲，具有一定的雷达脉冲宽度，因此被测目标所成像的双曲线在图像上呈现一定的宽度和成对出现的图像特征。这就可以将被测目标的定位提取问题转换为成对双曲线的提取问题。而提取双曲线的特征也是图像特征信息提取的重要组成部分，是解决表层穿透雷达探测数据处理中许多复杂问题的一条重要途径。
传统的表层穿透雷达特征提取主要包括：边缘检测和Hough变换提取双曲线特征。现有的表层穿透雷达双曲线特征的提取方法存在双曲线的提取精度不高，背景目标的去除存在不足的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法及装置，解决了现有的表层穿透雷达双曲线特征的提取方法存在的双曲线的提取精度不高，背景目标的去除存在的不足的技术问题。
本发明提供了一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法，包括：
S1、获取去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像；
S2、对B-scan图像进行预处理，将B-scan图像转换为二值图像；
S3、根据预置点分割阈值，将二值图像中非点分割的像素点去除，得到初次处理后的二值图像；
S4、逐行遍历二值图像，当二值图像中上开口或下开口的一条边所占列数小于预设阈值时，将所述边包含的像素点去除，得到二次处理后的二值图像；
S5、再次逐行遍历二值图像，将二值图像中非聚类的像素点去除，并将二值图像中两个双曲线之间的交叉区域的像素点去除，得到三次处理后的二值图像；
S6、逐列遍历二值图像，确定二值图像中像素点的中位数，并根据像素点的中位数进行双曲线的拟合，根据拟合后的双曲线在B-scan图像中确定目标的位置。
可选地，所述步骤S2具体包括：
S21、将B-scan图像转化为灰度图像；
S22、通过二维最大熵阈值分割法将灰度图像分割为二值图像。
可选地，所述步骤S2还包括：
S23、通过膨胀算子和腐蚀算子对二值图像进行预处理，去除二值图像中的不规则区域。
可选地，所述步骤S5具体包括：
S51、再次逐行遍历二值图像，将二值图像中上一行存在至少两个与下一行重叠的点分割，下一行存在一个点分割的上开口点分割的开口起始位置保存至第一数组中；
S52、将二值图像中上一行存在一个重叠的点分割，下一行存在至少两个与上一行重叠的点分割的下开口点分割的开口起始位置保存至第二数组中；
S53、根据第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由下往上逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，若向上遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将第二数组中下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点去除；
S54、返回至第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由上往下逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，其中，记最左侧所有第一点分割为下开口目标的左边长，最右侧所有第一点分割为下开口目标的右边长；
若向下遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将与上开口点分割的开口起始位置连续重叠的第二点分割去除，直到未搜索到第二点分割或搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置；
若搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置，判断第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长还是右边长，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长，则将非最左侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第三点分割去除，得到下开口目标的左边长包含的像素点，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的右边长，则将非最右侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第四点分割去除，得到下开口目标的右边长包含的像素点。
可选地，所述步骤S6具体包括：
S61、逐列遍历二值图像中每一个下开口目标包含的像素点，根据最上端的像素点和最下端的像素点的位置，计算二值图像中像素点的中位数；
S62、通过低通滤波公式
Figure GDA0002911179440000031
对二值图像中每一个下开口目标包含的像素点的中位数进行处理，得到待拟合的像素点；
S63、通过抛物线拟合算法将待拟合的像素点中不符合双曲线特征的像素点去除；
S64、通过双曲线算法将待拟合的像素点拟合为双曲线，并根据双曲线的系数在B-scan图像中确定目标的位置。
本发明提供了一种表层穿透雷达双曲线目标检测装置，包括：
获取单元，用于获取去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像；
预处理单元，用于对B-scan图像进行预处理，将B-scan图像转换为二值图像；
第一处理单元，用于根据预置点分割阈值，将二值图像中非点分割的像素点去除，得到初次处理后的二值图像；
第二处理单元，用于逐行遍历二值图像，当二值图像中上开口或下开口的一条边所占列数小于预设阈值时，将所述边包含的像素点去除，得到二次处理后的二值图像；
第三处理单元，用于再次逐行遍历二值图像，将二值图像中非聚类的像素点去除，并将二值图像中两个双曲线之间的交叉区域的像素点去除，得到三次处理后的二值图像；
目标确定单元，应用于逐列遍历二值图像，确定二值图像中像素点的中位数，并根据像素点的中位数进行双曲线的拟合，根据拟合后的双曲线在B-scan图像中确定目标的位置。
可选地，所述预处理单元具体包括：
转换子单元，用于将B-scan图像转化为灰度图像；
分割子单元，用于通过二维最大熵阈值分割法将灰度图像分割为二值图像。
可选地，所述预处理单元还包括：
膨胀腐蚀子单元，用于通过膨胀算子和腐蚀算子对二值图像进行预处理，去除二值图像中的不规则区域。
可选地，所述第三处理单元具体包括：
第一数组子单元，用于再次逐行遍历二值图像，将二值图像中上一行存在至少两个与下一行重叠的点分割，下一行存在一个点分割的上开口点分割的开口起始位置保存至第一数组中；
第二数组子单元，用于将二值图像中上一行存在一个重叠的点分割，下一行存在至少两个与上一行重叠的点分割的下开口点分割的开口起始位置保存至第二数组中；
第一遍历子单元，用于根据第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由下往上逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，若向上遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将第二数组中下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点去除；
第二遍历子单元，用于返回至第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由上往下逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，其中，记最左侧所有第一点分割为下开口目标的左边长，最右侧所有第一点分割为下开口目标的右边长；
若向下遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将与上开口点分割的开口起始位置连续重叠的第二点分割去除，直到未搜索到第二点分割或搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置；
若搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置，判断第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长还是右边长，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长，则将非最左侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第三点分割去除，得到下开口目标的左边长包含的像素点，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的右边长，则将非最右侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第四点分割去除，得到下开口目标的右边长包含的像素点。
可选地，所述目标确定单元具体包括：
第三遍历子单元，用于逐列遍历二值图像中每一个下开口目标包含的像素点，根据最上端的像素点和最下端的像素点的位置，计算二值图像中像素点的中位数；
低通滤波子单元，用于通过低通滤波公式
Figure GDA0002911179440000051
对二值图像中每一个下开口目标包含的像素点的中位数进行处理，得到待拟合的像素点；
剔除子单元，用于通过抛物线拟合算法将待拟合的像素点中不符合双曲线特征的像素点去除；
目标确定子单元，用于通过双曲线算法将待拟合的像素点拟合为双曲线，并根据双曲线的系数在B-scan图像中确定目标的位置。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明通过预置点分割阈值，将表层穿透雷达接收信号的B-scan图像转换的二值图像中孤立的像素点去除，清除二值图像中的零散的像素点，再通过寻找二值图像中的上开口和下开口区域，提取二值图像中的目标区域，最后将二值图像中非聚类的像素点去除，并将两个双曲线之间的交叉区域的像素点去除，使得二值图像中虚假目标区域被去除，更精确和完整地提取表层穿透雷达目标检测中存在的双曲线目标，解决了现有的表层穿透雷达双曲线特征的提取方法存在的双曲线的提取精度不高，背景目标的去除存在的不足的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法的一个实施例的流程示意图；
图2为本发明提供的一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法的另一个实施例的流程示意图；
图3为本发明提供的一种表层穿透雷达双曲线目标检测装置的一个实施例的结构示意图；
图4为本发明提供的一种表层穿透雷达双曲线目标检测装置的另一个实施例的结构示意图；
图5为本发明实施例中点分割示意图；
图6为本发明实施例中上开口示意图；
图7为本发明实施例中下开口示意图；
图8为本发明实施例中不规则的上开口示意图；
图9为本发明实施例中第一种不规则的下开口示意图；
图10为本发明实施例中上开口点分割示意图；
图11为本发明实施例中下开口点分割示意图；
图12为本发明实施例中第二种不规则的下开口示意图；
图13为本发明实施例中第三种不规则的下开口示意图；
图14为本发明实施例中第四种不规则的下开口示意图；
图15为本发明实施例中第五种不规则的下开口示意图；
图16为本发明实施例中第六种不规则的下开口示意图；
图17为本发明实施例中GprMax仿真目标的B-scan示意图；
图18为本发明实施例中GprMax仿真目标的B-scan灰度化示意图；
图19为本发明实施例中GprMax仿真目标的采用二维最大熵阈值分割后的二值图像示意图；
图20为本发明实施例中GprMax仿真目标的二值图像做预处理后的示意图；
图21为本发明实施例中GprMax仿真目标去掉不规则区域的示意图；
图22为本发明实施例中GprMax仿真目标对于各个目标区域的像素点聚类后的示意图；
图23为本发明实施例中GprMax仿真目标做抛物线拟合并去掉不规则目标区域的示意图；
图24为本发明实施例中GprMax仿真目标最后做双曲线拟合并在原图中显示结果的示意图；
图25为本发明实施例中GprMax仿真目标加噪声后的B-scan示意图；
图26为本发明实施例中GprMax仿真目标加噪声后的B-scan灰度化示意图；
图27为本发明实施例中GprMax仿真目标加噪声后的采用二维最大熵阈值分割后的二值图像示意图；
图28为本发明实施例中GprMax仿真目标加噪声后的二值图像做预处理后的示意图；
图29为本发明实施例中GprMax仿真目标加噪声后去掉不规则区域的示意图；
图30为本发明实施例中GprMax仿真目标加噪声后对于各个目标区域的像素点聚类后的示意图；
图31为本发明实施例中GprMax仿真目标加噪声后抛物线拟合并去掉不规则目标区域的示意图；
图32为本发明实施例中GprMax仿真目标加噪声后最后做双曲线拟合并在原图中显示结果的示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法及装置，解决了现有的表层穿透雷达双曲线特征的提取方法存在的双曲线的提取精度不高，背景目标的去除存在的不足的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供了一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法的一个实施例，包括：
101、获取去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像；
需要说明的是，首先获取去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像。
102、对B-scan图像进行预处理，将B-scan图像转换为二值图像；
需要说明的是，在获取到去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像后，对B-scan图像进行预处理，将B-scan图像转换为二值图像以便后续处理。
103、根据预置点分割阈值，将二值图像中非点分割的像素点去除，得到初次处理后的二值图像；
需要说明的是，定义点分割为预置点分割阈值个及以上连续的像素点，如图5所示，假设预置点分割阈值为2，则图5中标记为1的像素点代表非点分割，其余像素点均为点分割。在B-scan图像转换为二值图像后，根据预置点分割阈值将二值图像中非点分割的像素点去除，得到初次处理后的二值图像。
104、逐行遍历二值图像，当二值图像中上开口或下开口的一条边所占列数小于预设阈值时，将所述边包含的像素点去除，得到二次处理后的二值图像；
需要说明的是，如图6和图7所示，图6为二值图像中的上开口的示例图，图7为二值图像中的下开口的示例图。逐行遍历二值图像后，能够找到二值图像中的上开口和下开口，如图8和图9所示，当二值图像中上开口或下开口的一条边所占列数小于预设阈值时，将所述边包含的像素点去除，得到二次处理后的二值图像，即预设阈值为3，图8和图9中标记为2的像素点均需要删除。
105、再次逐行遍历二值图像，将二值图像中非聚类的像素点去除，并将二值图像中两个双曲线之间的交叉区域的像素点去除，得到三次处理后的二值图像；
需要说明的是，在对二值图像进行了二次处理后，再次逐行遍历二值图像，将二值图像中不与双曲线目标连接在一起的非聚类的像素点去除，并将两个双曲线之间的交叉区域的像素点去除，使得虚假目标区域被剔除掉，得到双曲线目标，得到三次处理后的二值图像，提高双曲线目标提取的精度。
106、逐列遍历二值图像，确定二值图像中像素点的中位数，并根据像素点的中位数进行双曲线的拟合，根据拟合后的双曲线在B-scan图像中确定目标的位置；
需要说明的是，对于得到的双曲线目标，需要更精确用来进行双曲线拟合的像素点，因此通过逐列遍历二值图像，确定二值图像中像素点的中位数，以像素点的中位数进行双曲线的拟合，并将拟合后的双曲线在原始的B-scan图像中表示出来，从而确定表层穿透雷达双曲线目标的位置。
本发明实施例通过预置点分割阈值，将表层穿透雷达接收信号的B-scan图像转换的二值图像中孤立的像素点去除，清除二值图像中的零散的像素点，再通过寻找二值图像中的上开口和下开口区域，提取二值图像中的目标区域，最后将二值图像中非聚类的像素点去除，并将两个双曲线之间的交叉区域的像素点去除，使得二值图像中虚假目标区域被去除，更精确和完整地提取表层穿透雷达目标检测中存在的双曲线目标，解决了现有的表层穿透雷达双曲线特征的提取方法存在的双曲线的提取精度不高，背景目标的去除存在的不足的技术问题。
以上是对本发明提供的一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法的一个实施例进行的说明，以下将对本发明提供的一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法的另一个实施例进行说明。
请参阅图2，本发明提供了一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法的另一个实施例，包括：
201、获取去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像；
需要说明的是，首先获取去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像。
202、将B-scan图像转化为灰度图像；
需要说明的是，在获取到去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像后，对于B-scan图像I，假定其大小为N×M，将其转化为灰度图像Ig。具体做法为：假设B-scan图像I中的某一个像素点的R、G、B三个分量的值分别为IR(x,y)，IG(x,y)，IB(x,y)。则灰度图Ig的像素值计算方法为：Ig(x,y)＝0.299×IR(x,y)+0.587×IG(x,y)+0.114×IB(x,y)，其中0＜x≤N，0＜y≤M。
203、通过二维最大熵阈值分割法将灰度图像分割为二值图像；
需要说明的是，对于第一次转化得到的灰度图像，通过二维最大熵阈值分割法将灰度图像分割为二值图像，具体地：
假定B-scan图像大小为M×N，其灰度取值范围为：G＝{1,2,...,L}，二维最大熵阈值分割方法考虑该像素的灰度值Ig和该像素邻域的灰度值Ir。Ir的定义为：
Figure GDA0002911179440000101
其中n≤min(N,M)，一般取奇数，[]是取整符号。采用＜Ig(x,y),Ig(x,y)＞的数据对来表示一幅图像。利用hij表示＜Ig(x,y),Ig(x,y)＞出现的频数。则可以定义联合概率密度函数Pij＝hij/(N×M)。其中Pij≤1，i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,m，
Figure GDA0002911179440000102
若图像的分割阈值矢量为<S,T>，则定义离散二维熵为：
Figure GDA0002911179440000103
则目标类和背景类的熵为：
Ho(S,T)＝lnP(S,T)+H(S,T)/P(S,T)
Hb(S,T)＝ln(1-P(S,T))+(H(L,L)-H(S,T))/(1-P(S,T))
Figure GDA0002911179440000104
即：
<S,T>＝argmax(Ho(S,T)+Hb(S,T))
其中S,T∈G。
随后，定义阈值分割的方法，得到分割后的二值图像Ib：
Figure GDA0002911179440000111
204、通过膨胀算子和腐蚀算子对二值图像进行预处理，去除二值图像中的不规则区域；
需要说明的是，采用的膨胀算子Eo和腐蚀算子Co分别为：
Figure GDA0002911179440000112
腐蚀用来去掉比较亮的噪声点，膨胀用来连通相似颜色或强度的区域。开运算是对图像先进行腐蚀再进行膨胀，用来消除小物体、在纤细点处分离物体、平滑较大物体。而闭运算是对图像先进行膨胀再进行腐蚀，用来填充物体内细小空洞、连接邻近物体、平滑其边界。对二值图像Ib先做闭运算再做开运算，可以去掉一些不规则的区域。
205、根据预置点分割阈值，将二值图像中非点分割的像素点去除，得到初次处理后的二值图像；
需要说明的是，定义点分割为预置点分割阈值个及以上连续的像素点，如图5所示，假设预置点分割阈值为2，则图5中标记为1的像素点代表非点分割，其余像素点均为点分割。在B-scan图像转换为二值图像后，根据预置点分割阈值将二值图像中非点分割的像素点去除，得到初次处理后的二值图像。
206、逐行遍历二值图像，当二值图像中上开口或下开口的一条边所占列数小于预设阈值时，将所述边包含的像素点去除，得到二次处理后的二值图像；
需要说明的是，如图6和图7所示，图6为二值图像中的上开口的示例图，图7为二值图像中的下开口的示例图。逐行遍历二值图像后，能够找到二值图像中的上开口和下开口，如图8和图9所示，当二值图像中上开口或下开口的一条边所占列数小于预设阈值时，将所述边包含的像素点去除，得到二次处理后的二值图像，即预设阈值为3，图8和图9中标记为2的像素点均需要删除。
207、再次逐行遍历二值图像，将二值图像中上一行存在至少两个与下一行重叠的点分割，下一行存在一个点分割的上开口点分割的开口起始位置保存至第一数组中；
需要说明的是，如图10所示，对于上开口的位置信息的标记，通过将图10中标记为3的上开口点分割的开口起始位置信息保存至第一数组中。
208、将二值图像中上一行存在一个重叠的点分割，下一行存在至少两个与上一行重叠的点分割的下开口点分割的开口起始位置保存至第二数组中；
需要说明的是，如图11所示，对于下开口的位置信息的标记，通过将图11中标记为4的下开口点分割的开口起始位置信息保存至第二数组中。
209、根据第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由下往上逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，若向上遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将第二数组中下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点去除；
需要说明的是，对于一个下开口目标，首先从下开口点分割的开口起始位置开始，由下往上逐行遍历二值图像，搜索到与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割，则可以确定下开口目标的顶部的像素点范围，若搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，即如图12所示中标记为3的上开口点分割的开口起始位置，则这个下开口目标是由两个下开口目标交叉成像形成的虚假目标，则将第二数组中下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点去除，即从第二数组中去掉这个下开口目标。
210、返回至第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由上往下逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，其中，记最左侧所有第一点分割为下开口目标的左边长，最右侧所有第一点分割为下开口目标的右边长；
若向下遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将与上开口点分割的开口起始位置连续重叠的第二点分割去除，直到未搜索到第二点分割或搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置；
若搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置，判断第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长还是右边长，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长，则将非最左侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第三点分割去除，得到下开口目标的左边长包含的像素点，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的右边长，则将非最右侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第四点分割去除，得到下开口目标的右边长包含的像素点；
需要说明的是，对于经过步骤209筛选和处理后的下开口，确定了下开口目标的顶部后，返回至下开口点分割的开口起始位置，重新从下开口点分割的开口起始位置由上往下逐行遍历二值图像，再次搜索与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割，此时是对下开口目标的左边长和右边长进行搜索，会出现两种情况：
如图13所示，在一行中搜索到标记为4的第二数组中的下开口点分割的开口起始位置，且下一行中搜索到标记为4的与下开口点分割的开口起始位置重叠的两个或两个以上第二数组中的下开口分割点的开口起始位置，则将下开口目标中标记为5的从上开口点分割的开口起始位置至下一个下开口分割点的开口起始位置的重叠区域的点分割去除；
如图14所示，在一行中搜索到标记为4的两个或两个以上第二数组中的下开口分割点的开口起始位置，且下一行中搜索到标记为3的与两个或两个以上的下开口分割点重叠的开口起始位置的第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将下开口目标中从标记为3的上开口点分割的开口起始位置至标记为4的下一个下开口分割点的开口起始位置的重叠区域的点分割去除；
除此之外，第二种情况中，还会出现如图15所示的两个双曲线交叉成像且未出现新的下开口目标的特殊情况，此时只需要将标记为3的上开口点分割的开口起始位置去除即可；
另外，还可能出现如图16所示的双曲线的左右端位置被连接起来的情况，此时只需要将连接左右端的重叠区域的点分割去除即可。
211、逐列遍历二值图像中每一个下开口目标包含的像素点，根据最上端的像素点和最下端的像素点的位置，计算二值图像中像素点的中位数；
需要说明的是，对于由步骤206至步骤210处理提取的双曲线目标特征区域，逐列遍历其每一个下开口目标包含的像素点的位置，计算其中位数Pm。计算过程为：Pm＝(P1+P2)/2，其中P1表示点分割的上端点，P2表示点分割的下端点。
212、通过低通滤波公式
Figure GDA0002911179440000141
对二值图像中每一个下开口目标包含的像素点的中位数进行处理，得到待拟合的像素点；
需要说明的是，为了更好的做曲线拟合，需要对步骤211中提取的像素点的中位数做低通滤波。具体做法为：
通过低通滤波公式
Figure GDA0002911179440000142
得到最终确定的待拟合的像素点Ps(x,y)。
213、通过抛物线拟合算法将待拟合的像素点中不符合双曲线特征的像素点去除；
需要说明的是，通过抛物线拟合算法将待拟合的像素点中不符合双曲线特征的像素点去除，抛物线拟合算法具体为：
A.假定抛物线的方程为
Figure GDA0002911179440000143
其中(x,y)∈Ps。做最小二乘拟合，使其满足
Figure GDA0002911179440000144
求出a2,a1,a0。
B.若其满足：
a2＜0，
Figure GDA0002911179440000145
其中Xl＝min(xi)，Xr＝max(xi)，
则认为待拟合的像素点符合双曲线特征，下一步对待拟合的像素点进行双曲线拟合，否则，待拟合的像素点不符合双曲线特征，将该待拟合的像素点去除。
214、通过双曲线算法将待拟合的像素点拟合为双曲线，并根据双曲线的系数在B-scan图像中确定目标的位置；
需要说明的是，双曲线算法具体为：
A.假定双曲线的一般方程为Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F＝0，记Fo(x,y)＝Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F。双曲线可以被表示为：
Figure GDA0002911179440000146
其焦点在y轴。化成一般式：
(-b2)x2+a2y2+2b2x0x+(-2a2y0)y+(a2y0 2-b2x0 2-a2b2)＝0；
对比两式，可以得到B＝0。为了限制Fo(x,y)为双曲线，则有4AC-B2＝1。双曲线开口向下，所以对于y轴有y0＞max(yi)。根据椭圆的一般式，则有：
Figure GDA0002911179440000151
同理，对于x轴有Xl≤x≤Xr，其中Xl＝min(xi)，Xr＝max(xi)。根据椭圆的一般式则有：
Figure GDA0002911179440000152
B.根据步骤A中所给的限制条件，非线性最优化得到未知参数的最优解。使得其满足：
Figure GDA0002911179440000153
st.B＝0
4AC＝-1
Figure GDA0002911179440000154
Figure GDA0002911179440000155
C.根据步骤B中所得到的双曲线系数，在原始B-scan中画出拟合后的双曲线位置。根据拟合后的双曲线位置，从而得到相关的目标位置信息。
根据步骤201至步骤214，本发明提供了一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法的第一个应用例，具体为：
利用GprMax仿真软件，模拟表层穿透雷达成像B-scan。五个目标分别埋藏在地下不同的区域，各目标之间的成像结果互有交叉。
图17示出了原始的B-scan成像图。对其按照步骤202中给出的方法灰度化，图18示出了处理后的灰度图。为了突显目标信息，采用步骤203中的二维最大熵阈值分割方法将其转化为二值图像，所有的目标信息存在于‘1’像素中，如图19所示。进一步地，根据步骤204给出的膨胀算子和腐蚀算子，对二值图像做开闭运算，图20示出了预处理后的二值图像，细小的不规则的区域将在此步骤中被去掉。随后，采用步骤206中给出的方法寻找上下开口区域，并去掉不规则的一端，图21示出了处理后的二值图像。进一步地，采用207至步骤210中所给出方法，对各个下开口目标进行聚类，从而分离出各个目标区域。如图22所示，五个目标区域已经全被完整地分离。对于上一步所提取出来的各个目标，采用步骤211中所给出的方法提取样本点。对于各目标的样本点，采用步骤212和步骤213中所述的方法，做抛物线拟合，进一步去掉不规则的开口，如图23所示。最后，采用步骤214中的双曲线算法，做双曲线拟合，并在原始B-scan中显示出双曲线拟合结果，如图24所示。
除此之外，本发明提供了一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法的第二个应用例，对加了噪声后的B-scan图像采用与第一个应用例相同的步骤进行双曲线目标检测，如图25至32所示，成功检测出五个地下埋藏的目标。
以上是对本发明提供的一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法的两个应用例进行的说明，以下将对本发明提供的一种表层穿透雷达双曲线目标检测装置的一个实施例进行说明。
请参阅图3，本发明提供了一种表层穿透雷达双曲线目标检测装置的一个实施例，包括：
获取单元301，用于获取去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像；
预处理单元302，用于对B-scan图像进行预处理，将B-scan图像转换为二值图像；
第一处理单元303，用于根据预置点分割阈值，将二值图像中非点分割的像素点去除，得到初次处理后的二值图像；
第二处理单元304，用于逐行遍历二值图像，当二值图像中上开口或下开口的一条边所占列数小于预设阈值时，将所述边包含的像素点去除，得到二次处理后的二值图像；
第三处理单元305，用于再次逐行遍历二值图像，将二值图像中非聚类的像素点去除，并将二值图像中两个双曲线之间的交叉区域的像素点去除，得到三次处理后的二值图像；
目标确定单元306，应用于逐列遍历二值图像，确定二值图像中像素点的中位数，并根据像素点的中位数进行双曲线的拟合，根据拟合后的双曲线在B-scan图像中确定目标的位置。
以上是对本发明提供的一种表层穿透雷达双曲线目标检测装置的一个实施例进行的说明，以下将对本发明提供的一种表层穿透雷达双曲线目标检测装置的另一个实施例进行说明。
请参阅图4，本发明提供了一种表层穿透雷达双曲线目标检测装置的另一个实施例，包括：
获取单元401，用于获取去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像；
预处理单元402，用于对B-scan图像进行预处理，将B-scan图像转换为二值图像；
预处理单元402具体包括：
转换子单元4021，用于将B-scan图像转化为灰度图像；
分割子单元4022，用于通过二维最大熵阈值分割法将灰度图像分割为二值图像；
膨胀腐蚀子单元4023，用于通过膨胀算子和腐蚀算子对二值图像进行预处理，去除二值图像中的不规则区域；
第一处理单元403，用于根据预置点分割阈值，将二值图像中非点分割的像素点去除，得到初次处理后的二值图像；
第二处理单元404，用于逐行遍历二值图像，当二值图像中上开口或下开口的一条边所占列数小于预设阈值时，将所述边包含的像素点去除，得到二次处理后的二值图像；
第三处理单元405，用于再次逐行遍历二值图像，将二值图像中非聚类的像素点去除，并将二值图像中两个双曲线之间的交叉区域的像素点去除，得到三次处理后的二值图像；
第三处理单元405具体包括：
第一数组子单元4051，用于再次逐行遍历二值图像，将二值图像中上一行存在至少两个与下一行重叠的点分割，下一行存在一个点分割的上开口点分割的开口起始位置保存至第一数组中；
第二数组子单元4052，用于将二值图像中上一行存在一个重叠的点分割，下一行存在至少两个与上一行重叠的点分割的下开口点分割的开口起始位置保存至第二数组中；
第一遍历子单元4053，用于根据第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由下往上逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，若向上遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将第二数组中下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点去除；
第二遍历子单元4054，用于
返回至第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由上往下逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，其中，记最左侧所有第一点分割为下开口目标的左边长，最右侧所有第一点分割为下开口目标的右边长；
若向下遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将与上开口点分割的开口起始位置连续重叠的第二点分割去除，直到未搜索到第二点分割或搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置；
若搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置，判断第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长还是右边长，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长，则将非最左侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第三点分割去除，得到下开口目标的左边长包含的像素点，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的右边长，则将非最右侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第四点分割去除，得到下开口目标的右边长包含的像素点；
目标确定单元406，用于逐列遍历二值图像，确定二值图像中像素点的中位数，并根据像素点的中位数进行双曲线的拟合，根据拟合后的双曲线在B-scan图像中确定目标的位置；
目标确定单元406具体包括：
第三遍历子单元4061，用于逐列遍历二值图像中每一个下开口目标包含的像素点，根据最上端的像素点和最下端的像素点的位置，计算二值图像中像素点的中位数；
低通滤波子单元4062，用于通过低通滤波公式
Figure GDA0002911179440000181
对二值图像中每一个下开口目标包含的像素点的中位数进行处理，得到待拟合的像素点；
剔除子单元4063，用于通过抛物线拟合算法将待拟合的像素点中不符合双曲线特征的像素点去除；
目标确定子单元4064，用于通过双曲线算法将待拟合的像素点拟合为双曲线，并根据双曲线的系数在B-scan图像中确定目标的位置。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种表层穿透雷达双曲线目标检测方法，其特征在于，包括：
S1、获取去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像；
S2、对B-scan图像进行预处理，将B-scan图像转换为二值图像；
S3、根据预置点分割阈值，将二值图像中非点分割的像素点去除，得到初次处理后的二值图像；
S4、逐行遍历二值图像，当二值图像中上开口或下开口的一条边所占列数小于预设阈值时，将所述边包含的像素点去除，得到二次处理后的二值图像；
S5、再次逐行遍历二值图像，将二值图像中非聚类的像素点去除，并将二值图像中两个双曲线之间的交叉区域的像素点去除，得到三次处理后的二值图像；
S6、逐列遍历二值图像，确定二值图像中像素点的中位数，并根据像素点的中位数进行双曲线的拟合，根据拟合后的双曲线在B-scan图像中确定目标的位置。
2.根据权利要求1所述的表层穿透雷达双曲线目标检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21、将B-scan图像转化为灰度图像；
S22、通过二维最大熵阈值分割法将灰度图像分割为二值图像。
3.根据权利要求2所述的表层穿透雷达双曲线目标检测方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
S23、通过膨胀算子和腐蚀算子对二值图像进行预处理，去除二值图像中的不规则区域。
4.根据权利要求1所述的表层穿透雷达双曲线目标检测方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
S51、再次逐行遍历二值图像，将二值图像中上一行存在至少两个与下一行重叠的点分割，下一行存在一个点分割的上开口点分割的开口起始位置保存至第一数组中；
S52、将二值图像中上一行存在一个重叠的点分割，下一行存在至少两个与上一行重叠的点分割的下开口点分割的开口起始位置保存至第二数组中；
S53、根据第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由下往上逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，若向上遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将第二数组中下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点去除；
S54、返回至第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由上往下逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，其中，记最左侧所有第一点分割为下开口目标的左边长，最右侧所有第一点分割为下开口目标的右边长；
若向下遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将与上开口点分割的开口起始位置连续重叠的第二点分割去除，直到未搜索到第二点分割或搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置；
若搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置，判断第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长还是右边长，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长，则将非最左侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第三点分割去除，得到下开口目标的左边长包含的像素点，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的右边长，则将非最右侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第四点分割去除，得到下开口目标的右边长包含的像素点。
5.根据权利要求1所述的表层穿透雷达双曲线目标检测方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：
S61、逐列遍历二值图像中每一个下开口目标包含的像素点，根据最上端的像素点和最下端的像素点的位置，计算二值图像中像素点的中位数；
S62、通过低通滤波公式
Figure FDA0002801392080000021
对二值图像中每一个下开口目标包含的像素点的中位数进行处理，得到待拟合的像素点，其中，Ps(x，y)为待拟合的像素点，Pm(x，y+i)为像素点的中位数；
S63、通过抛物线拟合算法将待拟合的像素点中不符合双曲线特征的像素点去除；
S64、通过双曲线算法将待拟合的像素点拟合为双曲线，并根据双曲线的系数在B-scan图像中确定目标的位置。
6.一种表层穿透雷达双曲线目标检测装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取去除直达波后的表层穿透雷达接收信号的B-scan图像；
预处理单元，用于对B-scan图像进行预处理，将B-scan图像转换为二值图像；
第一处理单元，用于根据预置点分割阈值，将二值图像中非点分割的像素点去除，得到初次处理后的二值图像；
第二处理单元，用于逐行遍历二值图像，当二值图像中上开口或下开口的一条边所占列数小于预设阈值时，将所述边包含的像素点去除，得到二次处理后的二值图像；
第三处理单元，用于再次逐行遍历二值图像，将二值图像中非聚类的像素点去除，并将二值图像中两个双曲线之间的交叉区域的像素点去除，得到三次处理后的二值图像；
目标确定单元，应用于逐列遍历二值图像，确定二值图像中像素点的中位数，并根据像素点的中位数进行双曲线的拟合，根据拟合后的双曲线在B-scan图像中确定目标的位置。
7.根据权利要求6所述的表层穿透雷达双曲线目标检测装置，其特征在于，所述预处理单元具体包括：
转换子单元，用于将B-scan图像转化为灰度图像；
分割子单元，用于通过二维最大熵阈值分割法将灰度图像分割为二值图像。
8.根据权利要求7所述的表层穿透雷达双曲线目标检测装置，其特征在于，所述预处理单元还包括：
膨胀腐蚀子单元，用于通过膨胀算子和腐蚀算子对二值图像进行预处理，去除二值图像中的不规则区域。
9.根据权利要求6所述的表层穿透雷达双曲线目标检测装置，其特征在于，所述第三处理单元具体包括：
第一数组子单元，用于再次逐行遍历二值图像，将二值图像中上一行存在至少两个与下一行重叠的点分割，下一行存在一个点分割的上开口点分割的开口起始位置保存至第一数组中；
第二数组子单元，用于将二值图像中上一行存在一个重叠的点分割，下一行存在至少两个与上一行重叠的点分割的下开口点分割的开口起始位置保存至第二数组中；
第一遍历子单元，用于根据第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由下往上逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，若向上遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将第二数组中下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点去除；
第二遍历子单元，用于返回至第二数组中每一个下开口点分割的开口起始位置，由上往下逐行遍历二值图像，将所有与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第一点分割记为下开口点分割对应的下开口目标包含的像素点，其中，记最左侧所有第一点分割为下开口目标的左边长，最右侧所有第一点分割为下开口目标的右边长；
若向下遍历中搜索到第一数组中的上开口点分割的开口起始位置，则将与上开口点分割的开口起始位置连续重叠的第二点分割去除，直到未搜索到第二点分割或搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置；
若搜索到第二数组中的下开口点分割的开口起始位置，判断第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长还是右边长，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的左边长，则将非最左侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第三点分割去除，得到下开口目标的左边长包含的像素点，若第二数组中的下开口点分割的开口起始位置属于下开口目标的右边长，则将非最右侧的与下开口点分割的开口起始位置连续重叠的第四点分割去除，得到下开口目标的右边长包含的像素点。
10.根据权利要求6所述的表层穿透雷达双曲线目标检测装置，其特征在于，所述目标确定单元具体包括：
第三遍历子单元，用于逐列遍历二值图像中每一个下开口目标包含的像素点，根据最上端的像素点和最下端的像素点的位置，计算二值图像中像素点的中位数；
低通滤波子单元，用于通过低通滤波公式
Figure FDA0002801392080000051
对二值图像中每一个下开口目标包含的像素点的中位数进行处理，得到待拟合的像素点，其中，Ps(x，y)为待拟合的像素点，Pm(x，y+i)为像素点的中位数；
剔除子单元，用于通过抛物线拟合算法将待拟合的像素点中不符合双曲线特征的像素点去除；
目标确定子单元，用于通过双曲线算法将待拟合的像素点拟合为双曲线，并根据双曲线的系数在B-scan图像中确定目标的位置。
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Denomination of invention: A hyperbolic target detection method and device for surface penetrating radar

Effective date of registration: 20210908

Granted publication date: 20210326

Pledgee: China Everbright Bank Co.,Ltd. Xiangtan sub branch

Pledgor: TIME VARYING TRANSMISSION Co.,Ltd.

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