CN110109186A

CN110109186A - 一种探地雷达数据三维时频分析方法

Info

Publication number: CN110109186A
Application number: CN201910312340.0A
Authority: CN
Inventors: 许军才; 朱先祥; 任青文; 沈振中
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2019-08-09

Abstract

本发明提出一种探地雷达检测数据分析方法，该方法包括将变分模态分解引入探地雷达数据分析，将变分模态分解联合希尔伯特变换实现探地雷达检测数据时频分析，通过在探地雷达扫描线方向的延展构成了三维时频谱数据体，对三维时频谱数据体在位置，时间和频率三个不同方向进行切片，实现探地雷达数据三维时频谱分析，方法能显著增强分析效果。

Description

一种探地雷达数据三维时频分析方法

技术领域

本发明属于土木结构工程检测技术领域，尤其涉及一种探地雷达数据三维时频谱分析方法。

背景技术

探地雷达(GPR)信号处理的结果决定了其检测效果，而地下介质的空间分布是电磁波有效反射特征的表现结果。回波信号的提取是关键的技术之一，它与地下目标的准确检测和可靠性直接相关。作为非平稳特性的探地雷达信号，常规的频谱分析技术很难满足实际工程分析的需求。

基于上述原因，本发明将变分模态分解技术联合希尔伯特变换实现探地雷达数据时频谱，通过在探地雷达扫描线方向的延展构成了三维时频谱数据体，将数据体在位置、时间和频率三个不同方向进行切片，实现探地雷达数据三维时频谱分析，该方法具有广阔的应用前景。

发明内容

发明目的：针对以上问题，为了解决现有探地雷达检测信号分析方法的不足，本发明提出一种探地雷达数据三维时频谱分析方法，用于压制噪声干扰，提高雷达有效信号的分辨率，增强方法的适用性和可靠性。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明采用变分模态分解计算出探地雷达检测信号的本征模态函数，再由希尔伯特变换计算出本征模态函数的瞬时频率，基于变分模态分解技术建立出探地雷达数据的瞬时频率分析方法。

如图1，本发明提出的一种实现探地雷达数据三维时频谱分析方法，该方法的步骤如下：

(1)选定需要处理测线上的探地雷达回波信号，根据回波信号强度调整增益，以达到最佳显示效果；

(2)根据干扰来源判断干扰波形和其频率范围，采用滤波方法去除背景干扰，提高勘测剖面的信噪比；

(3)对勘测剖面上每道回波信号分别进行计算得到二维瞬时频率谱，方法如下：首先通过变分模态分解将待处理的探地雷达信号分解为若干特征模态函数，再将分离的特征模态函数经过希尔伯特变换得出各个特征模态函数的瞬时频率，最后根据特征模态函数的瞬时频率谱叠加得到测点处回波信号的二维瞬时频率谱；

(4)将剖面每道回波信号的二维瞬时频率谱进行合成，构建出该测线的三维时频谱数据体H(x,t,ω)；

(5)根据三维探地雷达时频谱数据体，在位置、时间和频率三个不同方向进行切片，得到分频剖面、时频剖面及层位剖面，从测线各频带能量变化特征、固定测点处频率随时间的变化特征及沿反射界面频率变化特征，可根据各剖面中频率能量谱极值区域范围及分布情况判断异常位置和大小。

技术效果：与现有技术方案相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明基于变分模态分解实现探地雷达信号的时频谱分析，通过探地雷达扫描线方向的延展构成了三维时频谱数据体，将三维时频谱数据体在位置、时间和频率三个不同方向进行切片，能从多个角度显示检测目标的信息，本发明可以凸显异常区域，并且在异常发现中表现出良好的适用性。

附图说明

图1是探地雷达三维时频谱分析结构图；

图2是瞬时频率频谱求解流程图；

图3中(a)混凝土结构模型几何模型图，(b)探地雷达仿真信号图；

图4是三维探地雷达时频谱数据体图；

图5是主频0.5GHz时探地雷达分频剖面图；

图6是测线中心处探地雷达时频剖面图；

图7是20ns处探地雷达层位剖面图。

具体实施方式

在探地雷达数据三维时频谱分析中，涉及了计算探地雷达信号的瞬时频率谱和分析三维探地雷达时频谱数据体。

计算探地雷达信号的瞬时频率谱详细方法如下：探地雷达时频分析的计算方法是对每一道电磁反射信号通过变分模态分解成若干本征模态函数，然后利用希尔波变换构造解析信号，得出各模态函数的瞬时频率和振幅，进而得到二维瞬时频率谱，求解过程如图2所示。具体方法如下：

沿着一条探地雷达测线x获得的记录可表示为f(x,t)，将f(x,t)通过变分模态分解为n阶本征模态函数c_k(x,t)：

将分解得到的每一阶本征模量进行希尔伯特变换：

式中，cpv代表柯西主值，于是得到振幅函数a_k(x,t)：

根据式(3)，得到相位函数θ_k(x,t)：

对θ_k(x,t)进行时间t求导得到瞬时频率ω_k(x,t)：

将信号f(x,t)幅度表示在时间和频率的平面上，得到三维时频谱数据体：

式中，x为测点位置，t为时间，ω为频率，a_k(x,t)为第k个本征模量振幅，ω_k(x,t)为测点第k个本征模量频率。

三维探地雷达时频谱数据体分析详细情况如下：

由式(6)可知探地雷达时频分析数据H(x,t,ω)为一个三维数据体，根据三维探地雷达时频谱数据体，在位置、时间和频率三个不同方向进行切片，可分为三种频率属性，详细情况如下：

三维数据体H(x,t,ω)固定频率ω，称为分频剖面H(x,t)：

H(x,t)＝H(x,t,ω)|ω＝const (1)

式中，const为常数，分频剖面是不同频率上的滤波剖面，可以考察反射信号在各频率上的变化，是探地雷达时频分析中最常见的一种方法。

三维数据体H(x,t,ω)固定测点x，称为时频剖面H(t,ω)：

H(t,ω)＝H(x,t,ω)|x＝const (2)

时频分析剖面中显示记录的频率特征，反射波能量按频率轴分布。

三维数据体H(x,t,ω)固定时间t，称为层位剖面H(x,ω)：

H(x,ω)＝H(x,t,ω)|t＝const (3)

层位剖面是时频分析数据在空间—频率域的显示，可以考察反射信号沿反射界面的频率成份的变化。

实施例

以一探地雷达检测混凝土结构内一圆形钢筋为例，假定混凝土结构模型大小见图3(a)，中心坐标(2.5，1.5)处有一圆形钢筋，钢筋半径0.2m。模拟过程中参数，混凝土介电常数为10，电导率为0.001S/m，钢筋介电常数为1，电导率为106S/m.设计的计算区域5.0m×3.0m，计算网格大小0.002m，时窗0～40ns，以Ricker波作为激励，主频0.5GHz，天线收发距为0.04m，模拟采样230道，通过时域有限差分法(FDTD,Finite-Difference Time-Domain)方法正演出所有道的探地雷达时间序列信号。以测线方向为横坐标，时间轴为纵坐标，将230道时间序列信号合成，并以图形方式显示如图3(b)所示。

图3(b)中探地雷达图像显示，出现明显的直达波反射信号，并有混凝土中心距离处钢筋反射形成的反射弧，但反射信号相对较弱，不能清晰分辨内部结构。将上述探地雷达模拟扫描数据经过时频分析后所获得的数据可构成一个三维数据体，见图4所示。

图4显示出探地雷达三维数据体H(x,t,ω)，数据结构体由两部分构成，根据其分布范围分别对应直达波和钢筋反射波信号，数据体能有效反映混凝土结构内部信息。由于三维数据体不能很好对结构的内部细节进行显示，需要对三维数据体进行切片分析。根据前面所述数据体横向剖面为分频剖面，纵向剖面为时频剖面，而水平剖面为层位剖面。为了研究探地雷达时频分析对内部结构检测效果，这里对三维数据体做切片处理。

首先，对数据体H(x,t,ω)进行横向切割，得到分频剖面H(x,t)，图5为主频0.5GHz时探地雷达分频剖面。从图5的分析结果来看，主频等值线图显示在直达波下方出现明显双曲线反射弧，相对图3(b)内部结构微弱反射信号得到明显增强，比原图对异常检测效果得到显著提高。

其次，对数据体H(x,t,ω)进行纵向切割，得到时频剖面H(t,ω)，图6为测线中心处探地雷达时频剖面。在图6时频等值线图中，极值点分别在4ns，20ns时间位置，其极值点分别对应直达波和钢筋反射回程时间，而该处的频率都为0.5GHz，正是探地雷达发射的主频。

最后，对数据体H(x,t,ω)进行水平向切割，得到水平切片剖面H(x,ω)，图7为20ns处探地雷达层位剖面。在图7时频等值线图中，极值点对应水平范围为2.1m～2.5m，与钢筋直径相关，而其时频率为0.5GHz，也是探地雷达发射的主频。

根据上述分析结果不难发现，探地雷达时频三维数据体切片分析方法，不仅能从多个角度查看检测目标的信息，而且能对检测目标内部信息进行细致分析。三种切片中，分频剖面与原图进行对照分析，而其他两种切片分析可以起验证和辅助分析。

Claims

1.一种实现探地雷达数据三维时频谱分析方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

(1)选定需要处理测线上的探地雷达回波信号，根据回波信号强度调整增益；

(2)根据干扰来源判断干扰波形和其频率范围，采用滤波方法去除背景干扰；

(3)对勘测剖面上每道回波信号分别进行计算得到二维瞬时频率谱；

(5)根据三维探地雷达时频谱数据体，在位置、时间和频率三个不同方向进行切片，得到分频剖面、时频剖面及层位剖面以此分析判断变化特征异常位置和大小。

2.根据权利要求1所述的一种实现探地雷达数据三维时频谱分析方法，其特征在于，步骤(3)中，对勘测剖面上每道回波信号分别进行计算得到二维瞬时频率谱，方法如下：首先通过变分模态分解将待处理的探地雷达信号分解为若干特征模态函数，再将分离的特征模态函数经过希尔伯特变换得出各个特征模态函数的瞬时频率，最后根据特征模态函数的瞬时频率谱叠加得到测点处回波信号的二维瞬时频率谱。

3.根据权利要求1或2所述的一种实现探地雷达数据三维时频谱分析方法，其特征在于，步骤(5)中，分析判断变化特征异常位置和大小方法如下：从测线各频带能量变化特征、固定测点处频率随时间的变化特征及沿反射界面频率变化特征，根据各剖面中频率能量谱极值区域范围及分布判断异常位置和大小。