CN113687427A - 基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法 - Google Patents

基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法，包括：采用两种不同频率、且具有定位信息的探地雷达对目标区域同时进行检测，并分别采集获得探地雷达数据；对探地雷达数据进行预处理；根据探地雷达数据的主瓣信息，求取响应幅度，并得到还原位置信息后的雷达图像；根据探地雷达的定位信息和雷达图像位置，还原目标区域内的目标物体位置信息；叠加两种不同频率的探地雷达的雷达图像，并得到目标物体真实的位置。通过上述方案，本发明具有逻辑简单、准确可靠等优点，在探地雷达处理技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

Description

基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法
技术领域
本发明涉及探地雷达处理技术领域，尤其是基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法。
背景技术
探地雷达(Ground Penetrating Radar)是利用电磁波探测地下目标，通过分析目标信号的特征来提取目标的性质、形状等信息。在现有的技术中，可以实现地下目标探测的技术有很多，例如核、重力场、电磁感应和超声波等。但探地雷达(GPR)在应用时有明显的优越性，相比于其他技术，它的优越性具体表现在探测费用低、探测速度快、探测过程连续、探测目标范围广(可以探测非金属和金属)、分辨率高、操作方便灵活等。近年来，探地雷达一直是国际学术讨论的热点之一。它在国防、公路、城市建设、公安、铁路、运输、矿山、机场、考古、隧道、水利等诸多领域得到了很大的关注，在各个领域，探地雷达都表现出了十分广阔的应用前景。
探地雷达的探测深度及探测分辨率与雷达天线的发射频率有关。一般来说，雷达天线的发射频率越高，则探地深度越浅，探测分辨率越高，而实际需要的是探测深度足够的情况下，探测分辨率高。因此，在部分场景中，会考虑使用多种频率的探地雷达进行探测，在深度和探测分辨率上进行综合考虑，从而对目标位置进行预测。
然而，探地雷达在工作时，其工作环境复杂多变，导致接收机接收到的回波信号包含各种各样的背景杂波以及包含目标信息的衍射和多次反射，使得辨认目标正确位置的回波十分困难，这就需要抑制非目标波束，以提取所需的目标回波信号。因此，还原目标原始波形，从而预测目标位置是探地雷达图形解译分析的重要工作。
因此，急需要提出一种逻辑简单、准确可靠的基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法，以利用同一个区域不同频率探地雷达的信息来进行目标位置预测，保证最终预测效果的精确性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法，本发明采用的技术方案如下：
基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法，其包括以下步骤：
采用两种不同频率、且具有定位信息的探地雷达对目标区域同时进行检测，并分别采集获得探地雷达数据；
对探地雷达数据进行预处理；
根据探地雷达数据的主瓣信息，求取响应幅度，并得到还原位置信息后的雷达图像；
根据探地雷达的定位信息和雷达图像位置，还原目标区域内的目标物体位置信息；
叠加两种不同频率的探地雷达的雷达图像，并得到目标物体真实的位置。
优选地，对探地雷达数据进行预处理，包括零点调节、零偏去除、背景消除、数据滤波和图像增强。
进一步地，根据探地雷达数据的主瓣信息，求取响应幅度，并得到还原位置信息后的雷达图像，包括以下步骤：
所述响应幅度为任一探地雷达数据的采样点实际上的幅度值，其表达式为：
RAA,k＝Ascank(t＝tA,k)
其中，RAA,k表示第k个探地雷达数据上第A个采样点的响应幅度；
Ascank(t＝tA,k)表示第k个探地雷达数据的采样时间为tA,k时的电磁波采样值；
Figure BDA0003216024650000031
Figure BDA0003216024650000032
Figure BDA0003216024650000033
其中，X表示目标区域实际采集长度，n表示探地雷达数据总数量，Z表示雷达实际采集深度，m表示探地雷达数据采样点总个数，xk表示第k个探地雷达数据的定位位置坐标，iA和jA分别为雷达成像图像中第k个探地雷达数据上第A个采样点的x轴和y轴的像素坐标，c为光速，ε为目标区域的介电常数；dx为目标实际位置的雷达行进方向的像素分辨率，dz为目标实际位置的雷达深度方向的像素分辨率，单位为m/pixel。
进一步地，根据探地雷达的定位信息和雷达图像位置，还原目标区域内的目标物体位置信息，包括以下步骤：
初始化探地雷达数据的点的定位位置x1、图像分辨率获得的图像位置x2和预测的真实位置x0，其表达式为：
Figure BDA0003216024650000034
x2＝ic*dx
x1＝xk
其中，i表示目标的雷达图像的横坐标，j表示目标的雷达图像的纵坐标；
若：
Figure BDA0003216024650000041
则：
Figure BDA0003216024650000042
若：
Figure BDA0003216024650000043
则：
Figure BDA0003216024650000044
若：
Figure BDA0003216024650000045
则：x0为最终预测的真实位置。
优选地，采用频率为400M和800M的探地雷达对目标区域同时进行检测。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明巧妙地采用两种不同频率、且具有定位信息的探地雷达对目标区域同时进行检测，并且叠加两种不同频率的探地雷达的雷达图像，并得到目标物体真实的位置，其好处在于：结合不同频率位置，提高准确性和精度。
(2)本发明根据探地雷达数据的主瓣信息，求取响应幅度，并得到还原位置信息后的雷达图像，其好处在于：根据电磁波特性，分析目标位置的图像位置，得到利于分析人员肉眼观察的雷达图像。
(3)本发明根据探地雷达的定位信息和雷达图像位置，还原目标区域内的目标物体位置信息，其好处在于：集合了理论位置和定位位置，提高准确性和精度。
综上所述，本发明具有逻辑简单、准确可靠等优点，在探地雷达处理技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的逻辑流程图。
图2为本发明中400M雷达原始图像。
图3为本发明中800M雷达原始图像
图4为本发明中400M雷达预测位置图像
图5为本发明中800M雷达预测位置图像
图6为本发明中融合后雷达预测位置图像。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1至图6所示，本实施例提供了一种基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法，其包括以下步骤：
第一步，采用采用频率为400M和800M、且具有定位信息的探地雷达对目标区域同时进行检测，并分别采集获得探地雷达数据；本实施例的区域A表示包含浅层钢筋区域，B表示包含了浅层钢筋A区域多次反射的管道区域，C表示不存在目标，但由于多次反射和衍射生成的伪目标区域。
第二步，对探地雷达数据进行预处理，其中，包括：零点调节、零偏去除、背景消除、数据滤波和图像增强，上述处理方式属于常规技术，本实施例不再赘述其具体内容。
第三步，根据探地雷达数据的主瓣信息，求取响应幅度，并得到还原位置信息后的雷达图像。
响应幅度为任一探地雷达数据的采样点实际上的幅度值，其表达式为：
RAA,k＝Ascank(t＝tA,k)
其中，RAA,k表示第k个探地雷达数据上第A个采样点的响应幅度；
Ascank(t＝tA,k)表示第k个探地雷达数据的采样时间为tA,k时的电磁波采样值；
Figure BDA0003216024650000061
Figure BDA0003216024650000062
Figure BDA0003216024650000063
其中，X表示目标区域实际采集长度，n表示探地雷达数据总数量，Z表示雷达实际采集深度，m表示探地雷达数据采样点总个数，xk表示第k个探地雷达数据的定位位置坐标，iA和jA分别为雷达成像图像中第k个探地雷达数据上第A个采样点的x轴和y轴的像素坐标，c为光速，ε为目标区域的介电常数；dx为目标实际位置的雷达行进方向的像素分辨率，dz为目标实际位置的雷达深度方向的像素分辨率。
第四步，根据探地雷达的定位信息和雷达图像位置，还原目标区域内的目标物体位置信息，深度可以由步骤三中的时间与电磁波速度求得，且在实际工程中，深度并不是寻找物体的最关键因素，因此，一个Bscan界面雷达定位信息中的行进方向位置需要更为精确。
初始化探地雷达数据的点的定位位置x1、图像分辨率获得的图像位置x2和预测的真实位置x0，其表达式为：
Figure BDA0003216024650000071
x2＝ic*dx
x1＝xk
其中，i表示目标的雷达图像的横坐标，j表示目标的雷达图像的纵坐标；
若：
Figure BDA0003216024650000072
则：
Figure BDA0003216024650000073
若：
Figure BDA0003216024650000074
则：
Figure BDA0003216024650000075
若：
Figure BDA0003216024650000081
则：x0为最终预测的真实位置。
第五步，叠加两种不同频率的探地雷达的雷达图像，并得到目标物体真实的位置。即将两种频率的不同雷达位置求取平均，并根据第三步中的dx和dz重新绘制雷达图像，并得到物体的真实位置。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用两种不同频率、且具有定位信息的探地雷达对目标区域同时进行检测，并分别采集获得探地雷达数据；
对探地雷达数据进行预处理；
根据探地雷达数据的主瓣信息，求取响应幅度，并得到还原位置信息后的雷达图像；
根据探地雷达的定位信息和雷达图像位置，还原目标区域内的目标物体位置信息；
叠加两种不同频率的探地雷达的雷达图像，并得到目标物体真实的位置。
2.根据权利要求1所述的基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法，其特征在于，对探地雷达数据进行预处理，包括零点调节、零偏去除、背景消除、数据滤波和图像增强。
3.根据权利要求1所述的基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法，其特征在于，根据探地雷达数据的主瓣信息，求取响应幅度，并得到还原位置信息后的雷达图像，包括以下步骤：
所述响应幅度为任一探地雷达数据的采样点实际上的幅度值，其表达式为：
RAA,k＝Ascank(t＝tA,k)
其中，RAA,k表示第k个探地雷达数据上第A个采样点的响应幅度；Ascank(t＝tA,k)表示第k个探地雷达数据的采样时间为tA,k时的电磁波采样值；
Figure FDA0003216024640000021
Figure FDA0003216024640000022
Figure FDA0003216024640000023
其中，X表示目标区域实际采集长度，n表示探地雷达数据总数量，Z表示雷达实际采集深度，m表示探地雷达数据采样点总个数，xk表示第k个探地雷达数据的定位位置坐标，iA和jA分别为雷达成像图像中第k个探地雷达数据上第A个采样点的x轴和y轴的像素坐标，c为光速，ε为目标区域的介电常数；dx为目标实际位置的雷达行进方向的像素分辨率，dz为目标实际位置的雷达深度方向的像素分辨率。
4.根据权利要求3所述的基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法，其特征在于，根据探地雷达的定位信息和雷达图像位置，还原目标区域内的目标物体位置信息，包括以下步骤：
初始化探地雷达数据的点的定位位置x1、图像分辨率获得的图像位置x2和预测的真实位置x0，其表达式为：
Figure FDA0003216024640000024
x2＝ic*dx
x1＝xk
其中，i表示目标的雷达图像的横坐标，j表示目标的雷达图像的纵坐标；
若：
Figure FDA0003216024640000025
则：
Figure FDA0003216024640000031
若：
Figure FDA0003216024640000032
则：
Figure FDA0003216024640000033
若：
Figure FDA0003216024640000034
则：x0为最终预测的真实位置。
5.根据权利要求1～4任一项所述的基于双频反投影法的探地雷达目标位置预测方法，其特征在于，采用频率为400M和800M的探地雷达对目标区域同时进行检测。
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