CN1259629C - 基于时频分析的超宽带探地雷达宽相关处理方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时频分析的超宽带探地雷达宽相关处理方法，首先对回波信号进行时频分析，进而获得代表非平稳信号特性的瞬时参数：瞬时中心频率、瞬时带宽和瞬时主频。利用瞬时中心频率和瞬时带宽完成频率滤波，降低多次反射波对目标信号的干扰，使得回波信号与雷达发射母波之间形成宽匹配关系。同时利用瞬时中心频率和母波估计伸缩因子并建立匹配母波，从而将双参数的优化问题转为单参数的匹配滤波时延估计问题，得到目标信号的最优时延估计以及增强的回波信号。本发明实现了超宽带探地雷达信号处理的工程化，对于实际的应用系统，特别是手持机具有重要意义和实用价值。

Description

基于时频分析的超宽带探地雷达宽相关处理方法

技术领域

本发明涉及一种基于时频分析的超宽带探地雷达宽相关处理方法，是探地雷达信号处理领域中的一项工程化的实现方法，在地下金属非金属管道探测、考古遗址定位、地质剖面勘探、高速公路质量检查以及安全检查等国家安全和经济领域中均有广泛应用。

背景技术

探地雷达是利用电磁波探测地下目标(如空洞、管道、地雷等)的，通过分析电磁信号与地下目标的相互作用，提取目标的性质、形状等信息。目前实际的探地雷达系统发射信号均采用脉宽几个纳秒的无载频基带脉冲，其有效频谱范围约从几十MHz达几GHz，属超宽带雷达系统。超宽带探地雷达由于频谱中高频含量丰富，可获得较高的时空分辨率，对地下媒质构造、地下目标进行探测、定位和识别，以及对地下目标和介质结构进行成像。

鉴于超宽带回波信号的特点，经典的信号处理方法不能有效地解决超宽带探地雷达的目标检测和识别等问题。目前的超宽带探地雷达信号处理方法主要是建立在宽相关处理基础上，实现的方法包括：连续子波变换(T.Le-Tien，H.Talhami and D.T.Nguyen，“Target Signature Extraction Based on the ContinuousWavelet Transform in Ultra-Wideband Radar”IEE Electronics Letters，Vol.33，Issue1，January 1997)和多参数直接估计(詹毅、马长征、梁昌洪、方广有，宽带相关信号的参数估计问题，西安电子科技大学学报，26(4)，pp467-470，1999)。然而对于连续子波变化，正如该代表文章所言可以一定程度的提高信号处理的性能，但是存在的问题是缺乏快速的算法，不能应用于工程系统中。而多参数估计作为一种直接宽相关处理方法，虽然可以快速的处理回波数据，然而模型的不匹配则会带来大的估计误差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种基于时频分析的超宽带探地雷达宽相关处理方法，能够快速准确的估计信号参数，并提高成像的质量，达到工程化的实用效果。

为实现这样的目的，本发明首先对回波信号进行时频分析，进而获得代表非平稳信号特性的瞬时参数：瞬时中心频率、瞬时带宽和瞬时主频。利用瞬时中心频率和瞬时带宽完成频率滤波，降低多次反射波对目标信号的干扰，使得回波信号与雷达发射母波之间形成宽匹配关系。同时利用瞬时中心频率和母波估计伸缩因子并建立匹配母波，从而将双参数的优化问题转为单参数的匹配滤波时延估计问题，得到目标信号的最优时延估计以及增强的回波信号。

本发明的基于时频分析的超宽带探地雷达宽相关处理方法包括如下具体步骤：

1.预处理

将探地雷达的三维回波数据进行横向和纵向方向的平均，获取垂直方向的平均回波数据。从中选择第二和第三个回波的连接点作为截断点进行数据截断，抑制直达波。剔除前面的回波数据部分，将余下的回波数据作为含信号的数据进行后续处理。

由于探地雷达回波信号由收发天线间直接耦合波、地面反射波、地下介质不连续产生的后向散射波、随机干扰等构成。由直接耦合波和地面反射波组成的直达波直接影响回波目标信号。由于直达波相对目标信号有一个较大的时间差，因此本发明通过数据时间轴截断抑制直达波。

2.回波信号时频分析获得瞬时参数

对截断后的探地雷达回波数据进行时频分析，计算伪Wingner(维格纳)分布，进而获得包括瞬时中心频率、瞬时带宽和瞬时主频在内的瞬时参数，对应瞬时能量最大的瞬时中心频率代表目标一次反射波的频率，对应的瞬时带宽代表目标一次反射波的带宽。

由于探地雷达回波信号的非平稳性，通过时频分析可以获得瞬态功率谱。由于瞬态功率谱为两维变量，其信息量较经典功率谱大的多，不宜后续处理。因此可以采用几个瞬时参数对整个信号频谱进行表征，如中心频率、频谱宽度和主频，对应于瞬时中心频率、瞬时带宽和瞬时主频。

3.频域滤波提取中心频率回波信号

令频域滤波器的中心频率和带宽分别等于最大能量的瞬时中心频率和瞬时带宽，进行频域滤波器设计。将直达波剔除的回波数据通过频域滤波器进行滤波，抑制干扰信号，提取中心频率回波信号。

由于回波信号由一系列不同到达时刻、不同幅度的波形的叠加，从而模糊了各反射层面的波达时间和反射系数的大小。从频域上看就是目标回波信号被一系列的不同频率的反射波(包括多次反射波)所干扰。因此利用估计的瞬时中心频率和瞬时带宽进行带通滤波，滤除干扰回波，消除回波畸变，使得滤除后的目标回波近似于雷达天线发射的子波，符合宽相关处理的条件。

4.基于瞬时中心频率和母波构造匹配母波

根据估计的瞬时中心频率以及探地雷达发射的母波频率相除得到回波信号的伸缩因子。对雷达发射母波进行拟合，进而基于压缩因子的倒数进行数据压缩获得匹配母波。

宽相关处理的主要思想就是通过引入伸缩因子，所得的回波信号与伸缩的母波具有匹配关系。根据前面的瞬时中心频率估计以及发射的母波的频率可以得到回波信号伸缩的因子，进而按照伸缩因子对母波进行数据压缩处理，构建匹配母波。

5.匹配滤波进行时延估计和信号增强

针对已经获得的滤波数据和匹配母波，使得宽相关处理的双参数估计问题转化为单参数---时延的估计问题。采用匹配滤波的时延估计方法可以得到目标信号的最优时延估计，以及增强的回波信号。

本发明技术方案的创新点在于利用时频分析提取回波信号的瞬时中心频率及带宽，进行频域滤波以满足宽相关处理的前提条件，通过构造匹配母波和匹配滤波进行精确信号滤波和参数估计。本发明大大降低算法的复杂度，对于实际的应用系统，特别是手持机具有重要意义和实用价值。

附图说明

图1为本发明超宽带探地雷达宽相关处理方法流程示意图。

如图所示，探地雷达回波的每道数据经过预处理剔除直达波的影响，经过时频分析获取瞬时中心频率和瞬时带宽。瞬时中心频率和雷达发射母波推出伸缩因子，进而通过对发射母波的伸缩获得匹配母波。同时采用瞬时中心频率和瞬时带宽进行频域滤波，滤波后的信号与匹配母波之间存在相关关系，进行匹配滤波估计时延参数和信号增强。

图2为宽相关处理效果对照图。

图2中，(a)为回波平均数据显示，(b)为原始数据三个典型切面的显示，(c)是直接宽相关处理的结果，(d)为基于时频分析的宽相关处理结果，(e)是基于时频分析的宽相关处理结果的三维显示.

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

图1为本发明提出的超宽带探地雷达实用宽相关处理方法流程示意图。各部分具体实施细节如下：

1.预处理

将探地雷达的三维回波数据进行横向和纵向方向的平均，获取垂直方向的平均回波数据，如图2(a)所示。从中选择第二和第三个回波的连接点作为截断点进行数据截断，抑制直达波。可以看到第二和第三回波的交接点为65，因此选取65作为回波信号的截断点。剔除前65个点，将余下的回波数据进行信号处理。

2.回波信号时频分析获得瞬时参数

对截断后的探地雷达回波数据，进行时频分析，计算伪Wingner分布，进而可以得到包括瞬时中心频率、瞬时带宽和瞬时主频在内的瞬时参数。

(1)针对每道预处理得到的回波数据，计算其伪维格纳分布，计算公式如下：

$W(l,m)=2\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(\mathrm{\τ}\right)s^{*}(l-n)s(l+n)e^{-j(4\mathrm{\π}/N)\mathrm{mn}}$

式中：s^*(t)是待分析的时域信号函数(解析形式)的共轭函数， $h\left(\mathrm{\τ}\right)=e^{-\mathrm{\α}{n}^2},$ 为高斯窗函数，窗口的宽度为100个取样时间间隔。l，m＝0，1，2，...，N-1分别表示时间和频率。

(2)瞬态参数计算

考虑整个信号频谱可由瞬时参数所表征，包括瞬时中心频率f_i(t)，瞬时频宽σ_f(t)，瞬时中心频率f_d(t)。相应的计算为：

$f_i\left(t\right)=\frac{{\∫}_0^{\∞}\mathrm{fW}(t,f)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}W(t,f)\mathrm{df}}$

${\mathrm{\σ}}_f^2\left(t\right)=\frac{{\∫}_0^{\∞}{[f-f_i\left(t\right)]}^{2}W(t,f)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}W(t,f)\mathrm{df}}$

$f_d^2\left(t\right)=\frac{{\∫}_0^{\∞}{f}^{2}W(t,f)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}W(t,f)\mathrm{df}}$

且 $f_d^2\left(t\right)=f_i^2\left(t\right)+{\mathrm{\σ}}_f^2\left(t\right)\·$ 其中，W(t，f)为瞬时功率谱(伪维格纳分布)。对应瞬时能量最大的瞬时中心频率代表目标一次反射波的频率，对应的瞬时带宽代表目标一次反射波的带宽。

3.频域滤波提取中心频率回波信号；

利用估计的瞬时中心频率和瞬时带宽进行带通滤波器设计。通过设定截止频率，对雷达信号在频域进行滤波。去除了信号的高频噪声，保留了中、低频有用信号。使得滤除后的目标回波近似于雷达天线发射的子波，符合匹配滤波的条件。

4.基于瞬时中心频率和母波构造匹配母波；

根据前面的瞬时中心频率估计以及发射的母波频率可以得到回波信号伸缩的因子，对于大地而言一般伸缩因子s∈(0，1)。通过对雷达发射母波的拟合，进而进行数据压缩，压缩比为typ(1/S)，typ()表示对压缩比的典型化，即取与它最近的等比例子波，典型压缩比分别为1，1.5，2，2.5，3，3.5，4。

5.匹配滤波进行时延估计和信号增强。

通过构造匹配母波将宽相关处理的双参数估计问题转化为单参数---时延的估计问题。采用匹配滤波的时延估计方法得到目标信号的最优时延估计，以及增强的回波信号。

针对超宽带探地雷达的实际探测数据，采用基于时频分析的宽相关处理方法进行处理得到图2显示的相关结果。其中图2(b)为原始数据三个典型切面的显示；图2(c)是直接宽相关处理的结果；图2(d)为本发明基于时频分析的宽相关处理结果；图2(e)是基于时频分析的宽相关处理结果的三维显示。对比图2(b)，(c)，(d)和(e)，可以看到本发明基于时频分析的宽相关处理方法可以有效的处理回波信号，从最后的处理结果中可以看到埋地的两根管状物体。对比直接宽相关处理，信号的增强有了更进一步的提高。同时从整个实现步骤可知，本发明的方法易于实现，从而为探地雷达的工程化提供了一个技术实现方法。

Claims (1)

1、一种基于时频分析的超宽带探地雷达宽相关处理方法，其特征在于包括如下具体步骤：

1)预处理：将探地雷达的三维回波数据进行横向和纵向方向的平均，获取垂直方向的平均回波数据，从中选择第二和第三个回波的连接点作为截断点进行数据截断，抑制直达波，剔除前面的回波数据部分，将余下的回波数据作为含信号的数据进行后续处理；

2)回波信号时频分析获得瞬时参数：对截断后的探地雷达回波数据进行时频分析，根据式：

$W(l,m)=2\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(\mathrm{\τ}\right)s^{*}(l-n)s(l+n)e^{-j(4\mathrm{\π}/N)\mathrm{mn}}$

计算伪维格纳分布，式中，s^*(t)是待分析的时域信号函数的共轭函数，h(τ)为高斯窗函数，窗口的宽度为100个取样时间间隔，l，m＝0，1，2，…，N-1，分别表示时间和频率；根据伪维格纳分布，进而获得包括瞬时中心频率、瞬时带宽和瞬时主频在内的瞬时参数，对应瞬时能量最大的瞬时中心频率代表目标一次反射波的频率，对应的瞬时带宽代表目标一次反射波的带宽；

3)频域滤波提取中心频率回波信号：令频域滤波器的中心频率和带宽分别等于最大能量的瞬时中心频率和瞬时带宽，进行频域滤波器设计，将直达波剔除的回波数据通过频域滤波器进行滤波，抑制干扰信号，提取中心频率回波信号；

4)基于瞬时中心频率和母波构造匹配母波：根据估计的瞬时中心频率以及探地雷达发射的母波频率相除得到回波信号的伸缩因子，对雷达发射母波进行拟合，进而进行数据压缩获得匹配母波，压缩比为typ(1/s)，其中s为伸缩因子，typ()表示对压缩比的典型化，即取与母波最近的等比例子波；

5)匹配滤波进行时延估计和信号增强：针对已经获得的滤波数据和匹配母波，使得宽相关处理的双参数估计问题转化为单参数-时延的估计问题，采用匹配滤波的时延估计方法得到目标信号的最优时延估计，以及增强的回波信号。

Images