一种基于二维经验模态分解的探地雷达地下目标检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于二维经验模态分解的探地雷达地下目标检测方法，具体包括：1)对探地雷达的探测回波数据进行二维经验模态分解，得到K个频率依次递减的二维经验模态函数分量IMF和1个残差；2)将前M个(M≤K)二维经验模态函数分量的均值作为探测回波数据的特征值；3)获取所述探测回波数据特征值的极值点，作为地下目标顶点位置的估计值；4)估算电磁波在地下的传播速度；5)根据所述地下目标顶点位置的估计值和电磁波在地下的传播速度，利用探地雷达双曲线数学模型，进行双曲线拟合，完成地下目标位置的定位。本发明专利技术的方法在较完整保留目标信息的同时提升杂波抑制效果，提高了目标定位的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维经验模态分解的探地雷达地下目标检测方法
本专利技术涉及探地雷达探测领域，具体涉及一种基于二维经验模态分解的探地雷达地下目标检测方法。
技术介绍
探地雷达是近几十年迅速发展起来的一种有效的浅层地下目标探测技术，它是一种非破坏性探测手段，具有探测速度快、分辨率高、操作方便灵活、探测成本低等诸多优点，已被广泛应用于地下目标，如空洞、管道、地雷等的探测及定位。探地雷达探测的二维回波数据称为B-Scan数据，它是后续雷达信号处理、目标识别及解译的数据基础，探地雷达目标定位技术也要基于B-Scan数据。对实现目标准确定位影响最大的是探地雷达B-Scan数据中的“杂波”。探地雷达杂波可看作是除了目标回波以外的各种回波，通常包括天线直达波、地表回波、地下非均匀介质产生的回波、以及伪目标所产生的回波等等。探地雷达杂波使得对地下目标的准确探测变得困难，尤其对于浅层埋地目标，目标回波与地表回波相比是较弱的成分，并且目标回波与地表回波间的时延很小，目标回波易被地表强回波这类杂波所淹没。因此探地雷达抑制杂波是实现探地雷达目标准确定位的首要任务。常见的定位方法主要是基于B扫描图像的双曲线提取，根据提取到的双曲线进行速度计算目标深度。主要有：基于神经网络对双曲线的提取，需要较多的数据进行训练，不易实现在线检测；釆用模糊聚类的模式识别方法，对于金属管线和非金属管线都可能存在的浅层探测而言，容易产生虚警，并且容易漏掉非金属管线目标。基于图像分割和霍夫变换的方法，应用在浅层探测管线的时候，不能有效区分较强的杂波和目标回波；基于图像分割和模板匹配的方法应用在浅层探测管线时候，由于管径的大小可能多变，从而对应的模版也较多，导致算法运算时间较长；基于形态学的曲线检测，是根据图像的灰度值进行检测判断，能够判断目标的区域但是得到是多根曲线，进行下一步计算还需对曲线进行处理。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于二维经验模态分解的探地雷达地下目标检测方法，旨在解决现有技术中的目标定位方法复杂且定位精度不高的问题。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：1)对探地雷达的B-Scan探测回波数据进行二维经验模态分解，得到K个频率依次递减的二维经验模态函数分量IMF和1个残差；2)将前M个(M≤K)二维经验模态函数分量的均值作为探测回波数据的特征值；3)获取所述探测回波数据的特征值的极值点，作为地下目标顶点位置的估计值；4)估算电磁波在地下的传播速度；5)根据所述地下目标顶点位置的估计值和电磁波在地下的传播速度，利用探地雷达双曲线数学模型，进行双曲线拟合，完成地下目标位置的定位。所述步骤1)中对探地雷达的探测回波数据进行二维经验模态分解的具体过程为：a)首先确定探地雷达的探测回波数据Ires的所有极值点，具体的采用八邻域方法确定Ires图像所有的极大值和极小值；b)对探地雷达的探测回波数据Ires的所有极值点利用径向基函数进行插值，插值后的极大值点和极小值点分别用EI和ES表示，进行曲线拟合后得到探测回波数据Ires的上、下包络；径向基函数RBF的具体形式是：其中：s是径向基函数(RBF)，pm是低次多项式，如线性或二次或d个变量的mth多项式，||·||表示欧几里德范数。λi是RBF系数，Φ是实值函数，常被称为是径向基函数RBF的中心。c)求上、下包络的均值EM＝(EI+ES)/2；(2)d)从原始探测回波数据Ires中减去EM，得到新的探测回波数据e)根据IMF判定条件判定是否为一个IMF，若是一个IMF，令第一个二维经验模态函数分量(IMF)为残差否则，用代替Ires，重复步骤a)～d)直到判定为一个IMF，令第一个二维经验模态函数分量(IMF)为残差如此重复，直至得到K个频率依次递减的二维经验模态函数分量IMF和1个残差。所述IMF判定条件为设定SD阈值，其中，和为通过第ith个模式的连续两次衰减结果，表示第ith个模式分解的第j次衰减的第m行n列的数值，M、N表示二维探地雷达图像的行数和列数。实际中预设一个阈值T，当SD小于该阈值时停止迭代，即判定是一个IMF。所述步骤3)中根据探地雷达原理得知目标回波有双曲线特征，双曲线顶点的纵坐标表示最短的回波时延，即在这一测点探地雷达距离目标最近。因此，逐列扫描选取的探测回波数据的特征值，选取纵坐标的最小值，确定双曲线顶点的纵坐标。双曲线的横坐标就代表目标对应的水平位置。所述步骤4)中采用频率波束偏移法并结合最小熵技术估算电磁波在地下的传播速度。所述步骤5)中的探地雷达双曲线数学模型为：其中，x表示天线位置，x0表示目标顶点位置的水平坐标，v表示电磁波在地下的传播速度，t0表示天线位置为x0的目标反射回波时延，t表示天线位置为x的目标反射回波时延。本专利技术的基于二维经验模态分解的探地雷达地下目标检测方法首先对探地雷达的探测回波数据进行二维经验模态分解，得到若干个单成分信号，然后根据单成分信号提取探测回波数据特征值，估算目标顶点位置，然后结合估算出来的波速和探地雷达原理，进行双曲线拟合，完成目标定位。该方法在较完整保留目标信息的同时提升杂波抑制效果，提高了目标定位的精度。附图说明图1为本实施例中探地雷达地下目标定位方法流程图；图2为本实施例中二维经验模式分解算法流程图；图3为本实施例中探地雷达实测B-Scan回波图像；图4为本实施例中利用二维经验模式分解提取第一个IMF后的图像；图5为本实施例中雷达天线与目标B-Scan回波的几何位置关系图；图6为本实施例中拟合曲线绘制在原始B-Scan图像上的效果图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示，本实施例的基于二维经验模态分解的探地雷达地下目标检测方法包括如下步骤：1)对探地雷达的探测回波数据进行二维经验模态分解，得到K个频率依次递减的二维经验模态函数分量IMF和1个残差；2)将前M个(M≤K)二维经验模态函数分量的均值作为探测回波数据的特征值；3)获取所述探测回波数据的特征值的极值点，作为地下目标顶点位置的估计值；4)估算电磁波在地下的传播速度；5)根据所述地下目标顶点位置的估计值和电磁波在地下的传播速度，利用探地雷达双曲线数学模型，进行双曲线拟合，完成地下目标位置的定位。下面对上述步骤进行详细阐述：步骤1)中对探地雷达B-Scan探测回波数据进行二维经验模态分解，经验模态分解的过程可采用现有技术中的分解过程，如图2所示，本实施例优选如下的二维经验模态分解过程：Step1首先确定探地雷达的探测回波数据Ires的所有极值点，具体的采用八邻域方法确定Ires图像所有的极大值和极小值；Step2对探地雷达的探测回波数据Ires的所有极值点利用径向基函数进行插值，插值后的极大值点和极小值点分别用EI和ES表示，进行曲线拟合后得到探测回波数据Ires的上、下包络；径向基函数RBF的具体形式是：其中：s是径向基函数(RBF)，pm是低次多项式，如线性或二次或d个变量的mth多项式，||·||表示欧几里德范数。λi是RBF系数，Φ是实值函数，常被称为是径向基函数RBF的中心。Step3求上、下包络的均值EM＝(EI+ES)/2；Step4从原始探测回波数据Ires中减去EM，得到新的探测回波数据Step5根据IMF判定条件判定是否为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种探地雷达地下目标定位方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对探地雷达的B‑Scan探测回波数据进行二维经验模态分解，得到K个和1个残差；2)将前M个(M≤K)二维经验模态函数分量的均值作为探测回波数据的特征值；3)获取所述探测回波数据的特征值的极值点，作为地下目标顶点位置的估计值；4)估算电磁波在地下的传播速度；5)根据所述地下目标顶点位置的估计值和电磁波在地下的传播速度，利用探地雷达双曲线数学模型，进行双曲线拟合，完成地下目标位置的定位。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维经验模态分解的探地雷达地下目标检测方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对探地雷达的B-Scan探测回波数据进行二维经验模态分解，得到K个频率依次递减的二维经验模态函数分量IMF和1个残差；2)将前M个(M≤K)二维经验模态函数分量的均值作为探测回波数据的特征值；3)获取所述探测回波数据的特征值的极值点，作为地下目标顶点位置的估计值；4)估算电磁波在地下的传播速度；5)根据所述地下目标顶点位置的估计值和电磁波在地下的传播速度，利用探地雷达双曲线数学模型，进行双曲线拟合，完成地下目标位置的定位。2.根据权利要求1所述一种基于二维经验模态分解的探地雷达地下目标检测方法，其特征在于，所述步骤1)中对探地雷达的探测回波数据进行二维经验模态分解的具体过程为：a)首先确定探地雷达的探测回波数据Ires的所有极值点；b)对探地雷达的探测回波数据Ires的所有极值点利用径向基函数进行插值，插值后的极大值点和极小值点分别用EI和ES表示，进行曲线拟合后得到探测回波数据Ires的上、下包络；c)求上、下包络的均值EM＝(EI+ES)/2；d)从原始探测回波数据Ires中减去EM，得到新的探测回波数据e)根据二维经验模态函数分量IMF判定条件判定是否为一个二...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔丽红，秦瑶，王其富，任笑真，廉飞宇，杨德梅，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：河南;41