一种探地雷达记录剖面中目标顶点的检测方法技术

本发明专利技术公开了一种探地雷达记录剖面中目标顶点的检测方法，首先计算预处理后的探地雷达记录剖面沿测线维的一维能量曲线，根据该曲线的局部极大值点个数确定目标顶点个数的预设区间；然后对预处理后的探地雷达记录剖面采用自动匹配阈值的方式进行边缘检测得到二值图像并估计二值图像中的顶点，直到预估计的目标顶点个数在预设区间为止；接着基于这些顶点的坐标位置建立匹配模板，运用该模板与边缘检测得出的二值图像进行模板匹配并计算匹配相似度，舍弃匹配相似度低于该阈值的顶点，得出匹配后的顶点；再基于聚类分析方法对匹配后的顶点进行过滤，去除虚假顶点，得到目标顶点的检测结果。本发明专利技术相对于现有方法在信噪比较低时有更高的检测精度。

A method for detecting the target vertex in GPR profile

The invention discloses a GPR record target vertex profile in the detection method, first calculated after pretreatment of GPR profiles along the one-dimensional energy curve line dimension, according to the curve of local maxima determines the number of preset interval number of target points; then pretreated ground penetrating radar profiles by way of automatic matching threshold edge detection two value image and estimate the value of two images in the pre estimation of the target vertex, until the number of vertices in the preset interval; then coordinates these vertices based on template matching, using the template and the edge detection of the two value image template matching and matching similarity calculation, while matching similarity is lower than the threshold of the vertex, obtained after matching vertices; then based on the cluster analysis method to match the vertices into The false vertex is removed by filtering, and the detection result of the target vertex is obtained. Compared with the existing methods, the present invention has higher detection accuracy when the signal-to-noise ratio is low.

【技术实现步骤摘要】
一种探地雷达记录剖面中目标顶点的检测方法
本专利技术属于探地雷达探测与应用
，具体涉及运用探地雷达图像检测目标顶点的方法。
技术介绍
探地雷达(GroundPenetratingRadar，GPR)是一种有效的浅层隐藏目标探测技术，利用电磁波在媒质电磁特性不连续处产生的反射和散射实现非金属覆盖区域中目标的成像探测。GPR回波的幅度和时延包含目标位置及电磁散射特性等信息。GPR沿一维测线进行空间扫描，在测线的每个孔径点处向地下区域发射电磁波并接收散射回波。每个孔径点处接收一道回波数据，多个孔径点接收的回波数据按列排列，就形成了GPR记录剖面。通过对GPR记录剖面进行处理以实现对地下未知区域进行探测和参数反演是一种无损检测方式。GPR可以在岩石、土壤、冰、淡水、公共道路以及各种结构物等介质使用，还可以探测到地表下的物质、材质变化、空隙和裂隙等，广泛应用于道路工程、建筑工程、考古等无损探测领域。GPR在扫描的过程中，当电磁波遇到与背景媒质电磁特性不同的目标时会产生电磁散射，部分散射波被GPR接收天线接收。随着天线的移动，地下目标的散射回波在GPR记录剖面中就形成了一条时延曲线。时延曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种探地雷达记录剖面中目标顶点的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对原始探地雷达记录剖面进行预处理，并计算预处理后的探地雷达记录剖面沿测线方向的一维能量曲线，提取该能量曲线的局部极大值个数，据此设定该探地雷达记录剖面的目标顶点个数的预设区间；步骤2：对预处理后的探地雷达记录剖面进行自动阈值匹配的边缘检测，得到一幅二值图像，根据二值图像估计可能存在的目标顶点；步骤3：根据估计出的可能存在的目标顶点坐标建立匹配模板，使用匹配模板与边缘检测得到的二值图像进行模板匹配，舍弃匹配相似度低的目标顶点，得出匹配后的目标顶点；步骤4：对匹配后的目标顶点进行聚类分析，去除虚假顶点，得出检测结果。

【技术特征摘要】
1.一种探地雷达记录剖面中目标顶点的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对原始探地雷达记录剖面进行预处理，并计算预处理后的探地雷达记录剖面沿测线方向的一维能量曲线，提取该能量曲线的局部极大值个数，据此设定该探地雷达记录剖面的目标顶点个数的预设区间；步骤2：对预处理后的探地雷达记录剖面进行自动阈值匹配的边缘检测，得到一幅二值图像，根据二值图像估计可能存在的目标顶点；步骤3：根据估计出的可能存在的目标顶点坐标建立匹配模板，使用匹配模板与边缘检测得到的二值图像进行模板匹配，舍弃匹配相似度低的目标顶点，得出匹配后的目标顶点；步骤4：对匹配后的目标顶点进行聚类分析，去除虚假顶点，得出检测结果。2.根据权利要求1所述的探地雷达记录剖面中目标顶点的检测方法，其特征在于，所述步骤1中包括以下步骤：步骤1.1、记原始的探地雷达记录剖面为矩阵IN×M，其第x行第t列元素记为IN×M[x,t]，x表示采集数据的方向维，其取值范围为[1,N]，N表示沿测线方向进行采样的孔径点数；t表示时间维，其取值范围为[1,M]，M表示某孔径点处采集到的一维散射回波经数字采样后的采样数点；IN×M[x,t]表示原始的探地雷达记录剖面上第x行第t列像元的像素值；对IN×M进行预处理，即去直达波和幅度归一化处理，结果记为矩阵I″N×M；步骤1.2、根据公式计算每道数据的能量，由此得出探地雷达记录剖面的一维能量曲线P(x)；其中I″N×M[x,t]表示矩阵I″N×M第x行第t列元素；步骤1.3、寻找一维能量曲线P(x)上的局部极大值点，记为(x,P(x))；步骤1.4、统计所有局部极大值点的个数，记为S；据此设定该探地雷达记录剖面的目标顶点个数的预设区间为[Smin,Smax]，其中Smin为round(u·S)，Smax为round(v·S)，u和v为经验参数，round(·)表示四舍五入取整。3.根据权利要求2所述的探地雷达记录剖面中目标顶点的检测方法，其特征在于，u＝0.8，v＝1.2。4.根据权利要求2所述的探地雷达记录剖面中目标顶点的检测方法，其特征在于，所述步骤1.1中对IN×M进行去直达波和幅度归一化处理的步骤如下：定义一个元素全为1的矩阵ONE1×M，从矩阵IN×M中取出第一列元素，记为IN×1，根据公式(1)对矩阵IN×M进行去直达波处理，得到矩阵I′N×M；再根据公式(2)对矩阵I′N×M进行幅值归一化处理，得到I″N×M；I′N×M＝IN×M-IN×1·ONE1×M(1)I″N×M＝I′N×M/Max{I′N×M[x,t]}(2)。5.根据权利要求1所述的探地雷达记录剖面中目标顶点的检测方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1：设定初始阈值α＝α0；步骤2.2：采用Canny边缘检测算法，根据设定的阈值对预处理之后的探地雷达记录剖面进行边缘检测，得出对应阈值下的二值图像Bα(x,t)；步骤2.3：根据二值图像Bα(x,t)估计出可能存在的目标顶点：首先，对该二值图像Bα(x,t)先进行行遍历，再进行列遍历，找到二值图像Bα(x,t)中所有像素值为1的点；定义二值图像Bα(x,t)中所有像素值为1的点为二值图像的边缘点，记为E(xm,tm),m＝1,...,M′，其中m为边缘点的标号，M′为边缘点的总个数；将连续的边缘点连接成边缘曲线；然后，对所有边缘点逐点进行处理，估计可能存在的顶点：先针对任一个边缘点E(xm,tm)，计算出该点右边连续且具有相同梯度的边缘点数量，记为N′；再基于边缘点E(xm,tm)设定子图像[xm:(xm+n′),(tm-n′):(tm+n′+N′)]，即取二值图像Bα(x,t)中第xm行到xm+n′行，第tm-n′列到第tm+n′+N′列之间的区域作为子图像，其中n′用来设定子图像大小；若子图像的左边[xm:(xm+n′),(tm-n′):tm]边缘点的梯度为上升趋势，且子图像的右边[xm:(xm+n′),(tm+N′):(tm+n′+N)]边缘点的梯度为下降趋势，则说明在这个子图像中可能存在目标顶点，计算该子图像中可能存在的目标顶点坐标为(xm,tm+t′)，其中t′为并记录该目标顶点坐标，否则说明这个子图像中不存在目标顶点；针对每一个边缘点进行上述处理后，得到二值图像Bα(x,t)中所有可能存在的目标顶点，记为Eα(xk,tk),k＝1,2,…,K，(xk,tk)为第k个可能存在的目标顶点的坐标，K为可能存在的目标顶点的个数；步骤2.4：判断K是否在目标顶点个数的预设区间[Smin,Smax]内，若是，则结束步骤2，取当前估计得到的Eα(xk,tk),k＝1,2,…,K进行后续步骤3的处理；否则递增阈值，设定阈值α＝α+Δα，并返回步骤2.2重复上述处理过程，直到α＝α1为止。6.根据权利要求5所述的探地雷达记录剖面中目标顶点的检测方法，其特征在于，所述α0＝0.01，Δα＝0.02，α1＝0.9。7.根据权利要求5所述的探地雷达记录剖面中目标顶点的检测方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：步骤3.1：设置标准双曲线模板方程为其中，a＝t0，其中t0表示探地雷达到地下目标的最小时延，x0表示最小时延对应的横向探测距离，εr表示目标的相对介电常数；步骤3.2：初始化k＝1；步骤3.3：基于目标顶点Eα(xk,tk)建立子二值图像；基于步骤2中找出的可能存在的目标顶点Eα(xk,tk)，建立子二值图像B′α(x,t),x∈[xkmin,xkmax],t∈[tkmin,tkmax]，其中xkmin、xkmax、tkmin和tkmax分别为xk、xk+x′、tk-b和tk+b，x′＝0.2·T0，T0是天线的周期，f为探地雷达天线的频率；步骤3.4：基于目标顶点Eα(xk,tk)建立匹配模板；对标准双曲线模板进行修正，修正后的双曲线为其中Δb＝10×α，α表示边缘检测中的阈值；将[tkmin,tkmax]内的整数t依次代入修正后的双曲线得到相应的x，满足x∈[x...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷文太，满敏，施荣华，左逸玮，彭楠，梁琼，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43