一种用于提高地质雷达信号分辨率的方法技术

本公开揭示了一种用于提高地质雷达信号分辨率的信号处理方法，所述方法在连续小波变换域内自适应的拓展地质雷达信号的频率，以得到高分辨率的拓频信号。首先采用基于地质雷达信号的频谱分析，确定各拓频频段和相应的加权系数，然后对地质雷达信号进行连续小波变换，得到相应的时间‑尺度(频率)分布，根据频率和小波尺度的换算关系，对相应尺度范围内的小波变换系数进行加权，最后基于加权的连续小波变换，重构对应的拓频信号，达到提高地质雷达信号分辨率的目的。所述方法能够为隧道衬砌和铁路路基检测提供高分辨率地质雷达数据，从而增加后续检测的准确性。

A Method for Improving Resolution of Geological Radar Signal

The present disclosure discloses a signal processing method for improving the resolution of ground penetrating radar signals, which adaptively expands the frequency of ground penetrating radar signals in the continuous wavelet transform domain to obtain a high resolution spread frequency signal. Firstly, the spectrum analysis based on the ground penetrating radar signal is used to determine the extension frequency band and the corresponding weighting coefficients. Then the continuous wavelet transform is applied to the ground penetrating radar signal to obtain the corresponding time scale (frequency) distribution. According to the conversion relationship between frequency and wavelet scale, the wavelet transform coefficients in the corresponding scale range are weighted. Finally, the weighted continuous wavelet transform is used. To improve the resolution of ground penetrating radar (GPR) signal, the corresponding extension frequency signal is reconstructed. The method can provide high resolution ground penetrating radar data for tunnel lining and railway roadbed detection, thereby increasing the accuracy of subsequent detection.

【技术实现步骤摘要】
一种用于提高地质雷达信号分辨率的方法
本专利技术属于地质雷达领域，特别涉及一种用于提高地质雷达信号分辨率的高分辨处理方法。
技术介绍
利用地质雷达(Ground-penetratingRadar，GPR)进行探测时，发射天线发射电磁波在介质中传播，经过存在电性差异的介质体或者界面时会产生反射信号，该反射信号被设置于检测表层的接收天线接收。通过分析该接收信号实现对介质内部分布规律的分析。地质雷达探测具有超浅层勘探的独特优势，是一种快速的高分辨率无损检测方法，在隧道以及铁路路基检测中具有广泛的应用。但是，受到介质耗散等因素的影响，电磁波在传播过程中会出现频率降低，幅度衰减等问题，使得接收信号的分辨率降低，从而影响后续的异常检测。目前用于提高地质雷达信号分辨率的方法主要有现有技术1：谱白化类方法(1)计算每个A-scan的一维傅里叶变换，得到信号的振幅谱和相位谱；(2)在信号的有效频宽范围内，设定若干个带通滤波器，将幅度谱分为若干个子带；(3)计算每个子带内的信号振幅谱加权系数，将每个子带内的信号谱乘以对应的子带加权系数，得到拓频后的频谱；(4)基于拓频后的频谱，计算其一维傅里叶反变换，得到拓频后的A-scan信号；该类方法还可以在时间域进行能量均衡。现有技术1的缺点：1)该类方法在提高地质雷达数据分辨率的同时，也放大了信号中的随机噪声；2)人为设定各拓频子带宽度，没有统一的设置规则，易造成不同设置参数的拓频效果差异较大；现有技术2：反褶积方法(1)提取地质雷达信号子波表达式；对每一个反射时间点进行如下操作：(2)基于子波表达式，构造自相关矩阵；(3)对自相关矩阵进行奇异值分解，并计算加权系数向量；(4)计算加权系数向量与观测时间序列的内积得到该时间点的反射强度；上述为时间域反褶积处理流程，还可以根据卷积定理，将时间域反褶积流程推广到频率域进行反褶积处理。现有技术2的缺点：1)地质雷达子波信号难以准确提取，因此影响后续的反射强度计算；2)通常地质雷达数据中含有较强的随机噪声，这也使得反褶积效果受到影响。
技术实现思路
基于此，本公开揭示了一种用于提高地质雷达信号分辨率的信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S100、对多道A-scan信号进行一维傅里叶变换，并在A-scan信号的有效频带宽度内确定A-scan信号的基础频段和各拓频频段；S200、计算A-scan信号各拓频频段的加权系数；S300、对A-scan信号进行连续小波变换，得到对应的时间-尺度域小波变换系数(时频分布)；S400、根据频率和尺度的换算关系，将不同时间-尺度范围内的小波变换系数乘以对应的加权系数；S500、计算乘以对应的加权系数后小波变换系数对应的小波反变换，得到该A-scan信号对应的高分辨率信号；S600、对每个A-scan信号重复步骤S300-S500。本公开具有如下技术效果：1)本公开的方法不需要估计地质雷达信号子波；2)本公开参数设置简单，根据信号频谱分布自适应确定频谱划分和加权系数；3)本公开的连续小波域信号自适应拓频方法可以有效的提高地质雷达剖面的时间分辨率以及增强深层弱反射的强度；4)通过对频带的有效划分和加权处理，本公开所述方法对随机噪声有很好的抑制作用。附图说明：图1为本公开一个实施例中的GPR数据自适应频谱拓展流程；图2为本公开一个实施例中的频谱划分示意；图3(A)-图3(F)为本公开一个实施例的处理结果：图3(A)为隧道衬砌地质雷达数据B-scan剖面；图3(B)为连续小波域自适应频谱拓展结果；图3(C)为抽取的水平距离x＝1.44m的A-scan信号及其拓频结果；图3(D)为x＝1.44m处A-scan信号及其拓频结果的傅里叶频谱分析；图3(E)为抽取的水平距离x＝4.83m的A-scan信号及其拓频结果；图3(F)为x＝4.83m处A-scan信号及其拓频结果的傅里叶频谱分析；图4(A)-图4(F)为本公开一个实施例中的处理结果：图4(A)铁路路基地质雷达数据B-scan剖面；图4(B)连续小波域自适应频谱拓展结果；图4(C)抽取的水平距离x＝2m的A-scan信号及其拓频结果；图4(D)x＝2m处A-scan信号及其拓频结果的傅里叶频谱分析；图4(E)抽取的水平距离x＝4m的A-scan信号及其拓频结果；图4(F)x＝4m处A-scan信号及其拓频结果的傅里叶频谱分析。具体实施方式：下面结合附图1至附图4(F)和具体实施方式对本专利技术做进一步详细的说明。本专利技术提供一种用于隧道衬砌和铁路路基地质雷达数据的频谱拓展方法，包括对地质雷达数据的频谱分析、小波域自适应拓频处理等。在一个实施例中，本公开揭示了一种用于提高地质雷达信号分辨率的信号处理方法，所述方法包括以下步骤：S100、对多道A-scan信号进行一维傅里叶变换，并在A-scan信号的有效频带宽度内确定A-scan信号的基础频段和各拓频频段；S200、计算A-scan信号各拓频频段的加权系数；S300、对A-scan信号进行连续小波变换，得到对应的时间-尺度域小波变换系数(时频分布)；S400、根据频率和尺度的换算关系，对不同时间-尺度范围内的小波变换系数乘以对应的加权系数；S500、计算乘以对应的加权系数后小波变换系数对应的小波反变换，得到A-scan信号对应的高分辨率信号；S600、对每个A-scan信号重复步骤S300-S500。在本实施例中，所述方法基于连续小波变换的多分辨率思想，在连续小波变换域实现对信号的分频拓展处理，以达到提高分辨率的目的。所述方法不需要估计子波信号，对频带能够实现有效划分，而且具有很好的抗噪性能，能够为后续的地质雷达数据处理步骤提供高保真的高分辨率数据。本实施例的连续小波域信号自适应频率拓展方法可以有效的提高地质雷达数据的时间分辨率以及弱反射的幅度，有利于后期的异常检测。相比较于现有技术1，本实施例提供的方法能够在提高数据分辨率的同时，不增加噪声能量，具有较高的信噪比，且根据倍频程规则实现频带的稳定划分；相比较于现有技术2，本公开提供的方法不需要估计子波信号，仅需要基于傅里叶振幅谱对信号的小波变换结果进行有效的划分即可。在一个实施例中，所述步骤S100具体包括如下步骤：S101、对每一道A-scan信号进行一维傅里叶变换，然后计算对应傅里叶振幅谱的平均振幅谱；S102、基于对应的平均振幅谱选定A-scan信号的基准频率点，作为标准，根据基准频率点确定基础频率段，然后在频率轴上确定各拓展频段；所述拓展频段包括：高频段的一次、二次和高次谐波段，和低频段的一次次谐波、二次次谐波以及高次次谐波频率段。在本实施例中，对若干个A-scan进行一维傅里叶变换，将选取的若干A-scan的傅里叶变换的模值对应点相加，然后除以A-scan个数，得到傅里叶振幅谱的平均振幅谱；基于对应的平均振幅谱选定信号的基准频率点，作为标准，根据基准频率点确定基础频率段，然后在频率轴上确定高频段的一次、二次和高次谐波段，和低频段的一次次谐波、二次次谐波以及高次次谐波频率段。在一个实施例中，步骤S200所述的计算各拓频频段加权系数具体为：S201、计算信号基础频段内频谱的平均能量密度P为其中，F(ω)为A-scan的傅里叶变换，ω0表示基准频率点，ω本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于提高地质雷达信号分辨率的信号处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S100、对多道A‑scan信号进行一维傅里叶变换，并在A‑scan信号的有效频带宽度内确定A‑scan信号的基础频段和各拓频频段；S200、计算A‑scan信号各拓频频段的加权系数；S300、对A‑scan信号进行连续小波变换，得到对应的时间‑尺度域小波变换系数；S400、根据频率和尺度的换算关系，对不同时间‑尺度范围内的小波变换系数乘以对应的加权系数；S500、计算所述乘以对应的加权系数后小波变换系数对应的连续小波反变换，得到A‑scan信号对应的高分辨率信号；S600、对每个A‑scan信号重复步骤S300‑S500。

【技术特征摘要】
1.一种用于提高地质雷达信号分辨率的信号处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S100、对多道A-scan信号进行一维傅里叶变换，并在A-scan信号的有效频带宽度内确定A-scan信号的基础频段和各拓频频段；S200、计算A-scan信号各拓频频段的加权系数；S300、对A-scan信号进行连续小波变换，得到对应的时间-尺度域小波变换系数；S400、根据频率和尺度的换算关系，对不同时间-尺度范围内的小波变换系数乘以对应的加权系数；S500、计算所述乘以对应的加权系数后小波变换系数对应的连续小波反变换，得到A-scan信号对应的高分辨率信号；S600、对每个A-scan信号重复步骤S300-S500。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，所述步骤S100包括如下步骤：S101、对多道A-scan信号进行一维傅里叶变换，然后计算对应傅里叶振幅谱的平均值，即为A-scan信号的平均振幅谱；S102、基于对应的平均振幅谱选定A-scan信号的基准频率点，根据基准频率点确定基础频率段，然后在频率轴上确定各拓频频段；所述拓频频段包括：高频段的一次、二次和高次谐波段，低频段的一次次谐波、二次次谐波以及高次次谐波频率段。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S200所述计算A-scan信号各拓频频段加权系数包括以下步骤：S201、计算A-scan信号基础频段内频谱的平均能量密度P，其中，|F(ω)|为A-scan的平均振幅谱，ω0表示基准频率点，ω0表示基础频段的下界；S202、按照步骤S201中的公式，依次计算A-scan信号高频段的一次谐波段、二次谐波段，低频段的一次次谐波段和二次次谐波段的平均能量密度P1，P2，P1，P2；S203...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文超，王晓凯，师振盛，周艳辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61