探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法、设备及介质技术

本发明专利技术提供一种探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法、设备及介质，其中方法包括：获得B

【技术实现步骤摘要】
探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法、设备及介质


[0001]本专利技术属于探地雷达成像的
，具体涉及一种探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法、一种计算机设备和一种计算机可读存储介质。

技术介绍

[0002]探地雷达是一种利用天线发射和接收高频电磁波来探测介质内部物质特性和分布的设备，该设备根据电磁波在传播过程中遇到与背景介质电磁性质不同的物体或结构时会发生散射的特性，通过对回波信号分析以对地下目标的空间位置、几何结构以及物质特性等关键参数的估计，能够实现对地下目标体的无损探测。由于探地雷达能够进行非接触式的无损探测，因此被广泛应用于考古、矿产勘查与灾害地质调查等众多领域。
[0003]探地雷达有多种数据记录方式，例如，可以采用固定雷达的发射与接收天线完成一次探测以获得的单道回波数据，该单道回波数据称为A
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scan回波数据。A
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scan回波数据是探地雷达最基本的数据格式，其中记录了电磁波在探测区域传播过程中的瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率与双程传播时间等信息，但是仅通过单道的A
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scan回波数据，难以实现对探测区域的准确有效分析。将发射天线与接收天线在地面上沿测线等间距移动探测，按空间测点顺序组合A
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scan回波数据的数据格式为B
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scan回波数据。在B
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scan回波数据所成的B
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scan图像中，由于不同测点的天线位置同地下异常目标的空间距离不同，令地下异常目标在不同A
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scan回波数据中对应幅值具有不同时延，体现为B
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scan图像中开口向下的双曲线特征。
[0004]聚焦成像是探地雷达信号处理与分析的重要方法，在众多的聚焦成像方法中，由于基于“时延
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求和”的后向投影方法适用于对复杂有耗介质中点散射目标的成像处理，因此其被广泛应用于探地雷达信号处理中。现有技术中的后向投影聚焦成像方法的流程如图1所示，包括：在步骤S01中，获取B
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scan回波数据，对其进行去直耦波、零点校正等预处理，并对B
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scan回波数据成像获得B
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scan图像；在步骤S02中，获取探测时的工作参数，该工作参数包括：天线步进距离、时窗长度和时窗采样间隔，并根据先验知识，获得背景介质相对介电常数；在步骤S03中，设定成像区域，将天线步进间隔作为成像区域单元格划分单位，获得一个用于存储散射强度的累加值的二维矩阵；在步骤 S04 中，计算电磁波在成像区域中各成像单元和每一测点之间传播的双程时延，并根据该时延值提取对应测点处 A
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scan 回波数据中的幅值，生成成像单元的一维信号序列，该序列的和即为成像单元的成像结果。
[0005]现有技术中的后向投影聚焦成像方法进行成像处理前需要提前获得背景介质的相对介电常数估计值等参数后才能进行迭代求解。在实际工作中，实验记录缺失、无法直接
获得背景介质性质等问题严重影响着该算法的应用。在B
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scan回波数据中，双曲线特征区域面积较小，对成像区域所有单元格的遍历求解产生了大量冗余计算，影响了算法的时间经济性，且会造成较强的伪影，影响成像质量。
[0006]综上所述可知，现有技术中在对探地雷达的回波数据进行后向投影聚焦成像时，其存在成像质量差、计算时间长及无法在缺失背景介质相关信息的条件下使用的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法、设备及介质，为至少解决上述现有技术中在对探地雷达的回波数据进行后向投影聚焦成像时，其存在成像质量差、计算时间长及无法在缺失背景介质相对介电常数的条件下使用的问题。
[0008]为至少解决上述技术问题，第一方面，本专利技术提供了一种探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法，包括：获取B
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scan回波数据，以及探测时的工作参数，对B
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scan回波数据进行去直耦波和校正零点预处理，并进行归一化处理并成像，获得B
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scan图像；根据优化函数获取最优阈值，根据该最优阈值对所述B
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scan图像进行二值化处理，并对二值化处理后的B
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scan图像进行形态学滤波，以得到预掩膜矩阵；根据背景介质性质，设定背景介质相对介电常数估计区间上限值与下限值，并将该估计区间中值作为背景介质相对介电常数估计值；根据所述背景介质相对介电常数估计值、预掩膜矩阵和探测时的工作参数，通过并行计算获得并行掩膜后向投影成像结果；根据二分法和所述并行掩膜后向投影成像结果，更新背景介质相对介电常数估计区间，计算背景介质相对介电常数估计值，再次通过并行计算获得并行掩膜后向投影成像结果并更新背景介质相对介电常数估计区间，迭代运算，直至背景介质相对介电常数估计区间满足设定条件，获得背景介质相对介电常数最终估计值和自聚焦并行掩膜后向投影成像结果。
[0009]根据本专利技术的一个实施例，所述对B
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scan回波数据进行去直耦波和校正零点预处理，包括：对每行B
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scan回波数据减去该行均值去除B
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scan回波数据中的直耦波；将目标按一定深度埋在已知相对介电常数的均匀介质中，在其正上方进行探测，提取回波数据中对应该目标幅值的响应时延值，计算回波数据中对应该目标幅值的理想时延值，校正使响应时延值与理想时延值相等。
[0010]根据本专利技术的一个实施例，所述根据优化函数获取最优阈值，包括：获取所有待选阈值；获取所述各待选阈值所对应的优化函数输出值；根据各优化函数的输出值，从所述待选阈值中确定所述最优阈值。
[0011]根据本专利技术的一个实施例，所述获取所述各待选阈值所对应的优化函数输出值，包括：根据待选阈值对所述B
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scan回波数据进行分类，以得到第一类数据和第二类数据；
获取所述第一类数据的特征值和第二类数据的特征值，并根据所述第一类数据的特征值和第二类数据的特征值，得到该阈值对应的优化函数输出值；所述根据各优化函数的输出值，从所述待选阈值中确定所述最优阈值包括：获取优化函数最大输出值所对应的阈值，并将该阈值作为所述最优阈值。
[0012]根据本专利技术的一个实施例，所述对二值化处理后的B
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scan图像进行形态学滤波包括：采用矩形滤波器对所述二值化处理后的B
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scan图像进行第一设定次数的膨胀
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腐蚀滤波，以得到初次滤波后的B
‑
scan图像；分别采用上斜滤波器和下斜滤波器对初次滤波后的B
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scan图像进行第二设定次数的腐蚀处理和第三设定次数的膨胀处理。
[0013]根据本专利技术的一个实施例，所述根据所述背景介质相对介电常数估计值、预掩膜矩阵和探测时的工作参数，通过并行计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法，其特征在于，包括：获取B
‑
scan回波数据，以及探测时的工作参数，对B
‑
scan回波数据进行去直耦波和校正零点预处理，并进行归一化处理并成像，获得B
‑
scan图像；根据优化函数获取最优阈值，根据该最优阈值对所述B
‑
scan图像进行二值化处理，并对二值化处理后的B
‑
scan图像进行形态学滤波，以得到预掩膜矩阵；根据背景介质性质，设定背景介质相对介电常数估计区间上限值与下限值，并将该估计区间中值作为背景介质相对介电常数估计值；根据所述背景介质相对介电常数估计值、预掩膜矩阵和探测时的工作参数，通过并行计算获得并行掩膜后向投影成像结果；根据二分法和所述并行掩膜后向投影成像结果，更新背景介质相对介电常数估计区间，计算背景介质相对介电常数估计值，再次通过并行计算获得并行掩膜后向投影成像结果并更新背景介质相对介电常数估计区间，迭代运算直至背景介质相对介电常数估计区间满足设定条件，获得背景介质相对介电常数最终估计值和自聚焦并行掩膜后向投影成像结果。2.根据权利要求1所述的探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法，其特征在于，所述对B
‑
scan回波数据进行去直耦波和校正零点预处理，包括：对每行B
‑
scan回波数据减去该行均值去除B
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scan回波数据中的直耦波；将目标按一定深度埋在已知相对介电常数的均匀介质中，在其正上方进行探测，提取回波数据中对应该目标幅值的响应时延值，计算回波数据中对应该目标幅值的理想时延值，校正使响应时延值与理想时延值相等。3.根据权利要求1所述的探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法，其特征在于，所述根据优化函数获取最优阈值，包括：获取所有待选阈值；获取所述各待选阈值所对应的优化函数输出值；根据各优化函数的输出值，从所述待选阈值中确定所述最优阈值。4.根据权利要求3所述的探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法，其特征在于，所述获取所述各待选阈值所对应的优化函数输出值，包括：根据待选阈值对所述B
‑
scan回波数据进行分类，以得到第一类数据和第二类数据；获取所述第一类数据的特征值和第二类数据的特征值，并根据所述第一类数据的特征值和第二类数据的特征值，得到该阈值对应的优化函数输出值；所述根据各优化函数的输出值，从所述待选阈值中确定所述最优阈值，包括：获取优化函数最大输出值所对应的阈值，并将该阈值作为所述最优阈值。5.根据权利要求1所述的探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法，其特征在于，所述对二值化处理后的B
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scan图像进行形态学滤波包括：采用矩形滤波器对所述二值化处理后的B
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scan图像进行第一设定次数的膨胀
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腐蚀滤波，以得到初次滤波后的B
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scan图像；分别采用上斜滤波器和下斜滤波器对初次滤波后的B
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scan图像进行第二设定次数的腐蚀处理和第三设定次数的膨胀处理，以得到预掩膜矩阵。6.根据权利要求1所述的探地雷达自聚焦并行掩膜后向投影成像方法，其特征在于，根
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【专利技术属性】
技术研发人员：雷文太，王义为，隋浩，毛凌青，辛常乐，张硕，罗诗光，王睿卿，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：