[發(fā)明專利]一種自適應(yīng)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)去噪方法

有效

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• 申請日: 2017-07-14
• 公開（公告）號: CN107450054B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳高祥;陳侃福;葛雙成;樓凱峰;蔣清吉
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院
• 主分類號: G01S7/292
• 分類號: G01S7/292;G01S7/35;G01S13/88
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于工程勘探數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自適應(yīng)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)去噪方法。

背景技術(shù)

探地雷達(dá)自上世紀(jì)初Letmbach和Lowy提出概念至今已走過1個多世紀(jì)的歷程，不僅理論成熟，實際應(yīng)用也取得了巨大成果。然而在實際應(yīng)用中，雷達(dá)信號不可避免地會受到各種噪聲干擾，從而導(dǎo)致信噪比降低，深部信號被掩蓋，成像效果差，由雷達(dá)信號反演計算各類參數(shù)的精確性更是會受到不同程度的影響，使得最終成果質(zhì)量大幅降低。

從噪聲來源來分，探地雷達(dá)噪聲主要可以分為儀器噪聲、天線耦合噪聲、人文工業(yè)噪聲、介質(zhì)內(nèi)的非均勻散射、強(qiáng)地表反射、起伏地表散射以及各種多次反射波等；針對各類噪聲，已有的去噪方法主要包括似然比檢測技術(shù)、參數(shù)系統(tǒng)識別技術(shù)、小波包分解技術(shù)、子空間濾波技術(shù)、獨立成分分析、平均值濾波技術(shù)、頻率域濾波技術(shù)等，雖然這些方法有充分的理論依據(jù)，在模型數(shù)據(jù)上也能獲得理想效果，但受限于各種假設(shè)和實際條件，在處理受噪聲污染的實際數(shù)據(jù)時通常難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

因此，尋求高精度、高效率、適應(yīng)性強(qiáng)的去噪方法是成功應(yīng)用探地雷達(dá)解決實際問題的前提基礎(chǔ)。奇異值分解(SVD)是以線性代數(shù)理論為基礎(chǔ)的矩陣分解方法，其核心思想是將高維復(fù)雜矩陣表示成低維簡單矩陣，從而突出原矩陣的主要特征；SVD技術(shù)在各個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，包括圖像壓縮、信號去噪、模式識別、特征提取等，然而這些應(yīng)用都面臨一個共同的問題，即如何準(zhǔn)確決定奇異值個數(shù)，而這是成功利用SVD技術(shù)的關(guān)鍵步驟。為此，各個領(lǐng)域的專家學(xué)者根據(jù)特定目標(biāo)發(fā)展了各自的處理方法，也取得了一定成效，然而還沒有哪種方法具備廣泛的適應(yīng)性。

在探地雷達(dá)去除水平規(guī)則干擾方面，Abujarad等簡單地將第一個奇異值所對應(yīng)成分視為水平干擾，將剩余數(shù)據(jù)均作為有效信號，該方法只對極其規(guī)則的水平干擾噪聲有效。此外，還包括奇異熵增量、信噪比經(jīng)驗等方法，這些方法都只是半定量方法，通常依賴于處理人員的經(jīng)驗，這不僅降低了工作效率，而且缺乏客觀性。針對此問題，亟需在SVD分解的基礎(chǔ)上研究自動判斷奇異值個數(shù)的方法，并根據(jù)奇異值重新合成目標(biāo)成分來實現(xiàn)準(zhǔn)確高效的去噪目的，從而提高雷達(dá)數(shù)據(jù)的信噪比，突出目標(biāo)信號特征，為后續(xù)處理提供高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保證結(jié)果的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種自適應(yīng)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)去噪方法，能夠自動確定相干噪聲奇異值個數(shù)，避免針對不同數(shù)據(jù)需人機(jī)交互判定奇異值數(shù)目帶來的麻煩。

一種自適應(yīng)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)去噪方法，包括如下步驟：

(1)對于原始探地雷達(dá)數(shù)據(jù)，截取其前k納秒內(nèi)的數(shù)據(jù)并確定數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)道，k為大于0的實數(shù)；

(2)對于任一掃描道，計算該掃描道與標(biāo)準(zhǔn)道在前k納秒內(nèi)的互相關(guān)函數(shù)并取其最大值；

(3)根據(jù)步驟(2)遍歷所有掃描道，得到由各掃描道互相關(guān)函數(shù)最大值組成的初至曲線L，進(jìn)而計算出初至曲線L的均方根高D；

(4)根據(jù)以下公式計算出與相干噪聲對應(yīng)的奇異值個數(shù)N；

N＝ROUND{0.2634D+1.3086}

其中：ROUND{}為向上取整函數(shù)；

(5)對原始探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異值分解，剔除奇異值分解后的前N個數(shù)據(jù)成分，將剩余數(shù)據(jù)成分重新合成后即完成去噪過程。

所述步驟(1)中的原始探地雷達(dá)數(shù)據(jù)為n×m大小的數(shù)據(jù)矩陣，n和m分別對應(yīng)為時間和空間上的采樣點數(shù)；所述掃描道即對應(yīng)探測對象表面上任一采樣點的雷達(dá)數(shù)據(jù)，所述標(biāo)準(zhǔn)道即對應(yīng)探測對象表面上某一采樣點的雷達(dá)數(shù)據(jù)，該采樣點為隨機(jī)或人為指定。

所述步驟(2)中的互相關(guān)函數(shù)表達(dá)式如下：

其中：R_j(τ)為第j掃描道與標(biāo)準(zhǔn)道在前k納秒內(nèi)的互相關(guān)函數(shù)，x₀(t)為t時刻的標(biāo)準(zhǔn)道，t和τ均為時間采樣序號且1≤τ≤K，K為前k納秒內(nèi)雷達(dá)數(shù)據(jù)的采樣點數(shù)，x_j^*(t-τ)為x_j(t-τ)的共軛復(fù)數(shù)，x_j(t-τ)為t-τ時刻的第j掃描道，j為自然數(shù)且1≤j≤m。

所述步驟(3)中根據(jù)以下公式計算初至曲線L的均方根高D：

其中：d(j)為第j掃描道與標(biāo)準(zhǔn)道在前k納秒內(nèi)的互相關(guān)函數(shù)最大值，為初至曲線L的平均值。

優(yōu)選地，k＝5。