[發明專利]一種基于奇異值縮放的探地雷達數據增強方法

有效

• 申請號: 202110754944.8
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113433546B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 喬旭;楊峰;武岳
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G01S13/88
• 分類號: G01S13/88;G01S13/89
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明采用零偏置模式探地雷達，以B掃描得到的探地雷達數據為基礎，采用奇異值分解對原始數據進行分解，然后再利用奇異值縮放函數改變奇異值的大小，最后計算得到增強后的探地雷達數據，使得探地雷達數據中的弱信號得到增強，強干擾得到減弱。

技術領域

本發明屬于計算機數字圖像處理領域，算法以奇異值分解為基礎，采用奇異值縮放函數改變奇異值的大小，實現探地雷達數據增強。

背景技術

探地雷達向地下發送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，一部分經發射天線直接到達接收天線形成耦合波；經發射天線發射后遇空氣與路面分界面后未進入地下而直接反射回來被接收天線接收，形成直達波，耦合波和直達波常常被合稱直耦波，常常用來判斷時間零點，作為地下目標體深度的判斷參考依據，另一部分電磁波進入地下，在地下介質中傳播，當遇到存在電性差異的地下目標體(如空洞、水囊及疏松等)或不同介質界面時，電磁波便產生反射，反射電磁波返回到地面時由接收天線所接收。接收信號經過采集、處理、存儲，就成為包含有地下介質信息的探地雷達數據。

探地雷達數據受到淺部直達波干擾嚴重，需要進行濾除。同時，深部探地雷達信號較弱，需要進行有效增強。這就需要研究探地雷達數據增強方法，既要濾除淺部直達波，又要增強深部信號。為實現這一目標，采用奇異值分解方法將探地雷達數據分解為正交矩陣和奇異值矩陣，依據奇異值縮放函數改變奇異值的大小，實現探地雷達數據增強。奇異值分解是線性代數中一種重要的矩陣分解，奇異值分解是特征值分解在任意矩陣上的推廣。奇異值分解在信號處理、統計學等領域有重要應用。

發明內容

本發明的目的是根據探地雷達數據的特點，采用奇異值分解方法將探地雷達數據分解為正交矩陣和奇異值矩陣，依據奇異值縮放函數改變奇異值的大小，實現探地雷達數據增強。本方法按照以下步驟從探地雷達數據中分離出有效信號：

步驟(A1)：對探地雷達數據D(i,j)，其中i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，進行奇異值分解，得到D＝USV，其中，n為探地雷達數據的行數，m為探地雷達數據的列數，S＝[diag(σ₁,σ₂,...,σ_n)]為奇異值矩陣，U,V均為正交矩陣，σ₁,σ₂,...,σ_n為探地雷達數據D的奇異值；

步驟(A2)：為使探地雷達數據中的弱信號得到增強，強干擾得到減弱，通過奇異值縮放函數改變奇異值的大小，縮放后的奇異值滿足

其中，n為雷達數據的行數，c為真空中的電磁波波速，ε為條件閾值，β,C為常數；

步驟(A3)：經過奇異值縮放函數縮放后的奇異值矩陣為獲得增強后的探地雷達數據為D′＝US′V。

本發明有以下優點：

1、通過本發明提出的奇異值縮放函數，能夠在減弱直達波強干擾的同時增強弱信號，實現探地雷達數據的增強。

2、奇異值分解方法無需參數求解和迭代優化過程，本發明能夠快速完成探地雷達數據的增強。

附圖說明

圖1本發明探地雷達數據增強流程詳圖

圖2本發明探地雷達數據增強流程圖

具體實施方式

本發明針對零偏置模式下探地雷達B掃描數據存在較強直達波干擾及深部信號衰減嚴重的問題，以奇異值分解為基礎，依據奇異值縮放函數改變奇異值的大小，將較大的奇異值通過非線性變換為較小的奇異值，較小的奇異值通過非線性變換為較大的奇異值，實現探地雷達數據增強。

基于奇異值縮放的探地雷達數據增強有2種處理流程，第1種流程是直接對探地雷達數據進行增強，要求探地雷達數據的列數大于等于探地雷達數據的行數，具體步驟如下：