淺埋地層探地雷達信號處理與目標識別研究.pdf

1、地雷是一種常規(guī)防御性武器,通常埋入地下或布設于地表,通過觸發(fā)后的爆炸殺傷目標,由于其成本低廉且效果顯著而被許多國家和組織所使用。然而地雷雖“易布”卻“難排”,戰(zhàn)后遺留的地雷對普通百姓的生命財產安全造成了嚴重威脅,極大地制約了當?shù)氐膽?zhàn)后重建與經濟發(fā)展。
　　 在國際人道主義掃雷的實踐中,探地雷達發(fā)揮了重要作用。探地雷達是一種非接觸式探測儀器,利用不同地下介質電磁特性的差異,通過發(fā)射高頻電波并接受其反射信號實現(xiàn)對地下環(huán)境的探測。與對

2、空雷達不同,探地雷達所面對的是具有非均勻性、強衰減性及色散效應的地下有耗介質,電磁波傳播環(huán)境復雜多變。探地雷達發(fā)射的電磁波在土壤中傳播的最小波長應小于或等于埋地目標的最大物理尺寸,否則電磁波無法被目標反射。探地雷達的產生最早可追溯至上世紀初,早期的探地雷達一般以中深層的地質環(huán)境探測為主,對于直徑在10cm左右、埋藏在地表下0.5米以內的淺地層小目標卻無能為力。淺地層小目標的探測一般采用近場工作模式,對信號分辨率與處理速度要求較高,需采用

3、發(fā)射時間間隔短、信號頻譜覆蓋范圍寬的超寬帶探地雷達才能滿足要求。上世紀九十年代以來,隨著超寬帶探地雷達技術逐步發(fā)展成熟,針對淺地層小目標的探測才變?yōu)榭赡堋?br>　　 本文以超寬帶探地雷達檢測淺地層反單兵地雷及其他埋設物為研究內容,結合中國電波傳播研究所LTD-2100超寬帶脈沖體制探地雷達所測數(shù)據(jù)以及其他研究機構的探測數(shù)據(jù),圍繞探地雷達信號的預處理、目標檢測、目標特征提取以及目標識別等關鍵問題展開研究,主要內容包括:
　　

4、1.在探地雷達信號的雜波抑制方面,利用主元分析與線性預測模型,提出了一種將主元分析的次分量子空間與自適應雙邊線性預測相結合的雜波抑制方法。此方法首先通過主元分析選取B-scan數(shù)據(jù)的次分量進行子空間重構,再選取與當前掃描道前后相隔一定距離的雙邊參考道對當前掃描道進行線性預測,并采用遞推最小二乘法對前后相鄰A-scan的相關性加以利用。該方法綜合了B-scan的全局信息、前后雙邊A-scan的參考信息以及相鄰A-scan的遞推信息三個方面

5、,對比實驗證實其能夠達到較好的雜波抑制效果。
　　 2.對于B-scan信號中的目標雙曲線檢測與定位,本文從面向區(qū)域描述與面向線條描述兩個角度進行了研究。在面向區(qū)域描述的目標檢測中,針對目標雙曲線的上升沿、水平沿和下降沿,使用多方向多尺度的Gabor小波濾波器對B-scan進行濾波,通過計算濾波后所得各分量圖像的能量比來確定目標區(qū)域位置。在面向線條描述的目標檢測中,提出了一種基于圖像形態(tài)學的綜合處理方法來實現(xiàn)對畸變雙曲線線條的檢

6、測。在目標檢測的基礎上,本文采用直接最小二乘算法對雙曲線參數(shù)進行擬合,文中討論了其理論推導與算法實現(xiàn),并通過數(shù)值算例與實際數(shù)據(jù)驗證了其有效性。
　　 3.在探地雷達信號的特征提取方面,提出了一種對A-scan信號進行時頻分析再對得到的二維時頻譜進行紋理分析的特征提取方法。在時頻分析環(huán)節(jié),首先采用四種不同的時頻分析方法計算A-scan,信號的時頻譜圖像,再利用5個紋理描述算子對得到的時頻譜進行特征提取。對于特征提取結果,本文采用F

7、isher線性判別分析中的歸一化可分距離測度對所得特征點集的可分離性進行度量。實驗表明,S變換具有最好的埋地目標分辨能力,Wigner-Ville分布次之,短時傅里葉變換與短時Hartley變換的分辨能力較差。在采用紋理特征計算特征向量環(huán)節(jié),以灰度共生矩陣與紋理特征編碼方法為理論基礎,通過相關性分析與主分量分析對20個常用的紋理特征描述算子的目標檢測能力與相互關系進行了研究。
　　 4.在目標識別方面,考慮到實際掃描探測過程中探

8、地雷達天線與目標之間存在“由遠及近再及遠”的變化過程,這一變化過程通過A-scan序列的變化體現(xiàn)出來,由此提出了一種針對A-scan序列變化過程建模的目標識別方法。該方法以A-scan的時頻分析紋理特征為基礎,采用無跨越單向連續(xù)隱馬爾可夫模型(HMM)對序列的變化過程建模并進行識別。文中對基于不同狀態(tài)數(shù)、不同高斯分量個數(shù)的模型的識別能力進行了研究,并證實這種基于變化過程的HMM方法比無序地利用單條A-scan特征的支持向量機方法具有更好