淺埋地層探地雷達(dá)信號(hào)處理與目標(biāo)識(shí)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(shè)于地表,通過觸發(fā)后的爆炸殺傷目標(biāo),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(duì)普通百姓的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重威脅,極大地制約了當(dāng)?shù)氐膽?zhàn)后重建與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
　　 在國際人道主義掃雷的實(shí)踐中,探地雷達(dá)發(fā)揮了重要作用。探地雷達(dá)是一種非接觸式探測(cè)儀器,利用不同地下介質(zhì)電磁特性的差異,通過發(fā)射高頻電波并接受其反射信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下環(huán)境的探測(cè)。與對(duì)

2、空雷達(dá)不同,探地雷達(dá)所面對(duì)的是具有非均勻性、強(qiáng)衰減性及色散效應(yīng)的地下有耗介質(zhì),電磁波傳播環(huán)境復(fù)雜多變。探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波在土壤中傳播的最小波長(zhǎng)應(yīng)小于或等于埋地目標(biāo)的最大物理尺寸,否則電磁波無法被目標(biāo)反射。探地雷達(dá)的產(chǎn)生最早可追溯至上世紀(jì)初,早期的探地雷達(dá)一般以中深層的地質(zhì)環(huán)境探測(cè)為主,對(duì)于直徑在10cm左右、埋藏在地表下0.5米以內(nèi)的淺地層小目標(biāo)卻無能為力。淺地層小目標(biāo)的探測(cè)一般采用近場(chǎng)工作模式,對(duì)信號(hào)分辨率與處理速度要求較高,需采用

3、發(fā)射時(shí)間間隔短、信號(hào)頻譜覆蓋范圍寬的超寬帶探地雷達(dá)才能滿足要求。上世紀(jì)九十年代以來,隨著超寬帶探地雷達(dá)技術(shù)逐步發(fā)展成熟,針對(duì)淺地層小目標(biāo)的探測(cè)才變?yōu)榭赡堋?br>　　 本文以超寬帶探地雷達(dá)檢測(cè)淺地層反單兵地雷及其他埋設(shè)物為研究?jī)?nèi)容,結(jié)合中國電波傳播研究所LTD-2100超寬帶脈沖體制探地雷達(dá)所測(cè)數(shù)據(jù)以及其他研究機(jī)構(gòu)的探測(cè)數(shù)據(jù),圍繞探地雷達(dá)信號(hào)的預(yù)處理、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)特征提取以及目標(biāo)識(shí)別等關(guān)鍵問題展開研究,主要內(nèi)容包括:
　　

4、1.在探地雷達(dá)信號(hào)的雜波抑制方面,利用主元分析與線性預(yù)測(cè)模型,提出了一種將主元分析的次分量子空間與自適應(yīng)雙邊線性預(yù)測(cè)相結(jié)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(jìn)行子空間重構(gòu),再選取與當(dāng)前掃描道前后相隔一定距離的雙邊參考道對(duì)當(dāng)前掃描道進(jìn)行線性預(yù)測(cè),并采用遞推最小二乘法對(duì)前后相鄰A-scan的相關(guān)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(gè)方面

5、,對(duì)比實(shí)驗(yàn)證實(shí)其能夠達(dá)到較好的雜波抑制效果。
　　 2.對(duì)于B-scan信號(hào)中的目標(biāo)雙曲線檢測(cè)與定位,本文從面向區(qū)域描述與面向線條描述兩個(gè)角度進(jìn)行了研究。在面向區(qū)域描述的目標(biāo)檢測(cè)中,針對(duì)目標(biāo)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(duì)B-scan進(jìn)行濾波,通過計(jì)算濾波后所得各分量圖像的能量比來確定目標(biāo)區(qū)域位置。在面向線條描述的目標(biāo)檢測(cè)中,提出了一種基于圖像形態(tài)學(xué)的綜合處理方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)畸變雙曲線線條的檢

6、測(cè)。在目標(biāo)檢測(cè)的基礎(chǔ)上,本文采用直接最小二乘算法對(duì)雙曲線參數(shù)進(jìn)行擬合,文中討論了其理論推導(dǎo)與算法實(shí)現(xiàn),并通過數(shù)值算例與實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其有效性。
　　 3.在探地雷達(dá)信號(hào)的特征提取方面,提出了一種對(duì)A-scan信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析再對(duì)得到的二維時(shí)頻譜進(jìn)行紋理分析的特征提取方法。在時(shí)頻分析環(huán)節(jié),首先采用四種不同的時(shí)頻分析方法計(jì)算A-scan,信號(hào)的時(shí)頻譜圖像,再利用5個(gè)紋理描述算子對(duì)得到的時(shí)頻譜進(jìn)行特征提取。對(duì)于特征提取結(jié)果,本文采用F

7、isher線性判別分析中的歸一化可分距離測(cè)度對(duì)所得特征點(diǎn)集的可分離性進(jìn)行度量。實(shí)驗(yàn)表明,S變換具有最好的埋地目標(biāo)分辨能力,Wigner-Ville分布次之,短時(shí)傅里葉變換與短時(shí)Hartley變換的分辨能力較差。在采用紋理特征計(jì)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(chǔ),通過相關(guān)性分析與主分量分析對(duì)20個(gè)常用的紋理特征描述算子的目標(biāo)檢測(cè)能力與相互關(guān)系進(jìn)行了研究。
　　 4.在目標(biāo)識(shí)別方面,考慮到實(shí)際掃描探測(cè)過程中探

8、地雷達(dá)天線與目標(biāo)之間存在“由遠(yuǎn)及近再及遠(yuǎn)”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(duì)A-scan序列變化過程建模的目標(biāo)識(shí)別方法。該方法以A-scan的時(shí)頻分析紋理特征為基礎(chǔ),采用無跨越單向連續(xù)隱馬爾可夫模型(HMM)對(duì)序列的變化過程建模并進(jìn)行識(shí)別。文中對(duì)基于不同狀態(tài)數(shù)、不同高斯分量個(gè)數(shù)的模型的識(shí)別能力進(jìn)行了研究,并證實(shí)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(jī)方法具有更好