本發(fā)明涉及的是探地雷達信號處理技術、災害地質(zhì)調(diào)查、考古調(diào)查、公路工程質(zhì)量檢測以及地質(zhì)勘探等領域，特別涉及一種探地雷達雙曲線目標快速檢測方法。

背景技術：

探地雷達作為一種無損的探測手段，在公路質(zhì)量評估、地下管線探測、地下埋藏未爆物檢測等方面具有廣泛的應用。在探地雷達實際探測過程中，由于地下有耗介質(zhì)的多樣性、電磁波在多層媒質(zhì)中傳播的復雜性，以及雷達信號的拖尾等因素，造成地下目標的回波信號處于強干擾的背景條件下，信噪比較低，且與雷達發(fā)射信號在時間上的隔離度較差，因此實現(xiàn)穩(wěn)健、高效的地下目標檢測仍是一個挑戰(zhàn)性問題。

在探地雷達目標檢測方面，文獻《利用互相關和Hough變換快速檢測探地雷達目標》主要是通過能量最高點去確定目標頂點位置，然后再利用互相關提取雙曲線，最后通過Hough變換完成目標檢測與定位，文獻《基于主元分析法的淺地層小目標探測算法》主要是利用主元分析法將當前雷達掃描數(shù)據(jù)映射到背景所在的投影方向上，建立檢驗函數(shù)并和自適應閾值比較，判斷是否含有目標回波信息，實現(xiàn)淺地層中小目標的探測，文獻《淺層探地雷達的快速異常檢測》主要是通過數(shù)字圖像處理技術對探地雷達檢測數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)地表回波梯度幅度大的圖像特性將其從雷達數(shù)據(jù)中去除以克服其對地下異常目標檢測的影響，然后利用基于梯度的自適應閾值方法在抑制雜波干擾的同時，對地下層中的異常區(qū)域進行快速定位。文獻《一種基于Hough變換探地雷達目標提取方法和裝置》主要是利用小波變換設定閾值來檢測目標回波的波峰和波谷等重要信息，最后采用Hough變換來提取目標的雙曲線，從而獲得目標的空間位置信息，文獻《基于信息融合的超寬帶探地雷達目標自動目標識別方法》主要是通過提取典型回波道數(shù)據(jù)進行Welch功率譜估計，并利用RBF網(wǎng)絡進行目標材質(zhì)分類，最后把目標形狀識別和材質(zhì)識別的結(jié)果進行信息融合，達到對不同形狀、不同材質(zhì)的地下目標的全面有效地自動識別。而本發(fā)明是利用自適應canny邊緣檢測和圖像處理技術提取邊緣點曲線，利用邊緣點曲線與理論雙曲線的均值與方差進行篩選，然后利用二者的相關系數(shù)作為匹配準則估計目標頂點和媒質(zhì)相對介電常數(shù)，從而確定目標位置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供了一種探地雷達雙曲線目標快速檢測方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：一種探地雷達雙曲線目標快速檢測方法，包括以下步驟：

步驟1、采集數(shù)據(jù)根據(jù)直達波通過邊緣檢測得到邊緣點確定canny邊緣檢測的閾值，根據(jù)所述閾值對數(shù)據(jù)進行預處理，對預處理后的數(shù)據(jù)進行邊緣檢測；

步驟2、對邊緣檢測后的數(shù)據(jù)通過圖像處理進行連續(xù)曲線的提取并將符合一定長度的曲線存在一個兩行的矩陣中；

步驟3、劃分相對介電常數(shù)范圍，遍歷所有的相對介電常數(shù)并結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)求取理論雙曲線坐標，將坐標存在一個兩行的矩陣中；

步驟4、求取提取曲線與理論雙曲線的差值的均值與方差，設定閾值，將均值和方差與閾值進行比較再次篩選雙曲線；

步驟5、利用提取曲線與理論雙曲線的相關系數(shù)進行相對介電常數(shù)以及頂點位置的確定，因邊緣檢測可得到相似的多條雙曲線，通過幅值比較確定其中幅值最大值為目標所在坐標，從而確定目標位置。

進一步的，所述步驟1具體為：對探地雷達采集到的數(shù)據(jù)進行canny邊緣檢測，不斷掃描閾值，直至直達波區(qū)域剛開始出現(xiàn)一條邊緣點線，將此時的閾值設為高閾值；然后再掃描低閾值，直至直達波區(qū)域剛開始出現(xiàn)三條邊緣點線，將此時的值設為低閾值；之后對探地雷達原數(shù)據(jù)進行預處理，即地形修正、去零漂、直達波去除、噪聲抑制和射頻干擾抑制；然后利用所述高閾值和低閾值對預處理后的數(shù)據(jù)進行canny邊緣檢測。

進一步的，所述步驟2具體為：提取保存所有的邊緣點，從第一個邊緣點開始，保存距離所述第一個邊緣點2個像素內(nèi)的第二個邊緣點，繼續(xù)掃描，保存距離第二個邊緣點2個像素內(nèi)的第三個邊緣點，依此類推，直至無符合條件的點，將所有的點坐標保存在一個兩行的矩陣中，其中位置單元坐標存在第一行，時間單元坐標存在第二行，然后將所保存的邊緣點的位置置為0，繼續(xù)循環(huán)掃描下一條邊緣點線，直至所有的點都為0；預篩選所有提取的曲線矩陣，將點數(shù)大于80個像素點的矩陣保留下來，然后將每個矩陣中第一行的最大值與最小值和第二行的最大值與最小值求出來；通過第一行的最大值與最小值確定雙曲線的長度，對第一行的最小值到最大值進行掃描，讓中間的每個值都有且只有一個對應的第二行的值，若有兩個及以上的對應值，則選擇第一個值，若沒有值，則用前一個點對應的值作為此點對應的值；由此便獲得每個位置單元只對應一個時間單元位置的曲線；求第二行最小值及其對應第一行值，若對應多個值則選擇中間值，將此時第一行和第二行對應的坐標記為頂點位置坐標(N^*,M^*)，其中N*表示時間單元坐標，M^*表示位置單元坐標。

進一步的，所述步驟3具體為：劃分相對介電常數(shù)值5～30，每隔0.5值取一個相對介電常數(shù)值，利用相對介電常數(shù)值去求媒質(zhì)中的波速，

式中c表示光在真空中的傳播速度，ε_r表示此時的相對介電常數(shù)；

根據(jù)頂點位置和相對介電常數(shù)求對應的理論雙曲線坐標，并將所述理論雙曲線坐標存為兩行的矩陣。

進一步的，所述根據(jù)頂點位置和相對介電常數(shù)求對應的理論雙曲線坐標具體為：

1)首先求取時間單元Δτ＝1/Fs和位置單元Δx對應的實際大小，其中Fs表示等效采樣頻率；

2)根據(jù)相對介電常數(shù)求出時間單元對應的深度單元Δd＝v·Δτ/2；

3)確定理論雙曲線坐標，理論雙曲線坐標包括位置坐標和深度坐標，位置坐標根據(jù)實際情況已經(jīng)確定，

其中M_i表示位置坐標，N_i表示理論雙曲線對應的深度坐標，理論雙曲線對應的深度坐標N_i對應的范圍為步驟2中第一行最小值到最大值之間的坐標，并將所得理論雙曲線坐標存為一個兩行的矩陣，兩行的矩陣是指將位置坐標存在矩陣的第一行中，深度坐標存在第二行中。

進一步的，所述步驟4具體為：因提取曲線與理論雙曲線的第一行坐標相同，故只將提取曲線的第二行坐標減去對應的理論雙曲線的第二行坐標，所得即為兩條雙曲線的差值，求此差值對應的均值和方差，通過設定閾值，二次篩選符合條件的雙曲線和相對介電常數(shù)值。

進一步的，所述步驟5具體為：步驟4之后，再利用提取曲線與理論雙曲線之間的相關系數(shù)ρ，記錄最大相關系數(shù)對應的雙曲線頂點和相對介電常數(shù)值，掃描所有的相對介電常數(shù)值和雙曲線；將所有篩選出來的頂點位置根據(jù)目標的分辨率確定一個范圍，若出現(xiàn)頂點位置在分辨率不能分辨的范圍內(nèi)，則選擇幅值大的那個頂點位置，即第三次篩選。

附圖說明

圖1本發(fā)明的方法流程圖；

圖2探地雷達原數(shù)據(jù)B-scan圖；

圖3探地雷達預處理后數(shù)據(jù)B-scan圖；

圖4探地雷達canny邊緣檢測數(shù)據(jù)圖；

圖5探地雷達理論雙曲線與提取曲線匹配圖；

圖6探地雷達幅值篩選前目標位置標示圖；

圖7探地雷達幅值篩選后目標位置標示圖；

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

結(jié)合圖1，本發(fā)明提供一種探地雷達雙曲線目標快速檢測方法，包括以下步驟：

步驟1、采集數(shù)據(jù)根據(jù)直達波通過邊緣檢測得到邊緣點確定canny邊緣檢測的閾值，根據(jù)所述閾值對數(shù)據(jù)進行預處理，對預處理后的數(shù)據(jù)進行邊緣檢測；

步驟2、對邊緣檢測后的數(shù)據(jù)通過圖像處理進行連續(xù)曲線的提取并將符合一定長度的曲線存在一個兩行的矩陣中；

步驟3、劃分相對介電常數(shù)范圍，遍歷所有的相對介電常數(shù)并結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)求取理論雙曲線坐標，將坐標存在一個兩行的矩陣中；

步驟4、求取提取曲線與理論雙曲線的差值的均值與方差，設定閾值，將均值和方差與閾值進行比較再次篩選雙曲線；

步驟5、利用提取曲線與理論雙曲線的相關系數(shù)進行相對介電常數(shù)以及頂點位置的確定，因邊緣檢測可得到相似的多條雙曲線，通過幅值比較確定其中幅值最大值為目標所在坐標，從而確定目標位置。

所述步驟1具體為：對探地雷達采集到的數(shù)據(jù)(采集到的數(shù)據(jù)如圖2所示)進行canny邊緣檢測，不斷掃描閾值，直至直達波區(qū)域剛開始出現(xiàn)一條邊緣點線，將此時的閾值設為高閾值；然后再掃描低閾值，直至直達波區(qū)域剛開始出現(xiàn)三條邊緣點線，將此時的值設為低閾值；之后對探地雷達原數(shù)據(jù)進行預處理，即地形修正、去零漂、直達波去除、噪聲抑制和射頻干擾抑制；預處理后結(jié)果如圖3所示；然后利用所述高閾值和低閾值對預處理后的數(shù)據(jù)進行canny邊緣檢測，檢測結(jié)果如圖4所示。

所述步驟2具體為：提取保存所有的邊緣點，從第一個邊緣點開始，保存距離所述第一個邊緣點2個像素內(nèi)的第二個邊緣點，繼續(xù)掃描，保存距離第二個邊緣點2個像素內(nèi)的第三個邊緣點，依此類推，直至無符合條件的點，將所有的點坐標保存在一個兩行的矩陣中，其中位置單元坐標存在第一行，時間單元坐標存在第二行，然后將所保存的邊緣點的位置置為0，繼續(xù)循環(huán)掃描下一條邊緣點線，直至所有的點都為0；預篩選所有提取的曲線矩陣，將點數(shù)大于80個像素點的矩陣保留下來，然后將每個矩陣中第一行的最大值與最小值和第二行的最大值與最小值求出來；通過第一行的最大值與最小值確定雙曲線的長度，對第一行的最小值到最大值進行掃描，讓中間的每個值都有且只有一個對應的第二行的值，若有兩個及以上的對應值，則選擇第一個值，若沒有值，則用前一個點對應的值作為此點對應的值；由此便獲得每個位置單元只對應一個時間單元位置的曲線；求第二行最小值及其對應第一行值，若對應多個值則選擇中間值，將此時第一行和第二行對應的坐標記為頂點位置坐標(N^*,M^*)，其中N^*表示時間單元坐標，M^*表示位置單元坐標。

所述步驟3具體為：劃分相對介電常數(shù)值5～30，每隔0.5值取一個相對介電常數(shù)值，利用相對介電常數(shù)值去求媒質(zhì)中的波速，

式中c表示光在真空中的傳播速度，ε_r表示此時的相對介電常數(shù)；

根據(jù)頂點位置和相對介電常數(shù)求對應的理論雙曲線坐標，并將所述理論雙曲線坐標存為兩行的矩陣。

所述根據(jù)頂點位置和相對介電常數(shù)求對應的理論雙曲線坐標具體為：

1)首先求取時間單元Δτ＝1/Fs和位置單元Δx對應的實際大小，其中Fs表示等效采樣頻率；

2)根據(jù)相對介電常數(shù)求出時間單元對應的深度單元Δd＝v·Δτ/2；

3)確定理論雙曲線坐標，理論雙曲線坐標包括位置坐標和深度坐標，位置坐標根據(jù)實際情況已經(jīng)確定，

其中M_i表示位置坐標，N_i表示理論雙曲線對應的深度坐標，理論雙曲線對應的深度坐標N_i對應的范圍為步驟2中第一行最小值到最大值之間的坐標，并將所得理論雙曲線坐標存為一個兩行的矩陣，兩行的矩陣是指將位置坐標存在矩陣的第一行中，深度坐標存在第二行中。

所述步驟4具體為：因提取曲線與理論雙曲線的第一行坐標相同，故只將提取曲線的第二行坐標減去對應的理論雙曲線的第二行坐標，所得即為兩條雙曲線的差值，求此差值對應的均值和方差，通過設定閾值，二次篩選符合條件的雙曲線和相對介電常數(shù)值，圖5顯示了提取曲線與理論雙曲線的匹配結(jié)果。

所述步驟5具體為：步驟4之后，再利用提取曲線與理論雙曲線之間的相關系數(shù)ρ，記錄最大相關系數(shù)對應的雙曲線頂點和相對介電常數(shù)值，掃描所有的相對介電常數(shù)值和雙曲線；將所有篩選出來的頂點位置根據(jù)目標的分辨率確定一個范圍，若出現(xiàn)頂點位置在分辨率不能分辨的范圍內(nèi)，則選擇幅值大的那個頂點位置，即第三次篩選，篩選前目標位置如圖6所示，篩選后目標位置如圖7所示。

以上對本發(fā)明所提供的一種探地雷達雙曲線目標快速檢測方法進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本發(fā)明的限制。