基于稀疏表示的地下隱藏裂縫填充物識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超寬帶探地雷達(dá)弱小目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于稀疏表示的地 下隱藏裂縫填充物識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超寬帶探地雷達(dá)的抗干擾性強(qiáng)、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)使其在道路橋梁的裂縫探測(cè)中具 有重要的發(fā)展運(yùn)用前景，在地下隱藏異質(zhì)體裂縫的探測(cè)實(shí)現(xiàn)中對(duì)于異質(zhì)體裂縫的介電常數(shù) 和幾何結(jié)構(gòu)的探測(cè)更是十分棘手的問(wèn)題，是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。針對(duì)道路橋梁中隱 藏的裂化隱患，通過(guò)常規(guī)GPR設(shè)備對(duì)瀝青路面的裂縫進(jìn)行大量的探測(cè)研究表明，探地雷達(dá)可 以探測(cè)裂縫表面的位置，但是裂縫填充物起到重要的作用，如果填充物語(yǔ)周?chē)嘿|(zhì)有近乎 相同的介電常數(shù)，裂縫探測(cè)變得困難。再加上探底雷達(dá)高分辨率的要求，需要采集數(shù)據(jù)量激 增，對(duì)數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)顯示帶來(lái)困難，針對(duì)地下隱藏裂縫填充物的識(shí)別問(wèn)題仍未得到有效 解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于稀疏表示的地下隱藏裂縫填充物識(shí) 別方法，其具有減少采樣數(shù)據(jù)量和精確度高的特點(diǎn)。
[0004] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 基于稀疏表示的地下隱藏裂縫填充物的識(shí)別方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1，構(gòu)建具有不同填充物的地下隱藏裂縫的模擬探測(cè)場(chǎng)景，并通過(guò)探地雷達(dá)向 所構(gòu)建的模擬探測(cè)場(chǎng)景發(fā)射信號(hào)，獲取不同裂縫填充物的模擬回波信號(hào)；
[0007] 步驟2,分別對(duì)探地雷達(dá)獲取的不同裂縫填充物的模擬回波信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分 解處理，并將得到的模擬經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量與模擬回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，將與模擬回波信 號(hào)相關(guān)性大的模擬經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量選為最優(yōu)模擬經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量；
[0008] 步驟3,分別對(duì)探地雷達(dá)獲取的不同裂縫填充物的模擬回波信號(hào)進(jìn)行小波分解處 理，并將得到的模擬小波分解系數(shù)與模擬回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，將與模擬回波信號(hào)相 關(guān)性大的模擬小波分解系數(shù)選為最優(yōu)模擬小波分解系數(shù)；
[0009] 步驟4,將每種裂縫填充物的最優(yōu)模擬小波分解系數(shù)分別與該裂縫填充物的最優(yōu) 模擬經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量進(jìn)行相關(guān)性分析，將與最優(yōu)模擬經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量相關(guān)性大的最優(yōu)模擬小波 分解系數(shù)作為該裂縫填充物的模擬回波信號(hào)的模擬特征分量；
[0010] 步驟5,將各種填充物的模擬特征分量作為新建過(guò)完備字典的基，構(gòu)造字典；
[0011] 步驟6,通過(guò)探地雷達(dá)向待識(shí)別的實(shí)際探測(cè)場(chǎng)景發(fā)射信號(hào)，獲取該實(shí)際探測(cè)場(chǎng)景的 地下隱藏裂縫填充物的實(shí)測(cè)回波信號(hào)；
[0012] 步驟7,對(duì)探地雷達(dá)獲取的地下隱藏的裂縫填充物的實(shí)測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài) 分解處理，并將得到的實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量與實(shí)測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，將與實(shí)測(cè)回波 信號(hào)相關(guān)性大的實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量選為最優(yōu)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量；
[0013] 步驟8,對(duì)探地雷達(dá)獲取的地下隱藏的裂縫填充物的實(shí)測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行小波分解 處理，并將得到的實(shí)測(cè)小波分解系數(shù)與實(shí)測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，將與實(shí)測(cè)回波信號(hào) 相關(guān)性大的實(shí)測(cè)小波分解系數(shù)選為最優(yōu)實(shí)測(cè)小波分解系數(shù)；
[0014] 步驟9,將地下隱藏的裂縫填充物的最優(yōu)實(shí)測(cè)小波分解系數(shù)分別與該地下隱藏裂 縫填充物的最優(yōu)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量進(jìn)行相關(guān)性分析，將與最優(yōu)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量相關(guān)性大 的最優(yōu)實(shí)測(cè)小波分解系數(shù)作為該地下隱藏的裂縫填充物的實(shí)測(cè)回波信號(hào)的實(shí)測(cè)特征分量；
[0015] 步驟10,通過(guò)壓縮感知重構(gòu)方法，將步驟9所得的實(shí)測(cè)特征分量與步驟5所構(gòu)造的 字典進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)分辨，由此確定實(shí)際探測(cè)場(chǎng)景的地下隱藏的裂縫填充物的種類(lèi)。
[0016] 上述方案中，所述裂縫填充物為空氣、水和金屬。
[0017]上述方案中，所述模擬回波信號(hào)和實(shí)測(cè)回波信號(hào)均為A-Scan回波數(shù)據(jù)。
[0018] 步驟10中，壓縮感知重構(gòu)方法的稀疏度取為1。
[0019] 本發(fā)明通過(guò)分析不同地下隱藏裂縫填充物的回波信號(hào)，建立了裂縫的仿真模型和 電磁場(chǎng)方程。再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和小波分解提取特征，并利用壓縮感知重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)了 地下隱藏裂縫的探測(cè)識(shí)別。本發(fā)明結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和小波分解提取特征的優(yōu)點(diǎn)，先通過(guò) 對(duì)不同地下裂縫填充物的回波信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，將得到的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量與被分解信 號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到最優(yōu)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量。然后再將原回波信號(hào)進(jìn)行小波分解，將得到的 小波分解系數(shù)與被分解信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到最優(yōu)小波分解系數(shù)。最后將最優(yōu)經(jīng)驗(yàn)?zāi)?態(tài)分量和最優(yōu)小波分解系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，將與最優(yōu)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)相關(guān)性大的最優(yōu)小波分解 系數(shù)作為新建過(guò)完備字典的基。在得到過(guò)完備字典之后，再用相同的方法以上相同的方法 處理要求被識(shí)別的信號(hào)，得到該信號(hào)的最優(yōu)特征分量。最后將過(guò)完備字典和待識(shí)別最優(yōu)分 量代入壓縮感知重構(gòu)算法，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)識(shí)別。本發(fā)明通過(guò)對(duì)不同回波信號(hào)的分解分 量進(jìn)行最優(yōu)化處理，避開(kāi)了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解分量不正交的缺點(diǎn)的同時(shí)，又解決了小波分解時(shí)， 小波基和分解層數(shù)選取多樣化的問(wèn)題，能夠得到切合度很高的特征分量，增加了分辨的準(zhǔn) 確性。因此，對(duì)超寬帶探地雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用具有極大的意義。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0021] (1)減少數(shù)據(jù)采集量。目前大部分的識(shí)別算法所處理的采集數(shù)據(jù)，都是基于奈奎斯 特采樣定律，這樣隨著數(shù)據(jù)處理量的增加，采集的數(shù)據(jù)也隨著大幅度增多，給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng) 帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)。相對(duì)而言，本發(fā)明基于稀疏的識(shí)別方法，通過(guò)利用壓縮感知的重構(gòu)算 法，大大的減少了所需數(shù)據(jù)量。
[0022] (2)抗干擾性強(qiáng)。目前探地雷達(dá)的運(yùn)用領(lǐng)域多是地下目標(biāo)探測(cè)。在探測(cè)過(guò)程中，雷 達(dá)會(huì)接收到各種雜波以及噪聲，這會(huì)影響到目標(biāo)體的探測(cè)識(shí)別。本發(fā)明通過(guò)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài) 分解和小波分解提取數(shù)據(jù)特征分量的優(yōu)點(diǎn)，在回避兩種方法缺點(diǎn)的同時(shí)又提取到了與回波 信號(hào)切合度高的特征分量，成功的排除了雜波與噪聲的影響，故本發(fā)明具有抗干擾性的優(yōu) 點(diǎn)。
[0023] (3)識(shí)別率高。相對(duì)于已有的探地雷達(dá)地下隱藏目標(biāo)識(shí)別算法而言，本發(fā)明因?yàn)榻Y(jié) 合了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和小波分解提取數(shù)據(jù)特征的優(yōu)點(diǎn)，能夠提取到與原信號(hào)切合度高的特征 分量，故其探測(cè)識(shí)別效果更精確。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為地下裂縫探測(cè)示意圖。
[0025] 圖2為裂縫填充物分別為空氣、水和金屬時(shí)的A-scan回波。
[0026] 圖3(a)_(c)分別為裂縫填充物是空氣、水和金屬填充物原回波信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分 量和小波分解系數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)。
[0027] 圖4(a)_(c)分別為實(shí)測(cè)裂縫填充物為空氣、水和金屬時(shí)10%數(shù)據(jù)量分辨結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0028] -種基于稀疏的地下隱藏裂縫填充物識(shí)別方法，如圖1所示，包括如下步驟：
[0029] 第一步，通過(guò)先驗(yàn)知識(shí)構(gòu)建探測(cè)模型以及裂縫散射電磁場(chǎng)方程，構(gòu)建具有不同裂 縫填充物的地下隱藏裂縫的模擬探測(cè)場(chǎng)景，并通過(guò)探地雷達(dá)向所構(gòu)建的模擬探測(cè)場(chǎng)景發(fā)射 模擬發(fā)射信號(hào)，獲取不同裂縫填充物的模擬回波信號(hào)。進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的裂縫填充物可以盡 量多的進(jìn)行選取，如可以為空氣、水、金屬、各種液體及其混合物等等。在比對(duì)模擬數(shù)據(jù)的儲(chǔ) 備階段，所構(gòu)建的模擬探測(cè)場(chǎng)景中的裂縫填充物的種類(lèi)越多，則在實(shí)測(cè)過(guò)程中，所能夠識(shí)別 出的地下隱藏裂縫填充物的種類(lèi)也越多。圖2為裂縫填充物分別為空氣、水和金屬時(shí)的A-scan回波。
[0030] 設(shè)天線位置為PQ(XQ，ZQ)，發(fā)射脈沖信號(hào)為SQ(t)，福射的電場(chǎng)強(qiáng)度為Eo,根據(jù)菲涅爾 定律，天線感應(yīng)到的裂縫上表面Pi(XI，Z1)處的散射電場(chǎng)表達(dá)式如下：
[0032]散射回波表達(dá)式如下：
[0034]天線感應(yīng)到的下表面p2(X2，Z2)散射電場(chǎng)表達(dá)式如下：
[0036]下表面散射回波表達(dá)式如下：
[0038] 則雷達(dá)接收的總回波表達(dá)式如下：
[0039] s(t, ￡i) = si(t, Ei)+S2(t, ￡i) (5)
[0040] 上式中，ει表示均勻環(huán)境的介電常數(shù)，￡l表示裂縫填充材料的介電常數(shù)，i表示裂縫 填充材料種類(lèi)數(shù)，η表示 P1位置處的電磁波菲涅爾水平分量反射系數(shù)，t表示P1位置處的電 磁波菲涅爾水平分量折射系數(shù)，^表示p 2位置處的電磁波菲涅爾水平分量反射系數(shù)，^表示 P3位置處的電磁波菲涅爾水平分量折射系數(shù)，Θ:表示電磁波入射角，表示電磁波折射角，s 為電磁波傳播過(guò)程中的衰減因子，Φ表示相移，η表示采樣噪聲，表示逆傅里葉變換。 [0041 ] 本發(fā)明中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的條件，在長(zhǎng)2.0m，寬1.8m，深0.6m的沙坑中埋一個(gè)長(zhǎng)0.2m、 直徑為0.06m的礦泉水瓶，沙子的介電常數(shù)為4.67。水瓶的上表面到沙表面的距離為0.2m， 水瓶的填