基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法
【專利摘要】基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法，屬于雷達成像領域。傳統后向投影成像方法存在對雜波、噪聲抑制能力不足的問題。一種基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法，對于任意成像點A，利用時延計算成像點在各通道的散射響應幅值xA,k＝rk(t)，t＝τA,k；通過邊緣提取獲得雙曲線回波上的點對應的響應幅值構造窗函數；對各通道的散射響應幅值xA,k進行加權，然后相干疊加完成對A點的成像；遍歷所有成像點完成整個成像過程。本發明利用窗函數對散射幅度進行加權處理，改進了目標檢測的精度，提高了對噪聲、雜波干擾的抑制能力。
【專利說明】
基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法
技術領域
[0001] 本發明屬于雷達成像領域，具體涉及一種基于幅度加權的探地雷達后向投影成像 方法。
【背景技術】
[0002] 探地雷達(Ground Penetrating Radar,GPR)通過向地下媒質發射高頻電磁波，利 用電磁波在媒質電磁特性不連續處產生的反射、散射來實現地下目標檢測與識別。隨著信 號處理技術的發展和電子器件水平的提高，高分辨率數據處理和目標成像技術成為了探地 雷達最有應用前景的處理方法。
[0003] 探地雷達關于理想點目標的回波模型呈雙曲線形狀。為了提高圖像的方位分辨 率，一般采用合成孔徑成像技術(SAR)來對雙曲線進行聚焦處理，實現對目標的精確定位。 探地雷達在地面沿觀測線方向移動時向地面發射高頻電磁波，在每條孔徑處的回波信號中 都記錄了目標的位置信息，掃過整個區域后即完成了合成孔徑掃描。
[0004] 目前最具有代表性的成像方法分別為時域上的后向投影(Back Projection，BP) 成像方法和頻域上的距離偏移(Range Migration，RM)成像方法。
[0005] ( - )后向投影成像方法。這類方法通過求出成像點后向散射回波的相干疊加結果 后，再求其幅度即可得到該點的后向散射強度，其基本思想可以用"延遲-求和"概括。后向 投影成像方法最早應用于計算機層析成像，因原理類似，在Munson，D. C.，J. D. 0 'Brien，and ff.Jenkins.tomographic formulation of spotlight-mode synthetic aperture radar. 〃P:roceedings ofthe IEEE 71.8(1983) :917-925(聚束模式合成孔徑雷達的層析成 像）.，中使用后向投影成像方法進行合成孔徑成像；Halman，J. I .，K.Shubert，and G·T·Ruck·〃SAR processing of ground-penetrating radar data for buried UX0 detection:results from a surface-based system,IEEE Transactions on Antennas& Propagation 46.7(1998): 1023-1027(地下未爆炸武器探地雷達合成孔徑成像）.中利用后 向投影方法對地下未爆炸武器進行了三維成像，證明了該方法對地下目標成像的準確性； Cui , Guo long , L. Kong , and J.Yang,A Back-Projection Algorithm to Stepped-Frequency Synthetic Aperture Through-the-ffal1 Radar Imaging."Synthetic Aperture Radar,2007.APSAR 2007.1st Asian and Pacific Conference on 2007:123-126( -種頻率步進孔徑雷達的反投影算法）.中將后向投影方法應用于穿墻雷達成像，證明 了該方法可以進行穿墻高質量成像。這類方法對地下各類隨機噪聲和雜波干擾的抑制能力 有限，導致回波信號的信噪比達不到要求，嚴重影響成像結果。
[0006] (二)距離偏移成像方法。這類方法的信號處理過程在頻域中進行，其關鍵在于頻 域上的Stolt插值處理。最早在Mast J E.Microwave pulse-echo radar imaging for the nondestructive evaluation of civil structures[D].Urbana, Illinois :University of Illinois at Urbana-Champaign，1993(微波脈沖回波成像對土木結構無損檢測的研 究）·中提出應用于探地雷達的距離偏移成像方法;Gu，K.，G.Wang，and J.Li · "Migration based SAR imaging for ground penetrating radar systems·"Radar，Sonar and Navigation，IEE Proceedings-151.5(2004) :317-325(基于偏移成像的探地雷達系統）·中 指出相比于射線追蹤合成孔徑方法，距離偏移方法由于其在空氣-地面對斜入射波處理簡 單、直觀的優點更適合對地下目標進行成像；Lopera, Olga, et al · "Filtering Soil Surface andAntennaEffects From GPRData to Enhance Landmine Detection·〃IEEE Transactions on Geoscience&Remote Sensing 45.3(2007) :707-717(提高地雷檢測的方 法：消除土壤表面和GPR數據的天線效應）.中通過線性變換和格林函數濾波對探地雷達回 波數據進行了更好的預處理，提高了圖像的成像質量。這類方法的問題在于當存在分層介 質時并不符合該方法的初始條件，從而使Stolt插值不能很好地找到頻域的回波數值，導致 成像結果很差，雙曲線無法聚焦，嚴重影響了目標的檢測與定位。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是為了有效提高后向投影方法對雜波、噪聲干擾的抑制能力，針對 地下目標成像，提出一種基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法。
[0008] -種基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法，所述方法通過以下步驟實現：
[0009] 步驟一、設定探地雷達的總通道數為M，計算成像區域內任意一個成像點A到各個 通道的雙程時延，那么，成像點A到第k個通道的雙程時延i A,k表示為：
[0010]
[0011] 其中，成像點A坐標為A(XA，zA);
[0012] 式中，k表示通道序號，且k=l，2,......，M;iA,k表示成像點A到第k個通道的雙程 時延;V表示電磁波在介質中的傳播速度，v = e /:$，C表示電磁波在真空中傳播的速度，大 小為3.0 X 108m/s，ε為介質的介電常數；
[0013] 步驟二、通過公式XA,k = rk(t)計算成像點Α在各通道的散射響應幅值XA,k，其中t = TA，k;
[0014]式中，rk(t)表示探地雷達在各通道的回波數據；
[0015] 步驟三、構造窗函數W;
[0016]步驟四、利用步驟三中構建的窗函數掃描成像點A，進行成像點A的成像過程；
[0017]步驟五、重復步驟一至步驟四的過程，遍歷成像區域所有成像點，則完成了成像過 程。
[0018] 本發明的有益效果為：
[0019] 本發明的基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法為探地雷達合成孔徑成像 開辟了一條新途徑，在經典的后向投影成像方法的基礎上對探地雷達回波信號進行加權， 獲得的信噪比和成像分辨率與現有經典后投影成像技術相比能提高40-60%;改善了經典 后向投影成像算法對噪聲、雜波干擾抑制能力較差的缺點，與實物相比所成像的成像質量 達98%。本發明可應用于需要高分辨率成像的探地雷達成像領域，利用本文中所提出的窗 函數對散射幅度進行加權處理，改進了目標檢測的精度，對噪聲、雜波干擾的抑制能力提高 30%左右。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明涉及的預處理后的探地雷達回波B-scan圖像；
[0021] 圖2為本發明涉及的經典后向投影成像方法的成像結果；
[0022] 圖3為本發明涉及的基于幅度加權的后向投影方法（Delay-Weight-Sum algorithm，DWS algorithm)的成像結果，
[0023] 圖4為本發明涉及的兩種成像方法在X軸的剖面圖對比；
[0024] 圖5為本發明涉及的兩種成像方法在Y軸的剖面圖對比；
[0025]圖6為本發明的流程圖。
【具體實施方式】
[0026]【具體實施方式】一：
[0027] 本實施方式的基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法，結合圖6的流程圖，所 述方法通過以下步驟實現：
[0028] 步驟一、設定探地雷達的總通道數為M，計算成像區域內任意一個成像點A到各個 通道的雙程時延，那么，成像點A到第k個通道的雙程時延i A,k表示為：
[0029]
[0030] 其中，成像點A坐標為A(XA，zA);
[0031] 式中，k表示通道序號，且k=l，2,......，M;iA,k表示成像點A到第k個通道的雙程 時延;V表不電磁波在介質中的傳播速度，.V .= C· /士 ,c表不電磁波在真空中傳播的速度，大 小為3.0 X 108m/s，ε為介質的介電常數；
[0032] 步驟二、通過公式XA,k = rk(t)計算成像點Α在各通道的散射響應幅值XA,k，其中t = TA，k;
[0033]式中，rk(t)表示探地雷達在各通道的回波數據；
[0034] 步驟三、構造窗函數W;
[0035] 步驟四、利用步驟三中構建的窗函數掃描成像點A，進行成像點A的成像過程；
[0036] 步驟五、重復步驟一至步驟四的過程，遍歷成像區域所有成像點，則完成了成像過 程。
[0037]【具體實施方式】二：
[0038] 與【具體實施方式】一不同的是，本實施方式的基于幅度加權的探地雷達后向投影成 像方法，步驟二所述計算成像點A在各通道的散射響應幅值的過程為，首先，設探地雷達各 通道的回波用rk⑴表示，然后得成像點A在各通道的散射響應幅值^^分別為^^=^^)4 = TA,k;式中，k表示通道序號，且k=l，2,......，M。
【具體實施方式】 [0039] 三：
[0040] 與【具體實施方式】一或二不同的是，本實施方式的基于幅度加權的探地雷達后向投 影成像方法，步驟三所述構造窗函數W的過程為，
[0041] 步驟三一、設雙曲線的水平區域對應m個通道，分別為lu，k2, ...，km;對獲得的探地 雷達B-scan圖像進行邊緣提取，得到雙曲線上的點對應的響應幅值分別為m，u2,......， um，并構造一個1 XM維的矢量W'，且：
[0042]
[0043] 其中，Μ表示總通道數，m表示探地雷達回波雙曲線水平區域占據的通道數；
[0044] 步驟三二、設總通道數Μ和雙曲線對應的通道數m都是偶數，
[0045]步驟三三、對獲得的矢量W'進行歸一化處理，則得到了基于幅度加權的探地雷達 后向投影成像方法中使用的窗函數W，窗函數W表示為：
[0046]
[0047]【具體實施方式】四：
[0048]與【具體實施方式】三不同的是，本實施方式的基于幅度加權的探地雷達后向投影成 像方法，步驟四所述利用步驟三中構建的窗函數掃描成像點A，進行成像點A的成像過程具 體為，
[0049] 利用步驟三中構建的窗函數W對步驟二中成像點A在各通道的散射響應幅值XA,k構 成的Xa=(xa,i，xa,2,......，χα,μ)進行加權;然后將加權后的各通道回波相干疊加，獲得成 像點Α的散射幅度信息，完成對成像點Α的成像過程。
【具體實施方式】 [0050] 五：
[0051] 與【具體實施方式】四不同的是，本實施方式的基于幅度加權的探地雷達后向投影成 像方法，所述的完成對成像點A的成像過程后，得到成像結果表示為：
[0052]
【具體實施方式】 [0053] 六：
[0054] 與【具體實施方式】四或五不同的是，本實施方式的基于幅度加權的探地雷達后向投 影成像方法，所述的進行對成像點A的成像過程中，
[0055] 當窗函數掃過非目標成像點時，對該成像點幅度加權值改變不大；
[0056] 當窗函數掃過目標成像點時，窗函數與目標成像點形成的幅度曲線重合，基于波 束形成和匹配濾波器的原理可知，此時對幅值的改變最大，從而達到了抑制旁瓣與改進分 辨力的目的，提高了信噪比。
[0057]仿真實驗：
[0058] 計算成像點對應于每個合成孔徑位置的延時;找到成像點對應于每個合成孔徑位 置的散射強度;利用窗函數對散射強度進行加權后相干疊加獲得該點的成像結果;遍歷所 有成像區域，完成對整個區域的成像。
[0059] 其中，圖2為經典后向投影成像方法對圖1處理后的聚焦結果，圖3為本發明涉及的 后向投影成像方法對圖1處理后的聚焦結果。
[0060] 仿真結果證明：
[0061] 圖3與圖2相比可知。本發明的基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法，在經 典的后向投影成像方法的基礎上對探地雷達回波信號進行加權，能夠獲得更好的信噪比和 成像分辨率，改善了經典后向投影成像算法對噪聲、雜波干擾抑制能力較差的缺點，提高了 成像質量。本發明可應用于需要高分辨率成像的探地雷達成像領域，利用本文中所提出的 窗函數對散射幅度進行加權處理，改進了目標檢測的精度，提高了對噪聲、雜波干擾的抑制 能力。
[0062]本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，本領域 技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于 本發明所附的權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法，其特征在于:所述方法通過W下 步驟實現： 步驟一、設定探地雷達的總通道數為M，計算成像區域內任意一個成像點A到各個通道 的雙程時延，那么，成像點A到第k個通道的雙程時延TA,k表示為：其中，成像點A坐標為A(xa，za); 式中，k表示通道序號，且k=l，2,......，M;T、k表示成像點A到第k個通道的雙程時延； V表示電磁波在介質中的傳播速度，.V - e / ，C表示電磁波在真空中傳播的速度，大小為 3.0X108m/s，e為介質的介電常數； 步驟二、通過公式XA,k = rk(t)計算成像點A在各通道的散射響應幅值XA,k，其中t = TA,k; 式中，rk (t)表示探地雷達在各通道的回波數據； 步驟Ξ、構造窗函數W; 步驟四、利用步驟Ξ中構建的窗函數掃描成像點A，進行成像點A的成像過程； 步驟五、重復步驟一至步驟四的過程，遍歷成像區域所有成像點，則完成了成像過程。2. 根據權利要求1所述基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法，其特征在于:步驟 二所述計算成像點A在各通道的散射響應幅值的過程為，首先，設探地雷達各通道的回波用 rk(t)表示，然后得成像點A在各通道的散射響應幅值XA,k分別為別,1< ='如），* =叫山式中^ 表示通道序號，且k=l，2,......，M。3. 根據權利要求1或2所述基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法，其特征在于： 步驟Ξ所述構造窗函數W的過程為， 步驟Ξ -、設雙曲線的水平區域對應m個通道，分別為kl，k2, ...，km;對獲得的探地雷達 B-scan圖像進行邊緣提取，得到雙曲線上的點對應的響應幅值分別為m，U2,......，加，并 構造一個1XM維的矢量：其中，Μ表示總通道數，m表示探地雷達回波雙曲線水平區域占據的通道數； 步驟Ξ二、設總通道數Μ和雙曲線對應的通道數m都是偶數， 步驟ΞΞ、對獲得的矢量W'進行歸一化處理，則得到了基于幅度加權的探地雷達后向 投影成像方法中使用的窗函數W，窗函數W表示為：4. 根據權利要求3所述基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法，其特征在于:步驟 四所述利用步驟Ξ中構建的窗函數掃描成像點A，進行成像點A的成像過程具體為，利用步 驟^中構建的窗函數W對步驟二中成像點A在各通道的散射響應幅值XA,k構成的Xa=(xa,i， XA.2,......，XA,Μ)進行加權;然后將加權后的各通道回波相干疊加，獲得成像點A的散射幅 度信息，完成對成像點A的成像過程。5. 根據權利要求4所述基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法，其特征在于:所述 的完成對成像點A的成像過程后，得到成像結果表示為：6. 根據權利要求4所述基于幅度加權的探地雷達后向投影成像方法，其特征在于:所述 的進行對成像點A的成像過程中， 當窗函數掃過非目標成像點時，對該成像點幅度加權值改變不大； 當窗函數掃過目標成像點時，窗函數與目標成像點形成的幅度曲線重合，對幅值的改 變最大。
【文檔編號】G01S13/90GK105974405SQ201610289347
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】李高鵬, 張明昊, 謝青青, 田文龍, 趙彬
【申請人】哈爾濱工業大學