一種基于魯棒主元分析的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)背景去除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及探地雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于魯棒主元分析的探地雷達(dá)數(shù)據(jù) 背景去除方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于收發(fā)天線共置的沖激脈沖探地雷達(dá)，隨著雷達(dá)沿著水平測線移動，并不斷向 地下發(fā)射寬帶電磁波，同時接收地下目標(biāo)體的反射信號，在每一個位置可W得到一組采樣 數(shù)據(jù)，稱為A-SCAN，由一系列A-SCAN數(shù)據(jù)組成二維探地雷達(dá)回波剖面圖，稱為B-SCAN圖像。 所W在進(jìn)行后續(xù)的目標(biāo)檢測、識別W及解譯工作之前，應(yīng)采用有效的預(yù)處理方法，對探地雷 達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，用W壓制噪聲和雜波等背景的干擾，盡可能突出目標(biāo)信號。
[0003] 經(jīng)典的背景去除方法如主元分析方法，是將探地雷達(dá)B-SCAN數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行奇異值 分解，由于接收信號中，地面雜波分量較強(qiáng)，所W大奇異值對應(yīng)的分量為主元，運(yùn)些選定的 主元所合成的信號即是地面雜波的估計值。運(yùn)種方法的關(guān)鍵問題是如何選取主元。選擇不 當(dāng)，則會產(chǎn)生較大誤差，魯棒性差。
[0004] 考慮到探地雷達(dá)數(shù)據(jù)中背景雜波在水平方向通常是幾乎不變的，比如當(dāng)?shù)乇磔^為 平整、介質(zhì)較為均勻時，地表強(qiáng)反射波的時間延遲基本形同，故可W認(rèn)為，探地雷達(dá)所采集 的B-SCAN數(shù)據(jù)中，雜波分量可W用一個低秩矩陣來近似，而目標(biāo)回波數(shù)據(jù)為少數(shù)的異常點(diǎn)， 因此可W用一個稀疏矩陣來近似，因此應(yīng)用魯棒主元分析法能夠有效的將背景雜波和目標(biāo) 回波分離，完成背景雜波的去除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的基本原理：
[0006] 首先對原始探地雷達(dá)B-SCAN數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，由于原始數(shù)據(jù)可能存在直流偏移 量，故將每一道A-SCAN數(shù)據(jù)減去自身均值;之后應(yīng)用滑動平均濾波去除隨機(jī)噪聲，運(yùn)樣會使 原始數(shù)據(jù)中的"毛刺"變得平滑；由于探地雷達(dá)數(shù)據(jù)中背景雜波在水平方向通常是變化緩慢 的，比如當(dāng)?shù)乇磔^為平整、介質(zhì)較為均勻時，地表強(qiáng)反射波的時間延遲基本形同，故可W認(rèn) 為，雜波分量可W用一個低秩矩陣來近似，而目標(biāo)回波數(shù)據(jù)為少數(shù)的異常點(diǎn)，因此可W用一 個稀疏矩陣來近似，因此應(yīng)用魯棒主元分析法能夠有效的將背景雜波和目標(biāo)回波分離，完 成背景雜波的去除。
[0007] 本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)背景去除方法對探地雷達(dá)數(shù)據(jù)背景信號估計不準(zhǔn) 確、魯棒性差的問題，提供一種基于魯棒主元分析的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)背景去除方法。本發(fā)明所 述一種基于魯棒主元分析的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)背景去除方法，按W下步驟進(jìn)行：
[000引步驟一:探地雷達(dá)B-SCAN數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化
[0009] 將探地雷達(dá)B-SCAN數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，使二維數(shù)據(jù)矩陣中的值處于[-1，1]區(qū)間；
[0010] 步驟二:探地雷達(dá)A-SCAN數(shù)據(jù)去除直流偏移；
[0011] 探地雷達(dá)回波數(shù)據(jù)常常出現(xiàn)全部為正或者全部為負(fù)的情況，說明含有直流分量， 需要進(jìn)行壓制，將每一道A-SCAN數(shù)據(jù)減去該道A-SCAN數(shù)據(jù)的均值；
[0012]步驟利用滑動平均濾波法去除探地雷達(dá)B-SCAN圖像隨機(jī)噪聲；
[001引利用一個滑動窗口，選擇窗口寬度為5道，計算窗口內(nèi)的5道A-SCAN數(shù)據(jù)的均值，用 來代替窗口內(nèi)上述5道中的中間道的A-SCAN數(shù)據(jù)；
[0014] 步驟四：魯棒主元分析去除背景
[0015] 對于經(jīng)過上述步驟處理之后的B-SCAN數(shù)據(jù)，進(jìn)行魯棒主元分析，將其分解成一個 低秩矩陣L與一個稀疏矩陣S之和，其中低秩矩陣L作為背景雜波的估計矩陣，稀疏矩陣S作 為探地雷達(dá)回波信號的估計矩陣。
[0016] 本發(fā)明包括W下有益效果：
[0017] 1、利用魯棒主元分析法，相較于傳統(tǒng)的主元分析法，避免因主元選取不當(dāng)引起的 較大誤差；
[0018] 2、傳統(tǒng)的主元分析法，當(dāng)雜波較強(qiáng)時，求解的結(jié)果會出現(xiàn)較大的誤差，而魯棒主元 分析法仍能取得良好效果，魯棒性較強(qiáng)；
[0019] 3、本發(fā)明中，魯棒主元分析法采用非精確拉格朗日乘子法，收斂速度快，運(yùn)算精度 較高，不需要占用過多的存儲空間。
【附圖說明】
[0020] 圖1為一種基于魯棒主元分析的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)背景去除方法總流程圖；
[0021 ]圖2為魯棒主元分析算法流程圖；
[0022] 圖3為原始B-SCAN數(shù)據(jù)灰度圖；
[0023] 圖4為原始單道A-SCA贈的屆圖；
[0024] 圖5為滑動平均濾波前后對比圖；
[0025] 圖6為魯棒主元分析處理后得到的稀疏矩陣灰度圖；
[0026] 圖7為魯棒主元分析處理后得到的低秩矩陣灰度圖；
[0027] 圖8為稀疏矩陣中的單道A-SCA贈的屆圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合圖1至8和具體 實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中圖1為本發(fā)明所述的基于魯棒主元分析的探 地雷達(dá)數(shù)據(jù)背景去除方法總流程圖。
【具體實(shí)施方式】 [0029] 一、本實(shí)施方式所述的一種基于魯棒主元分析的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)背景 去除方法，按W下步驟進(jìn)行：
[0030] 步驟一:探地雷達(dá)B-SCAN數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化
[0031] 將探地雷達(dá)B-SCAN數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，使二維數(shù)據(jù)矩陣中的值處于[-1,1]區(qū)間；
[0032] 步驟二:探地雷達(dá)A-SCAN數(shù)據(jù)去除直流偏移
[0033] 探地雷達(dá)回波數(shù)據(jù)常常出現(xiàn)全部為正或者全部為負(fù)的情況，說明含有直流分量， 需要進(jìn)行壓制，將每一道A-SCAN數(shù)據(jù)減去所有A-SCAN數(shù)據(jù)的均值；
[0034] 步驟利用滑動平均濾波法去除探地雷達(dá)B-SCAN圖像隨機(jī)噪聲
[0035] 利用一個滑動窗口，選擇窗口寬度為5道，計算窗口內(nèi)的5道A-SCAN數(shù)據(jù)的均值，用 來代替窗口內(nèi)上述5道中的中間道的A-SCAN數(shù)據(jù)；
[0036] 步驟四：魯棒主元分析去除背景
[0037] 對于經(jīng)過上述步驟處理之后的B-SCAN數(shù)據(jù)，進(jìn)行魯棒主元分析，將其分解成一個 低秩矩陣L與一個稀疏矩陣S之和，其中低秩矩陣L作為背景雜波的估計矩陣，稀疏矩陣S作 為探地雷達(dá)回波信號的估計矩陣。
[0038] 本實(shí)施方式包括W下有益效果：
[0039] 2、利用魯棒主元分析法，相較于傳統(tǒng)的主元分析法，避免因主元選取不當(dāng)引起的 較大誤差；
[0040] 2、傳統(tǒng)的主元分析法，當(dāng)雜波較強(qiáng)時，求解的結(jié)果會出現(xiàn)較大的誤差，而魯棒主元 分析法仍能取得良好效果，魯棒性較強(qiáng)；
[0041] 3、本發(fā)明中，魯棒主元分析法采用非精確拉格朗日乘子法，收斂速度快，運(yùn)算精度 較高，不需要占用過多的存儲空間。
【具體實(shí)施方式】 [0042] 二、本實(shí)施方式是對一所述的一種基于魯棒主元分析 的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)背景去除方法的進(jìn)一步說明，步驟一所述的將探地雷達(dá)B-SCAN數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 處理具體過程如下：
[0043] B-SCAN數(shù)據(jù)D為mXn的矩陣，且所有元素的值處于區(qū)間[MIN，MAX]，那么做W下標(biāo) 準(zhǔn)化處理：
[0045] 標(biāo)準(zhǔn)化后的B-SCAN數(shù)據(jù)取值范圍變?yōu)閇-1，1 ]。
【具體實(shí)施方式】 [0046] =、本實(shí)施方式是對一或二所述的一種基于魯棒主元 分析的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)背景去除方法的進(jìn)一步說明，步驟二所述探地雷達(dá)A-SCAN數(shù)據(jù)去除直 流偏移具體過程如下：
[0047] 探地雷達(dá)B-SCAN數(shù)據(jù)中的每一列都稱之為一道A-SCAN，將B-SCAN數(shù)據(jù)D寫成A-SCAN的集合：
[0048] D= [Al, A2,..., An]
[0049] 其中Ai=[aii，ai2, . . .，aim]T表示i第道A-SCAN數(shù)據(jù)。對每一道A-SCAN數(shù)據(jù)做如下處 理：
[0051 ]得到去除了直流分量的數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】 [0052] 四、本實(shí)施方式是對一至=之一所述的一種基于魯棒 主元分析的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)背景去除方法的進(jìn)一步說明，步驟=所述利用滑動平均濾波法去 除探地雷達(dá)B-SCAN圖像隨機(jī)噪聲具體過程如下：
[0053] 將窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)W列為單位取均值代替當(dāng)前列，可W消除圖像中的高頻噪聲干 擾;算法設(shè)計如下：
[0054] 對于m Xn的數(shù)據(jù)矩陣，選擇滑動窗口寬度為5道，隨著窗口的滑動，對窗口內(nèi)的5道 A-SCAN求均值，代替當(dāng)前窗口中間道的A-SCAN數(shù)據(jù);公式如下：
[0055] 對于邊緣的A-SCAN數(shù)據(jù)，最前兩道數(shù)據(jù)作如下處理：
[0056] A'I = Ai
[005引最后兩道數(shù)據(jù)，做相同處理：
[0059] A'n = An
[0061]對于中間道數(shù)據(jù)，做如下處理：
[0063] 得到的處理后的數(shù)據(jù)為D' = [A/i，A'2, . . .，A'n]。
【具體實(shí)施方式】 [0064] 五、本實(shí)施方式是對一至四之一所述的一種基于魯棒 主元分析的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)背