[发明专利]一种基于奇异值缩放的探地雷达数据增强方法

说明书

本发明采用零偏置模式探地雷达，以B扫描得到的探地雷达数据为基础，采用奇异值分解对原始数据进行分解，然后再利用奇异值缩放函数改变奇异值的大小，最后计算得到增强后的探地雷达数据，使得探地雷达数据中的弱信号得到增强，强干扰得到减弱。

技术领域

本发明属于计算机数字图像处理领域，算法以奇异值分解为基础，采用奇异值缩放函数改变奇异值的大小，实现探地雷达数据增强。

背景技术

探地雷达向地下发送脉冲形式的高频宽带电磁波，一部分经发射天线直接到达接收天线形成耦合波；经发射天线发射后遇空气与路面分界面后未进入地下而直接反射回来被接收天线接收，形成直达波，耦合波和直达波常常被合称直耦波，常常用来判断时间零点，作为地下目标体深度的判断参考依据，另一部分电磁波进入地下，在地下介质中传播，当遇到存在电性差异的地下目标体(如空洞、水囊及疏松等)或不同介质界面时，电磁波便产生反射，反射电磁波返回到地面时由接收天线所接收。接收信号经过采集、处理、存储，就成为包含有地下介质信息的探地雷达数据。

探地雷达数据受到浅部直达波干扰严重，需要进行滤除。同时，深部探地雷达信号较弱，需要进行有效增强。这就需要研究探地雷达数据增强方法，既要滤除浅部直达波，又要增强深部信号。为实现这一目标，采用奇异值分解方法将探地雷达数据分解为正交矩阵和奇异值矩阵，依据奇异值缩放函数改变奇异值的大小，实现探地雷达数据增强。奇异值分解是线性代数中一种重要的矩阵分解，奇异值分解是特征值分解在任意矩阵上的推广。奇异值分解在信号处理、统计学等领域有重要应用。

发明内容

本发明的目的是根据探地雷达数据的特点，采用奇异值分解方法将探地雷达数据分解为正交矩阵和奇异值矩阵，依据奇异值缩放函数改变奇异值的大小，实现探地雷达数据增强。本方法按照以下步骤从探地雷达数据中分离出有效信号：

步骤(A1)：对探地雷达数据D(i,j)，其中i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，进行奇异值分解，得到D＝USV，其中，n为探地雷达数据的行数，m为探地雷达数据的列数，S＝[diag(σ₁,σ₂,...,σ_n)]为奇异值矩阵，U,V均为正交矩阵，σ₁,σ₂,...,σ_n为探地雷达数据D的奇异值；

步骤(A2)：为使探地雷达数据中的弱信号得到增强，强干扰得到减弱，通过奇异值缩放函数改变奇异值的大小，缩放后的奇异值满足

其中，n为雷达数据的行数，c为真空中的电磁波波速，ε为条件阈值，β,C为常数；

步骤(A3)：经过奇异值缩放函数缩放后的奇异值矩阵为获得增强后的探地雷达数据为D′＝US′V。

本发明有以下优点：

1、通过本发明提出的奇异值缩放函数，能够在减弱直达波强干扰的同时增强弱信号，实现探地雷达数据的增强。

2、奇异值分解方法无需参数求解和迭代优化过程，本发明能够快速完成探地雷达数据的增强。

附图说明

图1本发明探地雷达数据增强流程详图

图2本发明探地雷达数据增强流程图

具体实施方式

本发明针对零偏置模式下探地雷达B扫描数据存在较强直达波干扰及深部信号衰减严重的问题，以奇异值分解为基础，依据奇异值缩放函数改变奇异值的大小，将较大的奇异值通过非线性变换为较小的奇异值，较小的奇异值通过非线性变换为较大的奇异值，实现探地雷达数据增强。

基于奇异值缩放的探地雷达数据增强有2种处理流程，第1种流程是直接对探地雷达数据进行增强，要求探地雷达数据的列数大于等于探地雷达数据的行数，具体步骤如下：