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《中国海洋大学》 2011年 博士论文
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浅埋地层探地雷达信号处理与目标识别研究

高翔  
【摘要】:地雷是一种常规防御性武器,通常埋入地下或布设于地表,通过触发后的爆炸杀伤目标,由于其成本低廉且效果显著而被许多国家和组织所使用。然而地雷虽“易布”却“难排”,战后遗留的地雷对普通百姓的生命财产安全造成了严重威胁,极大地制约了当地的战后重建与经济发展。 在国际人道主义扫雷的实践中,探地雷达发挥了重要作用。探地雷达是一种非接触式探测仪器,利用不同地下介质电磁特性的差异,通过发射高频电波并接受其反射信号实现对地下环境的探测。与对空雷达不同,探地雷达所面对的是具有非均匀性、强衰减性及色散效应的地下有耗介质,电磁波传播环境复杂多变。探地雷达发射的电磁波在土壤中传播的最小波长应小于或等于埋地目标的最大物理尺寸,否则电磁波无法被目标反射。探地雷达的产生最早可追溯至上世纪初,早期的探地雷达一般以中深层的地质环境探测为主,对于直径在10cm左右、埋藏在地表下0.5米以内的浅地层小目标却无能为力。浅地层小目标的探测一般采用近场工作模式,对信号分辨率与处理速度要求较高,需采用发射时间间隔短、信号频谱覆盖范围宽的超宽带探地雷达才能满足要求。上世纪九十年代以来,随着超宽带探地雷达技术逐步发展成熟,针对浅地层小目标的探测才变为可能。 本文以超宽带探地雷达检测浅地层反单兵地雷及其他埋设物为研究内容,结合超宽带脉冲体制探地雷达所测数据,围绕探地雷达信号的预处理、目标检测、目标特征提取以及目标识别等关键问题展开研究,主要内容包括: 1.在探地雷达信号的杂波抑制方面,利用主元分析与线性预测模型,提出了一种将主元分析的次分量子空间与自适应双边线性预测相结合的杂波抑制方法。此方法首先通过主元分析选取B-scan数据的次分量进行子空间重构,再选取与当前扫描道前后相隔一定距离的双边参考道对当前扫描道进行线性预测,并采用递推最小二乘法对前后相邻A-scan的相关性加以利用。该方法综合了B-scan的全局信息、前后双边A-scan的参考信息以及相邻A-scan的递推信息三个方面,对比实验证实其能够达到较好的杂波抑制效果。 2.对于B-scan信号中的目标双曲线检测与定位,本文从面向区域描述与面向线条描述两个角度进行了研究。在面向区域描述的目标检测中,针对目标双曲线的上升沿、水平沿和下降沿,使用多方向多尺度的Gabor小波滤波器对B-scan进行滤波,通过计算滤波后所得各分量图像的能量比来确定目标区域位置。在面向线条描述的目标检测中,提出了一种基于图像形态学的综合处理方法来实现对畸变双曲线线条的检测。在目标检测的基础上,本文采用直接最小二乘算法对双曲线参数进行拟合,文中讨论了其理论推导与算法实现,并通过数值算例与实际数据验证了其有效性。 3.在探地雷达信号的特征提取方面,提出了一种对A-scan信号进行时频分析再对得到的二维时频谱进行纹理分析的特征提取方法。在时频分析环节,首先采用四种不同的时频分析方法计算A-scan信号的时频谱图像,再利用5个纹理描述算子对得到的时频谱进行特征提取。对于特征提取结果,本文采用Fisher线性判别分析中的归一化可分距离测度对所得特征点集的可分离性进行度量。实验表明,S变换具有最好的埋地目标分辨能力,Wigner-Ville分布次之,短时傅里叶变换与短时Hartley变换的分辨能力较差。在采用纹理特征计算特征向量环节,以灰度共生矩阵与纹理特征编码方法为理论基础,通过相关性分析与主分量分析对20个常用的纹理特征描述算子的目标检测能力与相互关系进行了研究。 4.在目标识别方面,考虑到实际扫描探测过程中探地雷达天线与目标之间存在“由远及近再及远”的变化过程,这一变化过程通过A-scan序列的变化体现出来,由此提出了一种针对A-scan序列变化过程建模的目标识别方法。该方法以A-scan的时频分析纹理特征为基础,采用无跨越单向连续隐马尔可夫模型(HMM)对序列的变化过程建模并进行识别。文中对基于不同状态数、不同高斯分量个数的模型的识别能力进行了研究,并证实这种基于变化过程的HMM方法比无序地利用单条A-scan特征的支持向量机方法具有更好的效果。


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