一种用于探地雷达空洞数据预处理的Shearlet自适应阈值函数滤波方法

发布时间：2020-04-20 14:55

【摘要】：随着城市建设的加速,公路、铁路及隧道交通急速发展。在大量的施工及环境影响下,地下空洞或隧道空洞等病害问题日益突出,从而产生交通安全隐患。探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)是一种较为有效的地下或墙体空洞无损检测设备。但利用探地雷达对道路和隧道衬砌空洞病害进行检测时,接收数据中的空洞目标信号往往会受到随机噪声和相干噪声的干扰,而其中直达波是相干噪声的主要成分。由于常规的探地雷达数据预处理方法不能有效满足高精度空洞检测,针对雷达空洞数据中信噪比低、目标信号被直达波干扰的问题,本文开展以下工作:(1)研究探地雷达空洞信号随机噪声和直达波的抑制方法。由于Shearlet变换方法在地震信号上去噪表现出的优越性,而地震回波和探地雷达回波具有一定的相似性,本文拟采用基于阈值函数滤波的Shearlet变换方法处理探地雷达空洞数据,但传统的Shearlet变换方法常使用固定阈值函数滤波,会导致有效信号以及能量丢失。本文从Shearlet变换的性质出发,对探地雷达信号进行多尺度多方向分解,根据有效信号和噪声在Shearlet域的分布差异构建自适应阈值函数,改进传统硬阈值函数不连续的缺点,并以此函数来调整Shearlet系数以达到自适应滤波效果。对于直达波信号,在Shearlet域中可基于直达波和有效信号系数的分布差异,分离出直达波的Shearlet系数来实现抑制直达波。(2)基于时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)正演模拟了几种理想道路和隧道衬砌空洞的探地雷达回波信号,使用(1)中构建的Shearlet自适应阈值函数分别对理想化正演模拟的空洞数据和实验采集的空洞数据进行噪声和直达波抑制,处理后的A-scan和B-scan数据显示随机噪声和直达波分量得到有效抑制。其中对正演模拟的道路和隧道衬砌空洞数据进行去噪时,分别与中值滤波、小波变换和曲波(Curvelet)变换去噪方法对比,结果显示自适应阈值Shearlet变换方法处理后可以将道路和隧道衬砌空洞数据信噪比大致提高13dB和12dB。最后同均值法与主成分分析法(Principal Component Analysis,PCA)对正演模拟的空洞数据及雷达实测数据抑制直达波效果进行对比,结果显示Shearlet变换方法在提高信杂比和空洞目标图像清晰度上相对最优。从而验证了自适应阈值Shearlet变换方法应用在探地雷达空洞数据预处理中的有效性。
【图文】：

图 2.6 探地雷达 B-scan 回波信号模型图特征线方向移动时，发射天线和接收天线处于共置状发射理想窄脉冲，如果遇到地下介质中横截面比中，目标回波信号呈现出双曲线的形状或者是类离的变化以及雷达的运动有关[39]，根据它们之间2 20 02 R2 x x )ztv v += =（002ztv= 采样道数20 40 60 80 100

图 4.3 道路结构模型图 图 4.4 道路结构仿真雷达回波图4.2.2 不同埋深的充气空洞正演模拟在探测环境相同情况下，仿真了埋藏深度不同，，大小相同，空洞中介质都为空气的地下圆形空洞，圆心位置分别在地下 0.85 米处，0.90 米以及 0.95 米处，图 4.5 是仿真的不同埋深的圆形空洞模型图及其相应的正演模拟 B-scan 图像。水平位置(m)0.5 1 1.5 2 2.5采样道数20 40 60 80 100度(m)深0.20.40.60.811.21.4间(ns)时0246810
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN957.51;TN713

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本文编号：2634665