探地雷达图像的目标检测和半径估计

论文摘要

探地雷达（Ground-Penetrating Radar，GPR）技术作为一项新兴的无损探测技术，近几十年来被广泛地应用于国民经济的各个领域，同时也是学术界的热门研究领域之一，而GPR的目标区域的自动提取及检测方法则是GPR实际应用问题中亟需解决的难点和关键问题之一。本文首先简单介绍了探地雷达的基本原理以及A-Scan、B-Scan、C-Scan三种格式的数据特点，并通过GPR数据正演模拟软件GprxMax2D结合Matlab工具对GPR的回波数据进行了正演模拟。根据获得的管状目标的GPR正演数据，采用基于数字图像处理的方法对GPR目标的检测和定位方法进行了研究和处理，并进一步地提出了估计管状目标半径大小的方法：1.根据GPR目标回波信号所呈现的双曲线特征，首先对GPR的原始数据，采用基于图像域的处理方法，通过均值法去除地表杂波，图像阈值分割去除背景，从而大大减少后续处理的计算量。在此基础上利用Sobel算子检测GPR图像的双曲线型边缘，并提出了基于梯度幅度的图像边缘细化处理方法。最后根据得到的边缘细化的GPR图像，进行目标回波的双曲线拟合，利用双曲线的对称性，提取出探地雷达图像中所有双曲型回波的顶点位置，即目标位置，从而完成了对GPR目标的检测和定位。实验结果证明：该方法能够较准确地实现目标的检测，并且具有较小的计算量。2.利用GPR管状目标的双曲线特征，首先利用已有的基于最小平方法的曲线拟合方法，得到双曲线的参数信息，进而估计了正演数据的目标半径大小，验证了该方法的正确性。接着本文提出了利用已知的GPR点目标的信息，估计出埋于同一深度同一材质的目标的半径大小，并减小了估计误差。最后将该方法扩展成根据已知目标的信息来估计未知目标的半径大小。实验结果也表明，基于已知目标信息的半径估计方法能够比较准确地计算出目标的半径大小，而且操作简单方便，计算量也比较小。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文后续章节结构
• 第二章 探地雷达的基本原理
• 2.1 探地雷达原理
• 2.2 探地雷达的雷达方程
• 2.3 探地雷达的数据特点
• 2.4 探地雷达数据正演模拟
• 2.4.1 时域有限差分基本原理
• 2.4.2 数值模型实例
• 2.4.3 模拟结果
• 2.4.4 本文主要实验数据
• 第三章 基于曲线拟合的探地雷达图像目标检测
• 3.1 均匀介质探地雷达目标回波的图像特性
• 3.2 探地雷达图像预处理
• 3.2.1 数据标准化
• 3.2.2 均值法去除地表杂波
• 3.2.4 基于阈值的图像分割
• 3.2.5 GPR 图像目标的边缘检测
• 3.2.6 边缘细化
• 3.3 目标检测算法
• 3.3.1 单目标检测
• 3.3.2 多目标检测
• 第四章 管状目标半径的大小估计
• 4.1 管状目标的双曲线信号模型
• 4.2 基于最小平方法的半径估计
• 4.2.1 最小平方法
• 4.2.2 实验结果
• 4.3 基于已知目标信息的半径估计
• 4.3.1 原理描述
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 比较分析
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文