用于步进频率雷达信号的数据融合方法、装置及存储介质

1.本发明涉及勘探地球物理数据处理领域，尤其涉及一种用于步进频率雷达信号的多频数据融合方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.探地雷达作为一种高效无损检测技术在工程勘查、混凝土构件缺陷、路面检测、路基病害探查等方面应用广泛并取得了良好的探测效果。通常情况下，如果需要得到高分辨率的探测结果，则需要采用中心频率较高的雷达系统，但探测深度较浅。如果需要得到较大的勘探深度，则选用中心频率较低的雷达系统，但分辨率较低。
3.然而，探地雷达的探测分辨率和勘探深度两个性能指标随着实际应用的需求而不能兼顾。传统脉冲体制雷达发射脉冲时间极短，发射信号平均功率小，获得回波的信噪比低，影响探地雷达的勘探深度及分辨能力。步进频率探地雷达作为频域探地雷达的一种，近些年逐渐成为该领域研究热点，其相比于冲击脉冲体制探地雷达在探测深度和分辨率上的优势也在研究应用中得到体现。但针对包含多个频率的步进频率雷达信号的数据融合，目前尚无成熟的方法，导致目前对步进频率雷达接收到多种频率的雷达信号解译困难。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种用于步进频率雷达信号的数据融合方法、装置及存储介质，以解决目前对步进频率雷达接收到多种频率的雷达信号解译困难的问题。
5.第一方面，提供了一种用于步进频率雷达信号的数据融合方法，包括：
6.获取不同频率正弦连续波发射信号，并表示为tx(f1)，tx(f2)
……
tx(f
n
)，其中，f
n
表示步进频率的第n个频率；
7.获取不同频率正弦连续波发射信号对应的反射信号，并表示为rx(f1)，rx(f2)
……
rx(f
n
)；
8.分别对每个频率的反射信号进行正交分解，得到对应的同相分量i
n
和正交分量q
n
；
9.对各个频率f
n
对应的同相分量和正交分量分别采用截止频率为f
n
的低通滤波器进行处理，对应得到同相分量和正交分量结果中的差频分量i'
n
和q'
n
；
10.将每个频率的反射信号在频域内通过i
′
n
+jq
′
n
的形式表示；
11.对所有频率的反射信号在频域内组成的共轭对称序列通过逆傅里叶变换到时域内进行信号融合。
12.进一步地，所述发射信号通过如下方法获取：
13.选定步进频率连续波信号的带宽范围；
14.基于带宽范围生成不同频率正弦连续波信号作为发射信号。
15.进一步地，所述对每个频率的反射信号进行正交分解，得到对应的同相分量和正交分量，具体包括：
16.每个频率的反射信号rx(f
n
)与同频率的发射信号tx(f
n
)相乘得到同相分量；
17.每个频率的反射信号rx(f
n
)与同频率的余弦信号相乘得到正交分量；其中，所述余弦信号为与发射信号tx(f
n
)同频但相位相差的信号。
18.进一步地，所述发射信号表示为：
[0019][0020]
其中，t为时长，k取小于的1常数；通过kf
n
t来控制发射信号前期的幅度，当kf
n
t<1时，发射信号幅值是随时长t增大的，k越小，幅值增大的越慢；当kf
n
t>1时，发射信号幅值取1。
[0021]
进一步地，所述反射信号基于构建的二维地质模型，并采用基于有限差分法的正演程序进行正演得到，所述反射信号表示如下：
[0022][0023]
其中，a
n
为回波幅值；f
n
＝f0+(n
‑
1)δf，f0为步进起始频率，n代表步进频率第n个频点，δf为频率步长；为反射信号相对于发射信号的相位变化，v为发射信号或反射信号在待测介质中的传播速度，d为检测点与待检测目标的位置。
[0024]
进一步地，所述同相分量i
n
和正交分量q
n
分别由以下公式得到：
[0025][0026][0027]
对各个频率f
n
对应的同相分量i
n
和正交分量q
n
分别采用截止频率为f
n
的低通滤波器进行处理，对应得到同相分量和正交分量结果中的差频分量i'
n
和q'
n
，表示为：
[0028][0029][0030]
则，每个频率的反射信号在频域内表示为：
[0031]
rx(n)＝i
′
n
+jq
′
n
。
[0032]
第二方面，提供了一种用于步进频率雷达信号的数据融合装置，包括：
[0033]
发射信号获取模块，用于获取不同频率正弦连续波发射信号，并表示为tx(f1)，tx(f2)
……
tx(f
n
)，其中，f
n
表示步进频率的第n个频率；
[0034]
反射信号获取模块，用于获取不同频率正弦连续波发射信号对应的反射信号，并表示为rx(f1)，rx(f2)
……
rx(fn)；
[0035]
正交分解模块，用于分别对每个频率的反射信号进行正交分解，得到对应的同相分量i
n
和正交分量q
n
；
[0036]
滤波模块，用于对各个频率f
n
对应的同相分量和正交分量分别采用截止频率为f
n
的低通滤波器进行处理，对应得到同相分量和正交分量结果中的差频分量i'
n
和q'
n
；
[0037]
多频数据融合模块，用于将每个频率的反射信号在频域内通过i
′
n
+jq
′
n
的形式表示；对所有频率的反射信号在频域内组成的共轭对称序列通过逆傅里叶变换到时域内进行信号融合。
[0038]
第二方面，提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序适于被处理器加载并执行如上所述的用于步进频率雷达信号的数据融合方法。
[0039]
有益效果
[0040]
本发明提出了一种用于步进频率雷达信号的数据融合方法、装置及存储介质，通过对每个频率的反射信号进行正交分解，得到对应的同相分量i
n
和正交分量q
n
，并对其分别采用截止频率为f
n
的低通滤波器进行处理，对应得到同相分量和正交分量结果中的差频分量i'
n
和q'
n
；然后将每个频率的反射信号在频域内通过i
′
n
+jq
′
n
的形式表示；最后对所有频率的反射信号在频域内组成的共轭对称序列通过逆傅里叶变换到时域内进行信号融合，可得到时域雷达图像。该方案使融合得到的信号频率成分灵活可控，抗噪性能好，合成的雷达图像在噪声条件下相比于常规脉冲信号具有更高的信噪比，。且由于发射的是连续波信号，实际使用中信号的发射功率增大，探测深度也将更大。该方案实现可探测分辨率和勘探深度两个性能指标的兼顾。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1是本发明实施例提供的一种用于步进频率雷达信号的数据融合方法流程图；
[0043]
图2是本发明实施例提供的用于正演模拟的二维地质模型图；
[0044]
图3是本发明实施例提供的100mhz发射信号波形；
[0045]
图4是本发明实施例提供的100mhz在第一道反射信号波形；
[0046]
图5是本发明实施例提供的第一道位置201个频率融合成的时域信号；
[0047]
图6是本发明实施例提供的无噪声条件下步进频率融合数据生成的bscan图像；
[0048]
图7是本发明实施例提供的噪声条件下步进频率融合数据生成的bscan图像；
[0049]
图8是本发明实施例提供的无噪声条件下ricker子波信号正演得到的bscan图像；
[0050]
图9是本发明实施例提供的噪声条件下ricker子波信号正演得到的bscan图像。
具体实施方式
[0051]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0052]
实施例1
[0053]
如图1所示，本实施例提供了一种用于步进频率雷达信号的数据融合方法，包括：
[0054]
(1)获取不同频率正弦连续波发射信号，并表示为tx(f1)，tx(f2)
……
tx(f
n
)，其
中，f
n
表示步进频率的第n个频率；
[0055]
(2)获取不同频率正弦连续波发射信号对应的反射信号，并表示为rx(f1)，rx(f2)
……
rx(f
n
)；
[0056]
(3)分别对每个频率的反射信号进行正交分解，得到对应的同相分量i
n
和正交分量q
n
；
[0057]
(4)对各个频率f
n
对应的同相分量和正交分量分别采用截止频率为f
n
的低通滤波器进行处理，对应得到同相分量和正交分量结果中的差频分量i'
n
和q'
n
；
[0058]
(5)将每个频率的反射信号在频域内通过i
′
n
+jq
′
n
的形式表示；
[0059]
(6)对所有频率的反射信号在频域内组成的共轭对称序列通过逆傅里叶变换到时域内进行信号融合。
[0060]
具体的，所述发射信号通过如下方法获取：
[0061]
选定步进频率连续波信号的带宽范围；
[0062]
基于带宽范围生成不同频率正弦连续波信号作为发射信号。
[0063]
其中，所述对每个频率的反射信号进行正交分解，得到对应的同相分量和正交分量，具体包括：
[0064]
每个频率的反射信号rx(f
n
)与同频率的发射信号tx(f
n
)相乘得到同相分量；
[0065]
每个频率的反射信号rx(f
n
)与同频率的余弦信号相乘得到正交分量；其中，所述余弦信号为与发射信号tx(f
n
)同频但相位相差的信号。
[0066]
为了进一步理解本发明的技术方案，下面以一针对步进频率探地雷达的正演模拟实例进行说明。
[0067]
首先构建用于正演的二维地质模型，如图2所示，设置的模型为层状模型，上面一层为介质1，层厚2m，相对介电常数为7，电导率为0.005s/m；下面一层为介质2，层厚2m，相对介电常数为12，电导率为0.002s/m；模型中间设置一半径为0.3m的圆形空洞，空洞相对介电常数为1，电导率为0。
[0068]
采用基于有限差分算法的探地雷达正演程序，对模型进行网格剖分，选取的步进频率范围为100mhz～300mhz，步长1mhz，一共有201个频点，模型大小为10m
×
4.2m，发射点位置在x＝0.1m，y＝4m处，接收点位置在x＝0.2m，y＝4m处，发射点和接受点移动步长为0.05m。共采集194道数据，每道数据采样点数为8192个(时窗96ns)。
[0069]
发射信号形式为连续正弦波，以100mhz为例，其波形见图3，为了避免在正演结果中引入高频噪声，需要控制发射信号幅值从零缓慢增大到1，发射信号表示为：
[0070][0071]
其中，t为时长，k取小于的1常数(本实例中取0.25)，f
n
为步进频率的第n个频率，用kf
n
t来控制发射信号前期的幅度，当kf
n
t<1时，发射信号幅值是随时长t缓慢增大的，k越小，幅值增大的越慢；当kf
n
t>1时，发射信号幅值取1。
[0072]
用v表示信号在均匀介质中传播的速度，一个距离为d的目标反射信号可表示为：
[0073]
[0074]
其中，a
n
为回波幅值，f0为步进起始频率，n代表步进频率第n个频点，δf为频率步长，为信号双程走时。
[0075]
上述反射信号可简化表示为：
[0076][0077]
其中，f
n
＝f0+(n
‑
1)δf，为步进频率第n个频率；为反射信号相对于发射信号的相位变化。
[0078]
在第一道位置100mhz的发射信号对应的反射信号波形见图4。
[0079]
在得到每个频率的反射信号后，需要对其进行正交分解，其中同相分量i
n
和正交分量q
n
分别由以下公式得到：
[0080][0081][0082]
即得到的每个频率的反射信号与同频率的发射信号相乘得到同相分量，每个频率的反射信号与同频率的余弦信号(该余弦信号为与发射信号同频但相位相差的余弦信号)相乘得到正交分量。然后对每个频率的同相分量i
n
和正交分量q
n
分别用截止频率为f
n
的低通滤波器进行处理，得到差频分量i'
n
和q'
n
：
[0083][0084][0085]
则，每个频率的反射信号在频域内表示为：
[0086]
rx(n)＝i
′
n
+jq
′
n
[0087]
其中，j为复数虚部符号。
[0088]
对于201个频点产生的序列rx(n)，在频域内组成共轭对称序列，通过逆傅里叶变换转到时域内进行数据融合，合成的第一道时域数据见图5。由合成的数据可以看出，层位界面反射信号出现在约36ns的位置，对应的深度为2.0394m，这与模型设置的界面在2m深度处是符合的。由194个扫描道位置融合的数据合成的bscan图像见图6。为了与探地雷达常用的脉冲信号正演结果做对比，采用中心频率为200mhz的ricker子波作为源信号进行正演，同样采集194道数据合成的bscan图像见图8。
[0089]
为了对比噪声条件下步进频率数据融合结果和脉冲信号正演结果，分别在两者正演过程中加入同等程度噪声。对于ricker子波信号，在其每道反射信号中添加噪声，然后合成bscan图像(见图9)；对于sfcw(步进频率连续波)信号，在其每个频点的连续波反射信号中加入同等程度噪声后，然后按图1的流程中(3)
→
(4)
→
(5)
→
(6)进行处理转换到时域内合成单道数据，再将融合得到的194道数据合成bscan图像(见图7)。在加入噪声前后两种方
法得到的bscan结果对比可以看出，ricker子波信号对应的结果在加入噪声后信噪比明显下降，层位界面和异常体反射的雷达回波难以辨认(如图9)；而步进频率信号的多频数据融合结果在加入噪声条件下仍保持较高信噪比，回波特征清晰(如图7)。上述结果说明提出的这种用于步进频率雷达信号的多频数据融合方法具有更好的抗噪性能。
[0090]
实施例2
[0091]
本实施例提供了一种用于步进频率雷达信号的数据融合装置，包括：
[0092]
发射信号获取模块，用于获取不同频率正弦连续波发射信号，并表示为tx(f1)，tx(f2)
……
tx(f
n
)，其中，f
n
表示步进频率的第n个频率；
[0093]
反射信号获取模块，用于获取不同频率正弦连续波发射信号对应的反射信号，并表示为rx(f1)，rx(f2)
……
rx(fn)；
[0094]
正交分解模块，用于分别对每个频率的反射信号进行正交分解，得到对应的同相分量i
n
和正交分量q
n
；
[0095]
滤波模块，用于对各个频率f
n
对应的同相分量和正交分量分别采用截止频率为f
n
的低通滤波器进行处理，对应得到同相分量和正交分量结果中的差频分量i'
n
和q'
n
；
[0096]
多频数据融合模块，用于将每个频率的反射信号在频域内通过i
′
n
+jq
′
n
的形式表示；对所有频率的反射信号在频域内组成的共轭对称序列通过逆傅里叶变换到时域内进行信号融合。
[0097]
实施例3
[0098]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序适于被处理器加载并执行如上所述的用于步进频率雷达信号的数据融合方法。
[0099]
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0100]
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0101]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0102]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0103]
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
[0104]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0105]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。