[发明专利]一种探地雷达数据三维时频分析方法

说明书

本发明提出一种探地雷达检测数据分析方法，该方法包括将变分模态分解引入探地雷达数据分析，将变分模态分解联合希尔伯特变换实现探地雷达检测数据时频分析，通过在探地雷达扫描线方向的延展构成了三维时频谱数据体，对三维时频谱数据体在位置，时间和频率三个不同方向进行切片，实现探地雷达数据三维时频谱分析，方法能显著增强分析效果。

技术领域

本发明属于土木结构工程检测技术领域，尤其涉及一种探地雷达数据三维时频谱分析方法。

背景技术

探地雷达(GPR)信号处理的结果决定了其检测效果，而地下介质的空间分布是电磁波有效反射特征的表现结果。回波信号的提取是关键的技术之一，它与地下目标的准确检测和可靠性直接相关。作为非平稳特性的探地雷达信号，常规的频谱分析技术很难满足实际工程分析的需求。

基于上述原因，本发明将变分模态分解技术联合希尔伯特变换实现探地雷达数据时频谱，通过在探地雷达扫描线方向的延展构成了三维时频谱数据体，将数据体在位置、时间和频率三个不同方向进行切片，实现探地雷达数据三维时频谱分析，该方法具有广阔的应用前景。

发明内容

发明目的：针对以上问题，为了解决现有探地雷达检测信号分析方法的不足，本发明提出一种探地雷达数据三维时频谱分析方法，用于压制噪声干扰，提高雷达有效信号的分辨率，增强方法的适用性和可靠性。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明采用变分模态分解计算出探地雷达检测信号的本征模态函数，再由希尔伯特变换计算出本征模态函数的瞬时频率，基于变分模态分解技术建立出探地雷达数据的瞬时频率分析方法。

如图1，本发明提出的一种实现探地雷达数据三维时频谱分析方法，该方法的步骤如下：

(1)选定需要处理测线上的探地雷达回波信号，根据回波信号强度调整增益，以达到最佳显示效果；

(2)根据干扰来源判断干扰波形和其频率范围，采用滤波方法去除背景干扰，提高勘测剖面的信噪比；

(3)对勘测剖面上每道回波信号分别进行计算得到二维瞬时频率谱，方法如下：首先通过变分模态分解将待处理的探地雷达信号分解为若干特征模态函数，再将分离的特征模态函数经过希尔伯特变换得出各个特征模态函数的瞬时频率，最后根据特征模态函数的瞬时频率谱叠加得到测点处回波信号的二维瞬时频率谱；

(4)将剖面每道回波信号的二维瞬时频率谱进行合成，构建出该测线的三维时频谱数据体H(x,t,ω)；

(5)根据三维探地雷达时频谱数据体，在位置、时间和频率三个不同方向进行切片，得到分频剖面、时频剖面及层位剖面，从测线各频带能量变化特征、固定测点处频率随时间的变化特征及沿反射界面频率变化特征，可根据各剖面中频率能量谱极值区域范围及分布情况判断异常位置和大小。

技术效果：与现有技术方案相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明基于变分模态分解实现探地雷达信号的时频谱分析，通过探地雷达扫描线方向的延展构成了三维时频谱数据体，将三维时频谱数据体在位置、时间和频率三个不同方向进行切片，能从多个角度显示检测目标的信息，本发明可以凸显异常区域，并且在异常发现中表现出良好的适用性。

附图说明

图1是探地雷达三维时频谱分析结构图；

图2是瞬时频率频谱求解流程图；

图3中(a)混凝土结构模型几何模型图，(b)探地雷达仿真信号图；

图4是三维探地雷达时频谱数据体图；

图5是主频0.5GHz时探地雷达分频剖面图；

图6是测线中心处探地雷达时频剖面图；