（信号与信息处理专业论文）地质雷达应用技术及雷达图像处理方法研究.pdf

图书分类号图书分类号 tp391tp391 密级密级 非密非密 udcudc 注注 1 1 620 620 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 地质雷达应用技术及雷达图像处理方法研究地质雷达应用技术及雷达图像处理方法研究 郭小凤郭小凤 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称） 曾光宇曾光宇 教授教授 申请学位级别申请学位级别 硕士硕士 专业名称专业名称 信号与信息处理信号与信息处理 论文提交日期论文提交日期 20122012 年年 4 4 月月 1010 日日 论文答辩日期论文答辩日期 2012 2012 年年 6 6 月月 6 6 日日 学位授予日期学位授予日期 年年 月月 日日 论文评阅人论文评阅人 桑胜波桑胜波 陈树越陈树越 答辩委员会主席答辩委员会主席 常晓明常晓明 2012 2012 年年 6 6 月月 5 5 日日 注注 1 1：注明国际十进分类法：注明国际十进分类法 udcudc的分类的分类 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定）后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 地质雷达应用技术及雷达图像处理方法研究 摘要 地质雷达因其分辨率好、工作效率高、操作简便和对探测体无损伤的特点，被广泛 应用于各种工程领域，尤其在隧道工程中的应用更为频繁。本文主要目的是研究地质雷 达应用技术并对地质雷达图像的处理算法进行深入分析和研究，主要包括降噪和边缘检 测。结合这两种处理技术来达到使工程人员更加准确有效的进行地质雷达图像解释的目 的。 地质雷达不同于探空雷达，它的应用环境和应用对象相对复杂。因此，在本文中， 首先对地质雷达的硬件结构进行仔细研究，深入分析地质雷达的工作原理。随后，引入 地质雷达探测方式，研究分析典型地质体地质雷达图像的特征，对地质雷达的应用形成 一个初步概念。在这个基础上，引入地质雷达在工程应用中的探测实例，更直观、具体 的介绍地质雷达应用技术。 由于地质雷达应用环境较为复杂，采集到的地质雷达图像中难免存在干扰噪声，而 地质雷达图像中的主要信息特征是目标层的同相轴。因此，本文首先分析了地质雷达图 像中的干扰因素，然后对其进行相应的降噪处理和边缘检测。降噪处理主要消除噪声对 图像清晰度的影响，而边缘检测则是使同相轴的边缘得到更清楚的刻画。考虑到地质雷 达的图像特征，鉴于小波变换有不错的时频局部化特性，且降噪效果好，但它不能很好 的保持地质雷达图像中的同相轴；而 k-l 变换，尽管改善了图像中的同相轴信息，但不 能顾全图像频率域信噪比。 所以本文在对小波阈值法与传统 k-l 变换进行改进的基础上 引出小波域改进阈值法倾斜 k-l 变换来对地质雷达图像进行降噪， 进而进行多尺度多结 构元的数学形态学边缘检测，使去噪后地质雷达图像中的同相轴更为突出。本文所用的 图像处理方法，在工程解释中有很大的利用价值，结合小波域改进阈值法倾斜 k-l 变换 结果图和多尺度多结构元数学形态学边缘检测结果图对被探测目标进行解释，可以达到 更好的效果。 关键词：地质雷达，图像特征，小波变换，k-l 变换，数学形态学 中北大学学位论文 research on geological radar application technology and radar image processing method abstract because of its characteristics of good resolution, high working efficiency, easy operation and no damage to detected things, geological radar is widely used in different kinds of engineering field, especially more frequently in the tunnel engineering application .the main purpose of this article is to study the geological radar application technology and image processing algorithm, as well as the in-depth analysis and research, including noise reduction and edge detection. combining the two kinds of processing technology, the engineering technical personnel would explain the geological radar image more accurately and effectively. geological radar is different from sounding radar.the application environment and application object of the geological radar are relatively complicated. therefore, the hardware structure is carefully studied in this paper firstly. the working principle of geological radar is also deeply analysised. then, the geological radar detection method as well as the geological radar image characteristics of typical geologic body are studied in order to well understand the application of geological radar. on this basis, some detection examples of geological radar in engineering application is lead in to intuitively and concretely illustrate the geological radar application technology. the geological radar application environment is relatively complicated. so the collected geological radar image unavoidably includes noise interference, and the main information feature of geological radar image is the lineups of target layer. therefore, the interference factors of geological radar image is firstly analysised in this paper, after that denoising and edge detection is conducted. denoising mainly eliminates the influence of noise to the image resolution, while edge detection mainly make the edge of the lineups more clear. in view of the geological radar image feature, wavelet transform has a good time-frequency localization characteristics, and always denoises effectively. but it fails to keep lineups of the geological radar images goodly; while k-l transform improves the same phase axis in the images, it fails to take count of image frequency domain signal-to-noise ratio. so on the base of improving traditional wavelet transform and k-l transform, the wavelet domain slant k-l transformation is put forward to denoise the geological radar image. after that, multi-scale and multi-element detection mathematical morphology edge detection is conduct to denoise image, which can effectively depict the lineups of the geological radar images. the image 中北大学学位论文 processing algorithms put forward in this paper has a lot of use value in engineering explain .by combining with wavelet domain slant k-l transform results and multi-scale and multi-element detection mathematical morphology edge detection, the engineering technical personnel would explain the object being detected more accurately and effectively and achieve a better results. keywords: geological radar, image characteristics, wavelet transform, k-l transform, mathematical morpholog 中北大学学位论文 i 目目 录录 1 1 绪论绪论 1.1 1.1 研究的背景与意义研究的背景与意义. 1 1 1.2 1.2 国内外地质雷达应用研究现状国内外地质雷达应用研究现状 . 2 2 1.2.1 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 . 2 2 1.2.2 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 . 3 3 1.3 1.3 雷达图像处理的研究现状及存在的问题雷达图像处理的研究现状及存在的问题. 4 4 1.4 1.4 本文的研究内容及安排本文的研究内容及安排 . 5 5 2 2 地质雷达工作原理及其硬件系统地质雷达工作原理及其硬件系统 2.1 2.1 地质雷达工作原理地质雷达工作原理. 7 7 2.2 2.2 地质雷达硬件结构系统地质雷达硬件结构系统 . 9 9 2.2.1 2.2.1 地质雷达发射机地质雷达发射机 . 9 9 2.2.2 2.2.2 地质雷达接收机地质雷达接收机 . 1515 2.2.3 2.2.3 地质雷达显示设备地质雷达显示设备 . 1616 2.2.4 2.2.4 地质雷达信号处理设备地质雷达信号处理设备 . 1616 2.3 2.3 电磁波在介质中的传播特性电磁波在介质中的传播特性 . 1717 2.3.1 2.3.1 电磁波在介质中的衰减电磁波在介质中的衰减 . 1717 2.3.2 2.3.2 地质雷达电磁波在地下介质界面处的反射和折射地质雷达电磁波在地下介质界面处的反射和折射 . 1717 2.4 2.4 地质雷达方程地质雷达方程 . 1919 2.5 2.5 本章小结本章小结 . 2020 3 3 地质雷达探测技术地质雷达探测技术 3.1 3.1 地质雷达探测方式地质雷达探测方式. 2121 3.1.1 3.1.1 地质雷达探测方式地质雷达探测方式 . 2121 3.1.2 3.1.2 地质雷达参数设置方法地质雷达参数设置方法 . 2323 3.2 3.2 地质雷达图像特征地质雷达图像特征. 2525 3.2.1 3.2.1 地质雷达图像特点地质雷达图像特点 . 2525 中北大学学位论文 ii 3.2.2 3.2.2 典型地质体雷达图像特征分析典型地质体雷达图像特征分析 . 2626 3.3 3.3 地质雷达图像干扰因素分析地质雷达图像干扰因素分析 . 2727 3.4 3.4 地质雷达在工程应用中的探测实例地质雷达在工程应用中的探测实例 . 2828 3.4.1 3.4.1 地质雷达在隧道检测中的应用实例地质雷达在隧道检测中的应用实例 . 2929 3.4.2 3.4.2 地质雷达在地质勘探中的应用实例地质雷达在地质勘探中的应用实例 . 3030 3.5 3.5 本章小结本章小结 . 3131 4 4 地质雷达图像处理方法地质雷达图像处理方法 4.1 4.1 小波变换小波变换 . 3232 4.1.1 4.1.1 连续小波变换连续小波变换 . 3232 4.1.2 4.1.2 离散小波变换离散小波变换 . 3333 4.1.3 4.1.3 小波阈值变换法去噪小波阈值变换法去噪原理原理 . 3434 4.1.4 4.1.4 常用小波基及其选择常用小波基及其选择 . 3636 4.2 k4.2 k- -l l 变换变换 . 3737 4.2.1 k4.2.1 k- -l l 变换基本原理变换基本原理 . 3737 4.2.2 k4.2.2 k- -l l 变换中特征值个数选择变换中特征值个数选择. 4040 4.3 4.3 小波域小波域 k k- -l l 变换变换 . 4242 4.4 4.4 数学形态学边缘检测数学形态学边缘检测 . 4343 4.4.1 4.4.1 数学形态学边缘检测基本思想数学形态学边缘检测基本思想 . 4343 4.4.2 4.4.2 几种常用的数学形态学边缘检测算子几种常用的数学形态学边缘检测算子 . 4444 4.4.3 4.4.3 多尺度形态学边缘检测与多结构元形态学边缘检测多尺度形态学边缘检测与多结构元形态学边缘检测 . 4545 4.5 4.5 本章小结本章小结 . 4646 5 5 地质雷达图像小波域地质雷达图像小波域 k k- -l l 变换去噪与数学形态学边缘检测变换去噪与数学形态学边缘检测 5.1 5.1 小波变换的改进小波变换的改进 . 4747 5.1.1 5.1.1 阈值函数的改进阈值函数的改进 . 4747 5.1.2 5.1.2 仿真结果分析仿真结果分析 . 4848 5.2 5.2 快速快速 k k- -l l 变换与倾斜变换与倾斜 k k- -l l 变换变换 . 5050 5.2.1 5.2.1 快速快速 k k- -l l 变换变换 . 5050 5.2.2 5.2.2 倾斜倾斜 k k- -l l 变换变换 . 5050 中北大学学位论文 iii 5.2.3 5.2.3 仿真结果分析仿真结果分析 . 5151 5.3 5.3 小波域改进阈值法倾斜小波域改进阈值法倾斜 k k- -l l 变换变换 . 5353 5.3.1 5.3.1 小波域改进阈值法倾斜小波域改进阈值法倾斜 k k- -l l 变换变换算法基本思想算法基本思想 . 5353 5.3.2 5.3.2 仿真结果分析仿真结果分析 . 5454 5.4 5.4 多尺度多结构元数学形态学边缘检测多尺度多结构元数学形态学边缘检测 . 5555 5.4.1 5.4.1 多尺度多结构元数学形态学基本思想多尺度多结构元数学形态学基本思想 . 5555 5.4.2 5.4.2 多尺度多结构元数学形态学多尺度多结构元数学形态学边缘检测法仿真结果分析边缘检测法仿真结果分析 . 5555 5.5 5.5 本章小结本章小结 . 5959 6 6 结论与展望结论与展望 参考文献参考文献 攻读硕士学位期间所取得的研究成果攻读硕士学位期间所取得的研究成果 致致 谢谢 中北大学学位论文 1 1 1 绪论绪论 1.1 研究的背景与意义 地质雷达作为一种新兴探测技术（英文名称 ground penetrating radar，简称 gpr） 主要用于探测领域。该技术由一项德国科学家研究地理特性时的专利技术发展而来。这 种雷达不仅能迅速，还能无损害地探测地质结构以及隐藏在地下的各种非金属或金属目 标物，因此近年来引起人们极大的关注。随着半导体技术、无线电技术水平的发展，地 质雷达探测技术也日渐成熟，并逐渐体现出了其广阔的应用前景和巨大的市场价值1。 按照所用信号形式可把地质雷达分为线性调频型、冲激脉冲型、噪声信号型和步进 频率型四种。因冲激脉冲形式无载波冲激体制测量速度快，具有分辨率高、系统造价低 以及技术难度相对较小等优点， 常常用于浅层近距离探测。 而且， 由大量工程实例可知， 冲击脉冲地质雷达回波信息量比较丰富，并且有较好的目标识别与三维成像能力，因此 目前绝大多数地质雷达产品是无载波冲激体制系统。冲击脉冲地质雷达电磁波在地下传 播时，遇到有电性差异的界面或探测目标时会产生反射和散射，通过接收反射回来的电 磁波来达到探测地下目标物的目的。实际探测时，地下介质特性变化，会极大地衰减在 其中传播的电磁波。而且电磁波频率越高衰减越厉害，但考虑到垂直分辨率必须提高地 质雷达发射频率。基于此理论，电磁波频率升高会使最大探测深度极大降低，因此地质 雷达的穿透力与分辨率彼此对立。实际应用时，工程人员经常在穿透力和分辨率之间权 衡折中，探测技术也在这个过程中逐渐得到发展与完善。 近年间，地质雷达不断得到发展和完善，分辨率可达厘米级，工作频率高达 5000 mhz，实现了数据采集与图像处理一体化，能实时输出雷达探测回波图，还能显著抵抗 干扰，极大地提高工作效率。地质雷达探测技术的快速发展使其在各种探测方法中脱颖 而出，迅速成为隧道工程探测和监测的主要手段，并在公路和铁路质量检测、城市基础 设施探测、考古探测以及环境检测等领域有广泛应用。总得来说，由于地质雷达探测技 术工作周期短、对探测体无损伤和准确可靠等优点，越来越受到工程界人士尤其是隧道 衬砌结构检测以及隧道超前预报等方面的专家重视2。 我国隧道工程中，为了使工程质量达到标准，必须对隧道的施工质量进行全程跟踪 监控，如隧道的衬砌厚度是否达标、结构层之间是否存在空洞、欠实等缺陷。如发现质 中北大学学位论文 2 量缺陷或安全隐患，及时责令施工单位进行针对性处理，直至复检合格，实现真正意义 上的全程监控。 然而，地质雷达实际探测时干扰噪声会将部分有用信息掩盖，严重影响图像质量。 为了最大限度地从雷达图像中获取有用信息，准确检测和识别隧道的隐性病害，我们应 该对地质雷达有一个全面的了解，也有必要对地质雷达所取得的数据进行处理与目标识 别，压制各种干扰，以较高的分辨率来显示目标反射波，合理地提供检测结果。 通过本课题的研究，我们会对地质雷达的结构与重要元器件有一个初步的认识与理 解， 熟练掌握地质雷达工作原理， 以及地质雷达应用于实际检测工作的具体方法、 过程。 并在雷达图像噪声分析的基础上通过对接收到的雷达图像的准确、有效的处理分析，使 雷达图像中的目标特征能更直观更清楚地突显出来，也使研究生期间学习的图像处理理 论知识更好、更完善地应用于工程实践。同时，通过解决实际测量与图像数据处理过程 中的各种问题，更全面地巩固信号与信息处理理论知识。此外，本课题关于地质雷达信 号的去噪与边缘检测处理和地质雷达资料的准确解释的内容也为快速、有效地检测和识 别隧道的隐性病害提供了必不可少的依据。 1.2 国内外地质雷达应用研究现状 1.2.1 国外研究现状 地质雷达探测技术通过被探测对象对高频电磁波的反射来对其结构特征进行测定， 该技术可追溯到 20 世纪初。德国 hulsmeyer 于 18 世纪初第一次用电磁波对地下金属 物进行探测。但直到 1910 年，lowy 和 leimback 以专利的形式提出地质雷达设想。 hulsenbeck 于 18 世纪三十年代指出，任何电介质的变化都会使电磁波在交界面产生反 射，并第一次提出运用电磁波反射来推测地下介质结构的思想。但是由于地下介质种类 繁多，并且对电磁波的衰减较大，电磁波在地下传播十分复杂，加之半导体、计算机技 术发展水平的局限性，地质雷达探测技术的应用也受到了不同程度的限制，直到 1960 年左右才出现了有一定使用价值的地质雷达。只是初期的地质雷达探测仅限于对波吸收 稍弱的冰层 (1951，b.o.steenson，1963，s.evans)、盐层和煤矿 (j.c.cook)等介质中3。 20 世纪 60 年代末、70 年代初，电子技术的发展和美国阿波罗月球表面探测实验的 中北大学学位论文 3 成功开展，使地质雷达技术的发展有了划时代进展，为该技术的广泛应用注入了新鲜血 液。总体上说，地质雷达技术的发展过程有以下三个阶段： 第一阶段：试验阶段。从 20 世纪 70 年代初期到 70 年代中期，美日加等国都在大 力研究，英德也相继发表了论文和研究报告。1972 年，第一个地质雷达设备制造公司 （geological survey system inc.）宣告成立。此后，岩土工程地质勘察的某些领域才逐 渐实现真正的快速、无损地质雷达探测。 第二阶段：实用化阶段。从 20 世纪 70 年代中后期到 80 年代，半导体材料、微电 子和计算机技术得到不断发展， 地质雷达相关产品逐一问世， 如加拿大ssi公司的ekko gpr 系列、美国 gssi 公司的 sir 系列、日本 oyo 公司的 ylrz 系列等。80 年代全数 字化 gpr 的推出，为地质雷达的发展翻开了新的一页。它在传统的 gpr 基础功能上， 扩展提高了数据实时处理分析能力，并便于数据的进一步处理。此外，gpr 的功能扩展 大大提高了其应用潜力与领域。 第三阶段：完善和提高阶段。从上世纪 80 年代至今，gpr 技术突飞猛进。全球出 现了许多地质雷达研究机构。同时，地球物理和电子工程界对地质雷达天线改进，信号 处理以及地下目标成像等方面提出了许多新见解。进入 21 世纪以后，地质雷达更是广 泛应用于铁路、考古、公路、地质勘探和市政设施维护等各领域，用以解决地质构造、 超前预报、病害诊断、工程质量检测和场地勘察等问题4。 1.2.2 国内研究现状 国内的地质雷达研制工作于上个世纪 70 年代中期起步。煤科总院重庆分院高克德 教授所在的地质雷达专题组研制开发出的 kdl 系列用于矿井防爆的地质雷达仪，开创 了我国自主研制地质雷达的先河。 1983 年， sir-8 作为首台地质雷达仪器由铁道部引进， 并且从 80 年代中期开始，关于地质雷达技术的研究和试验逐步开展起来。80 年代末 90 年代初，国内地质雷达仪器研制水平的极大提高和国外先进仪器的引入，使我国在该领 域也取得了突出成绩，并且研制出地质雷达试验系统。部分研究部门也推出了他们的研 究成果，如中国科学院长春地理所推出的 si2r 和东南大学推出的 gpr-i 等等。90 年代 末和 21 世纪初，因国内煤炭发展需要，由中国矿业大学(北京)彭苏萍教授组织成立了仪 器项目开发项目组，开始着手地质雷达的研制与开发，并于 2004 年开发出具有自主知 中北大学学位论文 4 识产权的地质雷达产品5。 地质雷达在硬件方面发展日趋完善，生产厂逐渐把研发重点指向数据采集速率和信 噪比的提高以及软件智能化。在地质雷达硬件设备、目标信号提取、目标识别和目标成 像等方面取得显著成果，尤其是成功实现了地下目标三维层析成像，极大地提高了分辨 率和清晰度，使我国地质雷达技术在信号处理和成像领域进入了世界领先行列。 在今后的发展中，我国将以研发采集数据质量高、抗干扰能力强、探测能力强、采 集和处理速度快、分辨率高、能保存原始数据又轻便经济的地质雷达系统核心，以解决 我国公路隧道建设与质量监督的迫切需要为目标而努力。 1.3 雷达图像处理的研究现状及存在的问题 地质雷达利用高频电磁波的反射探测地下目标与地质构造，得到与地下界面或目标 相对应的雷达图像。 但是在实际应用中， 由于雷达采集到的数据中所包含的干扰成分 （如 直达波、周围环境干扰信号、地表反射波以及非目标反射波等）掩盖了目标回波的部分 特征。因此，最大限度地去除这些干扰成分，改善数据资料，提供清晰可辨的雷达探测 图像对工作人员进行雷达数据分析来说显得至关重要，因而对干扰成分处理的技术也成 为了雷达图像处理研究的一项热点6。 一般来说，图像中干扰元素的产生有两方面原因。一方面，地质雷达发射天线发射 出的电磁波有一定的张角，因此在工作过程中易受到各种噪声不同程度地干扰，使图像 信噪比降低；另一方面，高频脉冲电磁波在地下传播过程中，由于介质不均匀，会发生 强烈的衰减、折射、反射、散射和绕射，这些折射波、反射波、散射波和绕射波叠加在 一起，会严重降低图像数据信噪比，掩盖目标回波的有效特征7。 地质雷达数据处理经历了漫长的发展过程。最初，数据处理的方法主要有：用各种 频域滤波器如低通、带通或高通滤波器滤除噪声频率8；对采集到的信号进行多次叠加 平均或单个测点采集信号减去各测点采集平均值来减小随机干扰的影响；通过自适应时 变增益改善由媒介吸收和波前扩散导致的信号缺失等。但是由于上述方法在目标物体较 小时，存在反射波强度弱、信噪比小等缺点，使得在对数据进行滤波处理时，许多有用 的信息可能会被漏掉，难以满足实际探测需要。上世纪八十到九十年代，随着研究的不 断深入， 在地震勘探中广泛应用的反褶积处理技术被应用于地质雷达数据处理中。 但是， 中北大学学位论文 5 因该处理方法对地下介质复杂的噪声去除效果不理想，所以该方法并未普及使用。 地质雷达信号的降噪是获取高质量图像的必要手段。经过降噪，工作人员才能进行 准确地分析和解释， 从而更加精确地把握地质情况， 方便勘探和地质灾害的预防。 fourier 变换是 gpr 信号降噪中最原始的工具9，它揭开了图像变换用于图像降噪的序幕。法国 地球物理学家 morlet 于 1981 年正式提出小波概念，鉴于 fourier 变换的局限性，小波变 换迅速取代了 fourier 变换在图像降噪中的地位。 由于小波具有多分辨分析的特点，具有时频同时局部化的特征，使得它在地质雷达 图像去噪中取得了越来越好的效果，甚至被誉为“数学上的显微镜” 10,11。用多尺度分 析方法可以根据不同的环境条件，对数据进行不同程度的处理，从而达到不同分辨率的 目的。更重要的是，小波分析不仅可以压制噪声，保留数据中的有效成份，还有效改善 了吉布斯现象，提高了有效信号的分辨率。到目前为止，小波分析在地质雷达数据处理 中，已经取得了不少的研究成果，为地质雷达的应用领域的进一步扩展打下了坚实的基 础。 k-l 变换（又称 hotelling 变换或特征向量变换） ，用于处理随机过程中连续信号的 去相关问题。近年，k-l 变换因其具有独特的正交性，广泛应用于图像降噪领域，并对 图像降噪领域的发展产生了巨大的推动作用12,13。 1.4 本文的研究内容及安排 第一章，主要介绍了本课题的研究背景，国内外现状以及地质雷达图像处理现状与 存在的问题，为本课题进一步详细开展打下一定基础。 第二章，从地质雷达的硬件系统结构着手进行深入分析，对地质雷达的发射机、接 收机、显示设备以及地质雷达回波信号处理设备进行详细研究，深刻分析了地质雷达的 工作原理，并对电磁波在介质中的传播特性进行了详细推导，最后引出地质雷达方程， 给出在地质雷达实际探测中可供参考的探测距离与各参数的定量关系。 第三章，对地质雷达的实际探测方式、参数设置等进行了详细分类研究，分析地质 雷达图像特征以及地质雷达图像中的干扰因素，并最终以测量实例印证本文对地质雷达 从实际探测到资料解释的理论研究，取得很好效果。 第四章， 研究小波变换和 k-l 变换去噪算法与形态学边缘检测算法对地质雷达图像 中北大学学位论文 6 进行处理。对小波变换中的传统硬阈值去噪、软阈值去噪和软硬阈值折中去噪三种函数 进行详细的介绍说明，并介绍了三种常用小波基函数以及去噪时小波基的选择方法。此 外，详细介绍了传统 k-l 变换原理和 k-l 变换重构时特征值个数的确定方法，并引入 多尺度形态学边缘检测和多结构元形态学边缘检测方法。 第五章，在上文理论基础上，分别针对传统小波变换和 k-l 变换中的不足研究了改 进阈值法小波变换、倾斜 k-l 变换以及小波域改进阈值法倾斜 k-l 变换，并进行仿真 验证。此外，给出多尺度多结构元的数学形态学边缘检测算法对去噪后的地质雷达图像 进行边缘检测。实验结果证明，结合去噪与边缘检测的两种处理结果，能更有效的确定 与定位地质雷达图像中的异常点。 第六章，对论文中主要完成的工作和取得的成果进行了归纳总结，同时提出了论文 中存在的和需要进一步研究的问题。 中北大学学位论文 7 2 2 地质雷达地质雷达工作原理及其工作原理及其硬件系统硬件系统 2.1 地质雷达工作原理 地质雷达的总体系统结构如图 2.1 所示，包括发射系统、接收系统、控制单元系统 和微机系统四大部分。 图 2.1 地质雷达系统结构图 地质雷达开始工作时，在计算机控制下，发射天线接收来自控制单元且被精确定时 的触发脉冲，在该脉冲触发下快速加压，产生高压窄脉冲电信号，并将其作为雷达发射 电磁波，向地下发射。发射电磁波首先沿天线表面产生直达波。在地下传播路径上遇到 介质界面时发生反射，接收天线则负责接收反射回来的雷达波与直达波，并通过高频放 大器放大，然后在控制单元触发下，对放大后的信号进行程控增益放大、a/d 转换等一 系列处理， 将最终获得的地质雷达回波波形通过微机总线存放到内存中， 供计算机存储、 显示、处理和分析 14。 下面由图 2.2 来直观形象地描述地质雷达工作原理，图中发射天线辐射到地下的电 磁波在传播过程中遇到介质界面和目标体时发生反射，当反射信号回到地面时，接收天 线进行接收和相关记录，并随后经过主机的分析与处理，获得雷达回波波形曲线（如图 2.3 所示） ，横坐标（单位 m） ，表示地面的探测距离，纵坐标（单位 ns）是电磁波从发 射-反射-接收所用的双程时间，可由地质雷达记录得到15。通常，波在相对均匀的同一