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小波变换在路用雷达信号处理中的应用研究

作　者: 邓华
导　师: 乐金朝；王复明
学　校: 郑州大学
专　业: 岩土工程
关键词: 路用探地雷达非平稳信号信号处理时频分析 MATLAB 小波变换/分析多分辨率分析 Mallat塔式算法小波包算法
分类号: U416.06
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

雷达技术用于路基路面的无损检测开始于80年代后期，欧、美最早应用，在我国开始应用的时间大约在90年代初。作为一种高新技术检测，探地雷达应用于公路质量监控的时间虽不长，但由于其测量精度高、能满足测量误差要求，并且测试速度快、能连续作业，因此在公路路面测试技术中应用前景十分广阔。探地雷达检测内容非常丰富，不仅可以测量路面各层的厚度，还可用于探测路基空洞、路面裂缝及其走向，测定路面压实度、含水量、稳定土剂量和沥青层剥落情况等等，并且在一些国家已开展应用。因此，作为公路工程施工质量监控，特别是高等级公路施工的质量监控以及养护，探地雷达检测技术正逐渐在国内外得到推广。探地雷达检测路面是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，通过天线中的发射器将信号传入地下，波在地下传播过程中遇到不同电性介质界面时，一部分电磁波能量被界面反射回来，另一部分能量会继续穿透界面进入下一层介质，各界面反射电磁波由天线中的接收器接收，再利用采样技术将其转化为数字信号进行处理。通过对电磁波反射信号(回波信号)的分析，便能了解到路面各层的特征信息。从接收天线直接接收到的回波信号，是一个很复杂的含有多种成分的时域波形，其中包含着重要的路况信息，它主要由天线内部反射波、天线末端反射波、地面反射波、路面各层间界面产生的反射波、随机干扰等构成，具有非平稳性、脉冲信号非线性衰减等特点。由于雷达信号的复杂性，在探地雷达路面检测技术中，关键在于对回波信号进行分析处理(如滤波、去噪、目标特征提取等)，以获取所需信息，从而才能进行路面层厚度计算等后续工作的开展。现有的一些路用雷达软件主要是利用快速傅立叶变换(FFT)来进行数据分析的，但由于傅立叶变换无法实现局部分析，所以对于高频的时变雷达回波来说，某些问题就显得较难解决，如路面薄层的厚度探测、微弱脱空的识别等等。小波变换是当前应用数学中一个迅速发展的新领域，它是一种信郑州大学硕士学位论文摘要号的时间－尺度（时问－频率）分析方法，在时、频两域都有良好的局部化特性，特别适合于处理非平稳信号，并且在实际应用中得到了广泛的应用。根据路用探地雷达回波信号本身的非平稳性特点和对现有信号处理方法的比较，本文将采用小波变换方法来对回波信号进行分析处理。小波变换有连续型变换，也有离散型变换，本文主要是采用离散小波变换来开展工作的，文中主要内容包括：一、系统地介绍了路用探地雷达检测系统，主要阐述了探地雷达技术的发展现状、路用雷达设备的组成、探地雷达检测路面的基本原理以及相关的测量参数和性能指标。二、对几种常用的信号分析方法作了比较详尽的分析、比较。现有的信号分析方法很多，有时域分析法、频域分析法以及时－频联合分析法，文中主要介绍了傅立叶变换、短时傅立叶变换和小波变换这几种常用的信号分析方法，指出了它们各自的特点、适用性，以及小波变换方法适合于处理非平稳信号的优势所在。三、采用小波变换Mallat塔式算法应用于路用探地雷达回波信号的滤波去噪。小波变换具有多分辨率分析（即多尺度分析）的特点，实际应用中经常采用的Mallat塔式算法即是尺度参数伸缩步长为二的离散正交小波变换。在分解信号时，它起先将原始信号分解为频率较低成分和频率较高成分，然后继续对低频成分再次分解，而不再分解频率较高成分，如此可以多次级联进行。本文介绍了小波变换Mallat塔式算法的基本理论，并基于该算法提出小波变换滤波原理，用Fortran语言编程计算，通过实际算例说明它用于路用雷达回波信号滤波去噪的有效性。四、探讨小波包变换在路用探地雷达信号处理中的应用。由于Mallat／塔式算法仅对低频成分进行多次分解，所以只对低频部分有较高的频率分辨率，而高频部分的频率分辨率较低，因此存在一定的局限性，只适用于信号的主要信息集中在较低频段的情况。小波包算法可以说是在Mallat塔式算法基础上的改进，能够为信号提供一种更加精细的分析方法，它是对信号的低频成分和高频成分同时进行多级分解，因此对低频部分和高频部分都具有较一二互一＼郑州大学硕士学位论文摘要高的时频分辨率，从而具有更广泛的应用价值。本文简单介绍了小波包变换的基本原理和分解、重构算法，并探讨了小波包信号提取算法在路用雷达信

全文目录

第一章绪论  10-15
  §1．1 工程背景  10-11
  §1．2 国内外研究概况  11-13
  §1．3 本文主要工作  13-15
第二章路用探地雷达系统  15-24
  §2．1 探地雷达技术的发展与现状  15-16
  §2．2 路用雷达的基本组成  16-17
  §2．3 路用雷达的基本工作原理  17-21
  §2．4 探地雷达设备测量参数  21-22
  §2．5 路用雷达设备主要性能指标  22-24
第三章信号分析方法  24-36
  §3．1 信号分析方法综述  24
  §3．2 傅立叶变换  24-26
  §3．3 短时傅立叶变换与信号的时频局部化分析  26-28
  §3．4 小波变换  28-36
第四章多分辨分析与Mallat算法  36-46
  §4．1 多分辨分析  36-38
  §4．2 Mallat算法  38-41
  §4．3 小波变换应用于路用雷达信号滤波  41-46
第五章小波包分析  46-55
  §5．1 小波包的定义  47-48
  §5．2 小波包分解与重构算法简述  48-49
  §5．3 应用  49-55
第六章 MATLAB简介与应用  55-61
  §6．1 MATLAB的发展历程  55
  §6．2 MATLAB的组成与特点  55-57
  §6．3 MATLAB的应用  57-61
第七章结论与展望  61-63
参考文献  63-67
致谢  67

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