小波變換在路用雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用研究

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1、鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文小波變換在路用雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用研究姓名：鄧華申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：樂(lè)金朝;王復(fù)明2002.4.20刪大學(xué)碩士學(xué)讎文翟《2恕％摘要捅姜廠I雷達(dá)技術(shù)用于路基路面的無(wú)損檢測(cè)開始于80年代后期，歐、美最早應(yīng)用，在我國(guó)開始應(yīng)用的時(shí)間大約在90年代初。作為一種高新技術(shù)檢測(cè)，探地雷達(dá)應(yīng)用于公路質(zhì)量監(jiān)控的時(shí)間雖不長(zhǎng)，但由于其測(cè)量精度高、能滿足測(cè)量誤差要求，并且測(cè)試速度快、能連續(xù)作業(yè)，因此在公路路面測(cè)試技術(shù)中應(yīng)用前景十分廣闊。探地雷達(dá)檢測(cè)內(nèi)容非常豐富，不僅可以測(cè)量路面各層的厚度，還可用于探測(cè)路基空洞、路面裂縫及其走向，測(cè)

2、定路面壓實(shí)度、含水量、穩(wěn)定土劑量和瀝青層剝落情況等等，并且在一些國(guó)家已開展應(yīng)用。因此，作為公路工程施工質(zhì)量監(jiān)控，特別是高等級(jí)公路施工的質(zhì)量監(jiān)控以及養(yǎng)護(hù)，探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)正逐漸在國(guó)內(nèi)外得到推廣。探地雷達(dá)檢測(cè)路面是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，通過(guò)天線中的發(fā)射器將信號(hào)傳入地下，波在地下傳播過(guò)程中遇到彳i同電性介質(zhì)界面時(shí)，一部分電磁波能量被界面反射回來(lái)，另一部分能量會(huì)繼續(xù)穿透界面進(jìn)入下一層介質(zhì)，各界面反射電磁波由天線中的接收器接收，再利用采樣技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)電磁波反射信號(hào)(回波信號(hào))的分析，便能了解到路面各層的特征信息。從接

3、收天線直接接收到的回波信號(hào)，是一個(gè)很復(fù)雜的含有多種成分的時(shí)域波形，其中包含著重要的路況信息，它主要由天線內(nèi)部反射波、天線末端反射波、地面反射波、路面各層間界面產(chǎn)生的反射波、隨機(jī)干擾等構(gòu)成，具有非平穩(wěn)性、脈沖信號(hào)非線性衰減等特點(diǎn)。由于雷達(dá)信號(hào)的復(fù)雜性，在探地雷達(dá)路面檢測(cè)技術(shù)中，關(guān)鍵在于對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析處理(如濾波、去噪、目標(biāo)特征提取等)，以獲取所需信息，從而才能進(jìn)行路面層厚度計(jì)算等后續(xù)工作的丌展。現(xiàn)有的一些路用雷達(dá)軟件主要是利用快速傅立葉變換(FFT)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的，但由于傅立葉變換無(wú)法實(shí)現(xiàn)局部分析，所以劉于高頻的時(shí)變雷達(dá)同波束說(shuō)，某些問(wèn)題就顯

4、得較難解決，如路面薄層的厚度探測(cè)、微弱脫空的識(shí)別等等。小波變換是當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)中一個(gè)迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，它是一種信鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要號(hào)的時(shí)問(wèn)一尺度(時(shí)間一頻率)分析方法，在時(shí)、頻兩域都有良好的局部化特性，特別適合于處理非平穩(wěn)信號(hào)，并且在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。j。，根據(jù)路用探地雷達(dá)回波信號(hào)本身的非平穩(wěn)性特點(diǎn)和對(duì)現(xiàn)有信號(hào)處理方法的比較，本文將采用小波變換方法來(lái)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析處理。小波變換有連續(xù)型變換，也有離散型變換，本文主要是采用離散小波變換來(lái)開展工作的，文中主要內(nèi)容包括：一、系統(tǒng)地介紹了路用探地雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)，主要闡述了探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

5、現(xiàn)狀、路用雷達(dá)設(shè)備的組成、探地雷達(dá)檢測(cè)路面的基本原理以及相關(guān)的測(cè)量參數(shù)和性能指標(biāo)?！径?、對(duì)幾種常用的信號(hào)分析方法作了比較詳盡的分析、比較。＼現(xiàn)有的信號(hào)分析方法很多，有時(shí)域分析法、頻域分析法以及時(shí)一頻聯(lián)合分析法，文中主要介紹了傅立葉變換、短時(shí)傅立葉變換和小波變換這幾種常用的信號(hào)分析方法，指出了它們各自的特點(diǎn)、適用性，以及小波變換方法適合于處理非平穩(wěn)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)所在。I’三、采用小波變換Mallat塔式算法應(yīng)用于路用探地雷達(dá)回波信號(hào)的濾波去噪。卟波變換具有多分辨率分析(即多尺度分析)的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常采用的Mallat塔式算法即是尺度參數(shù)伸縮步長(zhǎng)為

6、二的離散正交小波變換。在分解信號(hào)時(shí)，它起先將原始信號(hào)分解為頻率較低成分和頻率較高成分，然后繼續(xù)對(duì)低頻成分再次分解，而不再分解頻率較高成分，如此可以多次級(jí)聯(lián)進(jìn)行。本文介紹了小波變換Mallat塔式算法的基本理論，并基于該算法提出小波變換濾波原理，用Fortran語(yǔ)言編程計(jì)算，通過(guò)實(shí)際算例說(shuō)明它用于路用雷達(dá)回波信號(hào)濾波去噪的有效性。礦lf四、探討小波包變換在路用探地雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用。油于Mallat塔式算法僅對(duì)低頻成分進(jìn)行多次分解，所以只對(duì)低頻部分有較高的頻率分辨率，而高頻部分的頻率分辨率較低，因此存在一定的局限性，只適用于信號(hào)的主要信息集中在較

7、低頻段的情況。小波包算法可以說(shuō)是在Mallat塔式算法基礎(chǔ)上的改進(jìn)，能夠?yàn)樾盘?hào)提供一種更加精細(xì)的分析方法，它是對(duì)信號(hào)的低頻成分和高頻成分同時(shí)進(jìn)行多級(jí)分解，因此對(duì)低頻部分和高頻部分都具有較I型!奎蘭堡圭蘭堡壘圣塑圣高的時(shí)頻分辨率，從而具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文簡(jiǎn)單介紹了小波包變換的基本原理和分解、重構(gòu)算法，并探討了小波包信號(hào)提取算法在路用雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用(如在濾波去噪及薄層識(shí)別中的應(yīng)用)，通過(guò)實(shí)例分析進(jìn)行說(shuō)明。lf五、引入MATLAB計(jì)算軟件，利用其中的小波分析工具箱對(duì)路用探地雷達(dá)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理?！禡ATLAB是一個(gè)集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、

8、程序開發(fā)于一體的功能十分強(qiáng)大的系統(tǒng)，具有語(yǔ)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、數(shù)值計(jì)算高效可靠、圖形功能完備等特點(diǎn)，得到了國(guó)際上工程界和學(xué)術(shù)界的首肯。文中闡述了