【摘 要】
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探地雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）是一种利用电磁波传播进行地下目标探测的地球物理方法,具有无损、探测精度高、探测效率高、现场实施方便等优点,已被广泛应用于工程质量检测、地质勘察、考古、军事探测等领域。由于探测信号在地下介质中衰减严重,且会受到地表杂波、收发天线直接耦合波、地下背景杂波等干扰,GPR回波信号的信噪比较低,目标回波常被淹没在杂波中,不利于后续的数据解译
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“基于半监督深度学习的三维探地雷达道路病害检测和识别方法研究（42174175）”; 国家自然科学青年基金项目“结合稀疏表示和低秩矩阵恢复方法实现快速准确的城市道路地下病害自动识别（41704147）”; 山西省重点研发计划（社会发展领域）项目“城市道路灾害精准识别与预警技术（201803D31037）”
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探地雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）是一种利用电磁波传播进行地下目标探测的地球物理方法,具有无损、探测精度高、探测效率高、现场实施方便等优点,已被广泛应用于工程质量检测、地质勘察、考古、军事探测等领域。由于探测信号在地下介质中衰减严重,且会受到地表杂波、收发天线直接耦合波、地下背景杂波等干扰,GPR回波信号的信噪比较低,目标回波常被淹没在杂波中,不利于后续的数据解译、定量分析与目标识别。因此,杂波抑制是GPR数据处理的关键技术,是提高目标检测与识别的关键环节。目前,国内外学者针对GPR杂波抑制问题已提出了各种方法,其中低秩稀疏矩阵分解方法被证明具有优异的杂波抑制效果。但这类方法仍存在一些问题,如计算复杂度高、对参数敏感、复杂环境抑制效果不佳、无法处理三维数据等。针对现有问题,本文深入研究了基于低秩稀疏矩阵分解的杂波抑制方法。论文的主要创新点和研究成果如下:（1）针对现有方法存在计算复杂度高和参数敏感等问题,提出基于因子组稀疏正则化的杂波抑制方法。该方法利用非凸矩阵因子化取代现有方法中的核范数,降低计算复杂度,并通过更新过正则化参数与软阈值实现了参数无关的杂波抑制。仿真和实验结果表明:与现有方法相比,FGSR1/2具有更高的杂波抑制性能,更短的计算时长,且对参数不敏感。（2）针对实际应用中收发天线与地面存在不平行的情况,提出了基于权重核范数最小化的杂波抑制方法。该方法利用非凸权重核范数取代现有方法中的核范数,对回波矩阵的不同奇异值赋予不同的权重。仿真和实验结果表明:该方法在天线与地面存在倾角时,具有比现有方法更好的杂波抑制效果。（3）针对现有方法在GPR数据缺失时杂波抑制效果不佳的问题,提出基于深度自编码器的杂波抑制方法。该方法首先利用深度自编码器进行矩阵完备化,补充缺失的数据,然后再利用深度自编码器对完备化后的数据进行低秩稀疏矩阵分解,分解所得到的稀疏矩阵即为杂波抑制结果。仿真和实验结果表明:当数据缺失率为50%时,该方法仍然可以很好地实现对缺失数据的完备化以及对强杂波的有效抑制。（4）针对GPR三维数据的杂波抑制问题,提出基于张量鲁棒主成分分析的杂波抑制方法。该方法利用三阶张量核范数近似三维低秩杂波张量的秩,利用张量l-1范数限制目标矩阵的稀疏性,并采用随机奇异值分解降低计算复杂度,首次实现了三维数据的低秩杂波张量和稀疏目标张量的分解。仿真和实验结果验证了该方法对GPR三维数据杂波抑制的有效性。
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