/* * RadarProcessor.h * 探地雷达GPR数据预处理算法核心类头文件 * 功能：封装全套雷达道数据校正、滤波、增益、均衡、希尔伯特包络算法 * 架构：模块化单步骤参数结构体 + 流水线顺序调度执行 * 对接：MainWindow UI界面参数绑定、GPRDataModel三维道集数据模型 * 适配：RAD/RD3格式多通道、多测线原始雷达数据 */ #ifndef RADARPROCESSOR_H #define RADARPROCESSOR_H #include "GPRDataModel.h" #include #include #include class RadarProcessor { public: /** * @brief 所有可执行预处理步骤枚举标识 * 流水线严格按照枚举顺序业务逻辑排布 */ enum class ProcStepType { StepTimeZeroCut, // 0：零时校正（切除直达波零点） StepZeroDrift, // 1：道基线零漂消除 StepRemoveDC, // 2：简易整道直流偏移扣除 StepBackgroundRemove, // 3：剖面背景均值压制 StepSphericalTVG, // 4：球面扩散+介质吸收TVG深度增益 StepBandpassFilter, // 5：FIR带通滤波剔除高低频噪声 StepProfileSmooth, // 6：时空剖面平滑降噪 StepInnerAGC, // 7：单道内自适应振幅均衡AGC StepTraceToTraceAGC, // 8：道与道之间整体振幅均衡 StepHilbertTransform, // 9：希尔伯特变换（包络/正交分量） StepGlobalGain, // 10：全局统一倍率增益放大 StepMigration // 11：Kirchhoff偏移 }; //========================================================================= // 1. 零时切除参数结构体 StepTimeZeroCut // 作用：定位直达波起跳零点，裁掉零点前无效采样点，统一道起始位置 //========================================================================= struct TimeZeroCutParams { bool autoDetect = true; // true=自动识别零点；false=手动固定裁掉前N个采样 int cutSamples = 30; // 手动模式裁切采样点数 int frontSearchWindow = 180; // 零点搜索窗口：只在道前180个采样内找起跳点 double noiseSigmaMultiple = 3.0; // 起跳判定阈值：噪声标准差倍数，大于判定为有效直达波 bool enable = false; // 流水线开关：是否启用本步骤 }; /** * @brief 零漂消除模式枚举 */ enum class ZeroDriftMode { DC, // 模式1：整道均值直流偏移一次性扣除（速度快） Sliding // 模式2：滑动窗口逐段扣除基线（适合长时漂移严重数据） }; struct ZeroDriftParams { ZeroDriftMode mode = ZeroDriftMode::Sliding; int slidingWindowSamples = 100; // 滑动窗口采样点数，仅Sliding模式生效 bool enable = false; }; //========================================================================= // TVG球面深度增益 StepSphericalTVG // 物理原理：电磁波随传播距离球面扩散衰减+介质吸收衰减 //========================================================================= struct SphericalTvgParams { bool enableSpherical = true; // 开启球面扩散补偿 bool enableAbsorption = true; // 开启介质吸收衰减补偿 double velocityMPerNs = 0.12; // 雷达波速(m/ns)，从GPRDataHeader自动读取 double referenceDepthM = 0.01; // 参考基准深度（增益归一化基准） double exponent = 1.5; // 扩散指数：空气1.0、土体/混凝土常用1.0~2.0 double absorptionBeta = 1.0; // 吸收系数 β (dB/m)，干土小、湿土大 double maxGain = 30.0; // 最大增益上限，防止深层噪声过度放大 bool enable = false; }; //========================================================================= // 带通滤波 StepBandpassFilter // 滤除天线主频外低频漂移、高频仪器白噪声 //========================================================================= struct BandpassParams { bool autoFreq = true; // true自动根据天线主频计算通带；false手动填高低频 double lowFreqHz = 1000; // 通带下限(Hz) double highFreqHz = 100; // 通带上限(Hz) double antennaFreqMHz = 200.0; // 天线中心频率(MHz)，自动模式读取头文件 bool enable = false; }; //========================================================================= // 剖面二维平滑 StepProfileSmooth // 垂直=深度方向平滑；水平=测线道方向平滑 //========================================================================= struct ProfileSmoothParams { int smoothWindow = 2; // 半窗口大小，实际总窗口=2*window+1 bool verticalSmooth = true; // 深度方向平滑开关 bool horizontalSmooth = true; // 测线道方向平滑开关 bool enable = false; }; //========================================================================= // 背景去除 StepBackgroundRemove // 压制整剖面静态杂波、地面耦合固定反射、钢筋/管线持续干扰 //========================================================================= enum class BackgroundMode { MeanAverage, // 均值法：多道平均作为背景相减，通用稳定 SingularityFilter // 奇异值滤波：保留强异常，压制平缓背景（空洞/管线优选） }; struct BackgroundParams { BackgroundMode mode = BackgroundMode::MeanAverage; int averageTraceCount = 301; // 参与平均背景的同通道道数量 double singularityThreshold = 1.8; // 奇异判定阈值，越大越不容易抹掉小异常 bool enable = false; }; //========================================================================= // 道内AGC StepInnerAGC // 同一道内深浅振幅均衡，消除天然深度衰减（TVG补充均衡） //========================================================================= struct TraceInnerAgcParams { int windowSamples = 120; // 道内滑动RMS统计窗口 double targetRms = 0.0; // 目标RMS值；0=自适应均衡 double maxGain = 6.0; // 单窗口最大增益限制 double epsilon = 1.0; // 防除零极小值 bool enable = false; }; //========================================================================= // 道间AGC StepTraceToTraceAGC // 整条测线所有道之间振幅拉平，消除收发耦合波动、行走速度不均 //========================================================================= enum class TraceToTraceMode { Global, // 全局：全部道统一均衡基准 Local // 局部：滑动窗口相邻道均衡（起伏大路面优选） }; struct TraceToTraceAgcParams { TraceToTraceMode mode = TraceToTraceMode::Local; int horizontalWindowTraces = 31; // 局部模式滑动道窗口 double targetRms = 0.0; double maxGain = 4.0; double epsilon = 1.0; bool enable = false; }; //========================================================================= // 希尔伯特变换 StepHilbertTransform // 输出振幅包络（成像常用）或正交虚部（相位分析） //========================================================================= struct HilbertParams { bool computeEnvelope = true; // true=振幅包络；false=正交相位分量 bool enable = false; }; // 全局倍率增益 struct GlobalGainParams { double factor = 1.0; // 放大倍数，0.1~10区间常用 bool enable = false; }; // 简易去直流（轻量零漂） struct DcShiftParams { bool enable = false; }; //========================================================================= // Kirchhoff偏移参数 //========================================================================= struct MigrationParams { int sumWidth = 64; // 两侧各求和的迹线数量 double velocityMPerNs = 0.12; // 雷达波速(m/ns) bool enable = false; }; //========================================================================= // 流水线单步单元：存储步骤类型 + 全套独立参数 //========================================================================= struct ProcStepUnit { ProcStepType type; // 全部算法参数容器，运行时仅type对应的结构体生效 TimeZeroCutParams zeroCut; SphericalTvgParams tvg; BandpassParams band; ProfileSmoothParams smooth; BackgroundParams bg; ZeroDriftParams zeroDrift; TraceInnerAgcParams innerAgc; TraceToTraceAgcParams traceAgc; HilbertParams hilbert; GlobalGainParams gain; DcShiftParams dc; MigrationParams migration; }; //========================================================================= // 完整预处理流水线：有序步骤队列 + 默认标准流程 //========================================================================= struct ProcPipeline { QVector steps; /** * @brief 加载工业通用标准处理流水线（道路检测默认） * 顺序：零时→零漂→背景→TVG增益→带通→平滑→内AGC→道间AGC→包络 */ void setDefaultFlow() { steps.clear(); // 1. 零时校正 ProcStepUnit s0; s0.type = ProcStepType::StepTimeZeroCut; s0.zeroCut.autoDetect = true; s0.zeroCut.cutSamples = 30; s0.zeroCut.frontSearchWindow = 180; s0.zeroCut.noiseSigmaMultiple = 3.0; s0.zeroCut.enable = true; steps.append(s0); // 2. 零漂去除 ProcStepUnit s1; s1.type = ProcStepType::StepZeroDrift; s1.zeroDrift.mode = ZeroDriftMode::Sliding; s1.zeroDrift.slidingWindowSamples = 100; s1.zeroDrift.enable = true; steps.append(s1); // 3. 背景压制 ProcStepUnit s2; s2.type = ProcStepType::StepBackgroundRemove; s2.bg.mode = BackgroundMode::MeanAverage; s2.bg.averageTraceCount = 301; s2.bg.enable = true; steps.append(s2); // 4. TVG深度增益 ProcStepUnit s3; s3.type = ProcStepType::StepSphericalTVG; s3.tvg.enableSpherical = true; s3.tvg.enableAbsorption = true; s3.tvg.exponent = 1.0; s3.tvg.maxGain = 20.0; s3.tvg.absorptionBeta = 0.002; s3.tvg.enable = true; steps.append(s3); // 5. 带通滤波 ProcStepUnit s4; s4.type = ProcStepType::StepBandpassFilter; s4.band.autoFreq = true; s4.band.lowFreqHz = 100; s4.band.highFreqHz = 1500; s4.band.enable = true; steps.append(s4); // 6. 剖面平滑 ProcStepUnit s5; s5.type = ProcStepType::StepProfileSmooth; s5.smooth.smoothWindow = 2; s5.smooth.verticalSmooth = true; s5.smooth.horizontalSmooth = true; s5.smooth.enable = true; steps.append(s5); // 7. 道内AGC ProcStepUnit s6; s6.type = ProcStepType::StepInnerAGC; s6.innerAgc.windowSamples = 120; s6.innerAgc.maxGain = 6.0; s6.innerAgc.enable = true; steps.append(s6); // 8. 道间均衡AGC ProcStepUnit s7; s7.type = ProcStepType::StepTraceToTraceAGC; s7.traceAgc.mode = TraceToTraceMode::Local; s7.traceAgc.horizontalWindowTraces = 31; s7.traceAgc.maxGain = 4.0; s7.traceAgc.enable = true; steps.append(s7); } }; public: struct PipelineRuntimeContext { std::function isCanceled; std::function reportProgress; }; RadarProcessor(); //==================== 单算法静态处理函数 ==================== /// 简易去除整道直流偏移 static GPRDataModel removeDCShift(const GPRDataModel &input, const DcShiftParams& param); /// 零漂基线校正 static GPRDataModel removeZeroDrift(const GPRDataModel &input, const ZeroDriftParams& param); /// 全局统一倍率增益 static GPRDataModel applyGain(const GPRDataModel &input, const GlobalGainParams& param); /// TVG球面+吸收深度增益补偿 static GPRDataModel sphericalTvg(const GPRDataModel &input, const SphericalTvgParams ¶ms); /// 二维剖面均值平滑 static GPRDataModel profileSmooth(const GPRDataModel &input, const ProfileSmoothParams ¶ms); /// 道内滑动AGC均衡 static GPRDataModel traceInnerAgc(const GPRDataModel &input, const TraceInnerAgcParams ¶ms); /// 道与道之间振幅均衡 static GPRDataModel traceToTraceEqualization(const GPRDataModel &input, const TraceToTraceAgcParams ¶ms); /// 希尔伯特变换包络/相位 static GPRDataModel hilbertTransform(const GPRDataModel &input, const HilbertParams ¶ms); /// 零点自动/手动裁切算法实现 static GPRDataModel cutTimeZero(const GPRDataModel& input, const TimeZeroCutParams& param); /// FIR带通滤波实现 static GPRDataModel bandpassFilter(const GPRDataModel &input, const BandpassParams ¶ms); /// 背景杂波去除实现（均值/奇异滤波双模式） static GPRDataModel backgroundRemoval(const GPRDataModel &input, const BackgroundParams ¶ms); /// Kirchhoff偏移（x-t域双曲线求和） static GPRDataModel kirchhoffMigration(const GPRDataModel &input, const MigrationParams ¶ms); /** * @brief 流水线总执行入口 * @param rawData 原始未处理GPR三维道集数据 * @param pipeline 有序步骤流水线配置 * @return 逐步骤处理完成后的成品数据 */ static GPRDataModel runPipeline(const GPRDataModel& rawData, const ProcPipeline& pipeline); static GPRDataModel runPipeline(const GPRDataModel& rawData, const ProcPipeline& pipeline, const PipelineRuntimeContext *context); }; #endif // RADARPROCESSOR_H