CN103576127A - 用于多天线的地面穿透雷达的合并显示 - Google Patents

Abstract

在本发明的一个实施例中，来自地面穿透雷达的数据的可视化输出到可视媒体上显示。这种显示具有来自较高频率范围天线输出的第一显示区域、来自较低频率范围天线（与另一种天线相比，见“具体实施方式”中的定义）输出的第二显示区域，以及在第一和第二显示区域之间的过渡区域，该区域具有来自较低频率天线和较高频率天线的合并数据。基于每种天线的最佳深度范围，该过渡区域的深度范围可能不同，例如由查看可视化输出的查看者手动改变，这可能发生在实时操作中，即当用户操作雷达并查看其可视化输出时。或者，作为后处理的一部分来改变过渡区域的转换深度范围和/或宽度。

Description

用于多天线的地面穿透雷达的合并显示

技术领域

本发明总的来说涉及地面穿透雷达(GPR)，更具体地说，涉及一种用于显示地面穿透雷达(GPR)数据的技术。

背景技术

GPR，或地面穿透雷达(其中雷达是“无线电探测和测距”)，是一种用于评估非均质材料的组成和所处位置的技术。GPR使用一定频率的无线电，因为它是非破坏性和非电离的，所以它非常有用。事实上，GPR使用类似于移动电话的频率，但功率远远低于移动电话。常见的应用包括在混凝土墙/地面里确定钢筋的精确位置，识别和定位埋在地下的对象，评估沥青或混凝土公路表面的质量和均匀性，检测桥面恶化情况。在路面应用中，GPR用于，例如，检测碎石封层、路面结构层、砂砾基层等的任何一层有无裂纹、裂缝、或污染。在很多路面应用中，路面特征的分辨率需要小于1英寸(2.54厘米)。这种系统可以安装在车辆上，当车辆行驶在路面上时获取测量数据。GPR系统更详细的资料公布在Bashforth等人的专利号为5499029的美国专利以及Lytton等人的专利号为5384715的美国专利中，在此通过引用的方式并入本发明。

地面穿透雷达（GPR)天线制造成不同尺寸，可用于不同用途。一般来说天线越小，频率越高，其分辨率越高，显示细节越精细，但穿透深度没有较低频率天线深。越大的天线，频率一般越低，能够穿透得更深，但具有较低的分辨率，因此不能区分精细的细节。通过同时使用两种天线来进行一项调查，一种较高频率模式和一种较低频模式，用户能够获得每种天线的最佳表现。地面附近部分具有最佳分辨率，而对于更深的部分则可在最大范围下查看。即使采用目前的最佳做法，在同一个监视器上查看显示的两个单独的图片对普通用户来说也可能会是很困难的。

因此，在采用地面穿透雷达时，本领域需要找到一种更好的方式来呈现浅层的高分辨率精细细节和低分辨率的穿透更深的信息。

发明内容

因此，本发明的目的是通过混合来拼接（加入连续和平滑输出）来自GPR测量的输出，从而移除图像中任何可见的间断。通过这种方式，提供勘察的地下部分的最佳视图，从而与现有技术相比，提供更为容易和详尽的查看。

在本发明的一个实施例中，从地面穿透雷达获取的数据的可视化输出显示在可视媒体上。这种显示具有来自较高频率范围天线输出的第一显示区域、来自较低频率范围天线（与另一种天线相比；见“具体实施方式”中的定义）输出的第二显示区域，以及在第一和第二显示区域之间的过渡区域，该区域具有来自较高频率天线和较低频率天线的合并数据。基于每种天线的最佳深度范围，该过渡区域的深度范围可能不同，例如通过查看可视化输出的查看者手动改变，这可能发生在实时操作中，即当人们操作雷达并查看其可视化输出时。或者，作为后处理的一部分来改变过渡区域的过渡深度范围和/或宽度。就本发明的公开内容而言，后处理是指在收集所有用于产生可视化输出的数据之后的一段时间。实时处理是指一接收到数据就进行处理，但在可视化输出显示之前进行合并。

基于每个天线的每次输出中单位面积内分离数据的检测数量，和/或基于测到的本底噪声，和/或基于在过渡范围内从每种天线接收到的数据匹配的近似度，过渡区域的深度范围可以自动变化。通过这种方式，随着扫描的进行，深度范围被重新计算。这可能会导致出现非线性过渡区域，此区域包括过渡区域的不同的起始深度和/或结束深度。

更进一步，应该理解的是，可使用任何数量的天线，每个天线均具有不同的最佳频率范围，带有在可视化输出中在每个天线的展示区之间显示的过渡深度范围。

在处理地面穿透雷达测量的方法中，使用至少两个天线同时发送和接收信号，确定一个深度范围，与其他天线接收到的信号相比，在此范围内每根天线接收的每个信号都是最好的（或“最佳的”，如具体实施例中所使用的），并显示结合和连续的深度可视化输出。该显示具有来自每个确定的最佳深度范围的部分可视化输出，并具有至少一个过渡区域，该区域包含两个最佳深度范围之间的过渡输出。

上述设备的进一步特征，也适用于该使用方法。

附图说明

图1显示了在本发明的一个实施例中，通过两个地面穿透雷达天线生成的数据的样例输出图；

图2A显示了使用具有高频率天线的GPR生成的实际图像；

图2B显示了使用具有低频率天线的GPR生成的实际图像；

图3显示了在本发明的一个实施例中，来自两个不同天线的两种图像输出之间的过渡区域；

图4A显示了在本发明的一个实施例中，两种图像输出的哪些部分用于形成合并的图像输出；

图4B显示了在本发明的一个实施例中使用如图4A所示的图像输出形成的一个合并的图像输出，其包括一个转换区域；

图5A显示了图4A中用于形成一个合并的图像输出的两种图像输出的干净版本；

图5B显示了图4B的合并的图像输出的干净版本；

图6显示了本发明的一个实施例的一个合并的图像输出的输出；

图7显示了在本发明的一个实施例中，为了产生图像GPR输出所采取的步骤的概括性流程图；

图8显示了可用于实施本发明的设备的概括性框图。

具体实施方式

在本发明的一个实施例中，从地面穿透雷达获取的数据的可视化输出显示在一个可视媒体上。这种显示具有来自较高频率范围天线输出的第一显示区域、来自较低频率范围天线（与另一种天线相比；见“具体实施方式”中的定义）输出的第二显示区域，以及在第一和第二显示区域之间的过渡区域，该区域具有来自较低频率天线和较高频率天线的合并的数据。基于每种天线的最佳深度范围，该过渡区域的深度范围可能不同，例如由查看可视化输出的查看者手动改变，这可能发生在实时操作中，即当查看者操作雷达并查看其可视化输出时。或者，作为后处理的一部分来改变过渡区域的转换深度范围和/或宽度。

图1显示了在本发明的一个实施例中，通过两个地面穿透雷达天线生成的数据的样例输出图。高频输出100显示在图左侧，低频输出130显示在图中间，混合输出160显示在图右侧。y轴是测量深度(以米为单位），x轴是在每个深度位置的信号幅度。“高”或“较高”频率和“低”或“较低”频率是相对于彼此定义的。也就是说，当使用或声明了两个天线，应当理解的是，“高”或“较高”频率天线的频率高于“低”或“较低”频率天线。使用一个天线可能能够在整个频率范围内测量，但是就本发明的目的而言，“高”或“低”频率天线，是与GPR系统中使用的另外的天线相比，在更高或更低频段能获得最佳测量的一根天线。

因此，例如，GPR经常用于300-900Mhz的范围/频段。“较高”频率天线将会在最高频率处被优化(定义为，与其它一起使用生成图形输出的天线相比，产生最精确的测量结果），在此实例中，在900Mhz及其附近（例如覆盖从顶部开始的频段的10%，25%或者50%）。“较低”频率天线将会在最低频率处被优化(定义为，与其它一起使用生成图像输出的天线相比，产生最精确的测量结果）。在本实例中，较低的频率天线将会在300MHz及其附近被优化(产生更好的结果)。类似地，同时或者一个接一个使用的多个天线可用于在其他频段中进行测量，例如900Mhz-3000Mhz用于混凝土测量，10Mhz-400Mhz用于地质勘测，或者400-5000Mhz用于交通运输行业中。在一个实施例中，本发明限于脉冲型天线。

回到图1，可以看出，较高频率天线100在0-1.6米的深度范围内具有最准确的（定义为最佳或者精准）测量结果。在本实例中，若低于这个深度，高频天线100输出的主要是噪声。然而，较低频率天线130，在深度小于约1.6米时具有最精确的测量。混合图160放置了由在过渡深度点180之上的较高频率GPR天线生成的数据输出以及由在过渡深度点180以下的较低频率GPR天线生成的数据输出。过渡深度点180定义为这样一个深度，在此深度处过渡合并的中心点位于两个不同天线的输出之间。深度的过渡合并范围，或者图像的过渡区域，在大小（深度范围）上基于多种因素可能不同，这在后续附图中可以看出。在此处，用户可简单地查看图形并使用软件应用程序，例如连同鼠标或触摸屏使用由处理器执行的命令，以将线180向上或向下移动，并增加或减小转换区域大小。当收集GPR数据时，对线180的这种操作可以是实时的，或者在收集完数据之后作为后处理的一部分进行操作。该过渡区域和确定方法同样会在下文中得到更详细的描述。

图2A显示了使用具有高频率天线的GPR生成的实际图像。图2B显示了使用具有低频率天线的GPR生成的实际图像。在较小的深度处，来自高频率天线105的图像比来自低频率135的图像显示出更多的数据。然而，低频率天线135，在较小的深度处具有更清楚（更精确)的数据。再次，这对于裸眼观察是明显的，在这种情况下，用户可以指出过渡区域180的中心的深度。但是，这也可取决于事先了解使用的天线的参数并预先定义其最佳范围。例如，高频率天线可以基于已知特性预先定义，用于0m以下、不小于1.5m但不超过2m的较小深度。较低频率天线可规划用于不低于1.6m至无穷大深度之间。

当这两个天线一起使用，第一个天线的最大深度和第二个天线的最小深度可以被平均，或者可指定优选的转换范围。用户可以简单地从与各种天线相关的预填充天线列表中选择一种使用。这种预先填充的列表可以基于使用情况作进一步修改，即用户可预先选择过渡点。同样，当使用三个或更多的天线时可以采用这种方法或其组合。在通过天线接收的每种数据的展示区之间设有一个过渡区域，此过渡区域显示了来自两个图像区域的数据的合并，一个图像区域对应于两个天线中的一个。

虽然上述确定过渡阈值深度的方法是手动或半自动的，但也可在本发明的实施例中使用全自动技术。第一种方法涉及测定除了最低频段天线之外的所有天线的本底噪声。在信号理论中(以及就本发明而言通过其定义)，本底噪声是对在测量系统中来自所有噪声源的和无用的信号的总和进行的测量，其中噪声定义为除了被检测信号之外的任何信号，本底噪声是最深的测量点，在此处噪声对于恰当的查看所需数据而言处于在可接受范围内。如果测量设备生成的噪声占主导地位，那么这是仪器本底噪声而不是一个物理本底噪声。在图2A中显示了本底噪声190，在大约260m的最小本底噪声深度处，不再使用可视化输出。因此，在本发明的一个实施例中，过渡区开始于最低本底噪声深度或开始于该深度之上。

自动确定过渡深度以及进一步确定合并来自两幅图像的数据的过渡区域的另一种方法涉及检测每个天线的每种输出中的单位面积的分离数据的数量。这可通过以下步骤确定：查看来自单个天线的输出，将数据图形转换为数字数据并确定像素点数量，所述像素点具有以下特征：a）不与另外一个其它像素点相邻，以及b）仅仅与一个其它像素点相邻，c）确定在一围绕单独像素点或像素点的正方形、矩形或者圆形中的像素密度，例如具有2、4、6、8、10或20个像素点的直径或长度。在一个像素单元区域内的分离数据，或其密度，可与相同区域内来自另外一个天线的图像输出进行比较。因此，当查看图2A和2B中约1米处时，用户会注意到在图2A中大部分的像素点结合到其它像素点并且密度很高，然而在图2B中，数据少很多。因此，在1米处，高频天线105更为准确。但是，在2米处，两个天线之间，结合的数据量相对于分离的数据量是相当的。因此，基于像素密度的比较，可自动确定这两个天线在此范围内的读数都是可接受的。在这一点上，进行数据量的另外确定。由于图2B中的图像在2米处具有稍微更多的数据，这就决定了在预配置过程中应该利用低频率图像135。使用一个迭代过程并比较分离的像素点和像素点数目以便确定噪声和有用信息的数量，然后直接用统计计算以确定线180的放置位置。

图3强调了在本发明的一个实施例中，来自两个不同天线的两种图像输出之间的过渡区域。深度范围/图像输出105同样是图2A中所示的输出的一部分，而深度范围/图像输出135同样是图2B中显示的输出的一部分。也就是说，该图显示了两个图像输出的合并，该图像在约1.6m处分离。为了提供一个连续的图像，在中央过渡线180附近有一合并区域(相当于之前所述附图中的线180)。当使用三个或更多的天线时，过渡区域的大小可以预先定义，例如是两个天线深度范围的全图或总大小的2%、5%或10%。再次，用户可以选择在实时操作或作为后处理部分修改过渡区域的大小。另外，基于参考附图2A和2B描述的统计分析，可确定优化的过渡范围，在此范围内，输出105和输出135之间的差异最小。在过渡区域185输出的数据可混合在一起(定义为通过如下操作进行改变：通过软件数据工具将命令传送到处理器，以确定哪些像素组或像素线整体足够接近，从而尽可能减少移动，将像素线或像素组彼此结合到流体通道（fluid path），和/或删除或逐渐减少在结合到来自另一个天线的输出时会突然中断的像素线）。

图4A显示了在本发明的一个实施例中，两种图像输出的哪些部分用于形成合并的图像输出。图4B显示了在本发明的一个实施例中使用如图4A所示的图像输出形成的一个合并的图像输出，其包括一个转换区域。在图4A中，删除了在输出105的所选区域106中显示的深度范围。基于区域105的底部像素点106和区域135的顶部像素点136的合并或结合（这些区域在图4A的框185中），在图4B中创建过渡区域185，对应于图4A中删除的区域。请注意，在这实施例中，输出105的所选区域106是在本底噪声190的深度范围之上和之外，以便排除本底噪声和在合并输出中在此噪声层之下的任何东西。虽然输出有时会有轻微的模糊，在区域106（输出105中被选中用于合并输出的部分）和136（输出135中被选中用于合并输出的部分）之上创建一个来自两个天线的连续的图像输出，产生的结果比两根天线中单独一根提供的结果更清楚和更精确。

确定过渡位置和范围的另一种方法是对两个天线的输出之间的测量进行重叠。这又确定了哪部分（例如106和136）输出用于合并显示。例如，可在两个天线之间以一定的间隔进行统计采样或比较，例如每隔0.5m、1m或2m的深度。如果输出是极其不同的(定义为25%以上不同)，用户可得出结论(手动或自动)，即正在测量的深度仅为一个天线的最佳深度。但是，如果输出是极其相似的(定义为90%以上相同或统计学类似，其中在统计上类似被定义为在彼此的2个像素点之内），那么用户可得出结论，即该深度是可能适用于两个天线的最佳深度。由于匹配相近，或最相近，这个深度可能被用于过渡区域的中心，例如区域185，因为合并数据将大致上重叠，会产生平滑的图像。

图5A显示了图4A中用于形成合并的图像输出的两种图像输出的一个干净版本。图5B显示了图4B的合并的图像输出的干净版本。图6显示了本发明的一个实施例的一个合并图像输出的输出。在这些附图中，用户可领会到用两个不同的天线获取的图5A的两个可视化输出分别产生输出105和135。通过采用每个输出的最佳视图(输出105的“较上”部分，如图所示其为顶部，以及输出135的“较下”部分，如图所示其为底部)，在本发明的实施例中，形成新输出200。此新输出200包括来自第一输出105、第二输出135和合并区域185的输出的多个部分。

图6显示了本发明的一个实施例的合并图像输出的输出。合并输出200显示了所有深度区域内的最清楚的输出。

图7显示了在本发明一个实施例中，为了产生图像GPR输出所采取的步骤的高级流程图。在步骤510中，从第一天线发射和接收信号，而在515中，则从第二天线进行类似操作。两个天线中的每一个均可具有发射器和/或接收器。在所有使用的天线中，必须设有至少一个发射器和至少一个接收器，以及发射器和接收器的至少两种结合，以此产生两个不同的数据集合。在单个天线上，发射器和接收器可以是两个不同的电气耦合的物理设备，或者可以是天线上的相同的物理设备。在图5中当使用两个天线时，应当理解为，至少使用两个天线，而且使用三个、四个、五个或更多的天线时的处理方法均相类似。

在步骤520中，对接收到的不同深度范围的信号的质量进行比较。如上文所述，这可能是手动完成(通过查看输出)，而不是半自动的机制(如基于关于每个天线的输入或检测信息)，或通过完全自动化机制(例如，通过确定本底噪声和/或确定分离的或错误的像素的密度)完成。因此，每个天线的最佳深度范围在步骤530中确定，然后在步骤540中确定过渡深度范围。过渡深度范围是起始和结束深度，在此处用图像表示的输出数据是来自两个天线的合并（基于此的）输出，一个显示在比过渡深度范围更浅的深度，一个显示在比过渡深度范围更深的区域。因此过渡深度范围包括来自两个不同天线的输出，并将其合并在一起。过渡深度范围的数量比用于产生图像输出的天线的数量少一个。

参见步骤530和540，在一个实例中使用三个天线，可确定第一天线具有0-2米的最佳深度范围。第二个具有2-10米的最佳深度范围。第三个具有10-20米的最佳深度范围。在这些深度之间的过渡范围可通过预设值或所选的深度范围中的任意一个或其组合设置，使得这种确定基于图像美学上的重叠，并进行优化使得尽可能多的未拆分深度范围，和/或两个天线的噪声和伪影最显著的区域与过渡深度范围交界。在一个实例中，第一过渡深度范围是2米，第二过渡深度范围是10米，然后在步骤550中显示输出，如下所述：

再次参见步骤550，其显示了具有最佳深度范围和过渡范围的合并输出的图像输出。然后，在步骤565中，用户基于检测的参数，可决定是否修改过渡尺寸或位置，例如基于查看图像来决定是否使用一个滑动器调整到一致。或者，在步骤560中，过渡尺寸或位置可以基于检测到的参数进行修改，如上所述，基于确定的分离数据等等。

应该理解的是，可通过共存于同一位置的两个天线或者两个已物理连接但没有共存于同一位置的天线（即它们位于两个不同的位置，但是通过电气结合或通过后处理实现对某一特定位置接收更好的信号）获取雷达数据。可在不同时间上，例如在短时间段内连续地，将多个天线移动出目标区域，只要接收到的数据在某一特定深度范围以可接受的宽容度重叠，因此显示的过渡范围可由上述方法中的一个确定。

图8显示了可用于实施本发明的设备的概括性框图。设备700包括处理器750，其通过执行测量设备程序指令控制计算机的整个操作，该指令定义了这种操作。当需要执行测量设备程序指令时，该测量设备的程序指令可以存储在存储设备720(例如，磁盘、闪存盘、数据库)并加载到内存730中。因此，测量设备的操作都会被存储在内存730和/或存储设备720中的测量设备程序指令所定义，该测量设备会由执行测量设备程序指令的处理器750所控制。设备700还包括一个或多个的输入网络接口，用于通过网络（例如“互联网”)与其它设备进行通讯。设备700还包括一个或多个的输入网络接口710，用于与其他设备进行通讯。设备700还包括输入/输出设备740，代表了允许用户与计算机700互动的设备(例如，显示屏、键盘、鼠标、扬声器、按钮等)。本领域技术人员将意识到实施的实际设备将包含其他组件，图7是这种测量设备的某些组件的概括性代表，其仅用于说明的目的。本领域技术人员还应该明白，图1-5中描述的方法和设备可在图6中显示的设备上实施。

虽然根据上述实施例对本发明进行了详细教导，但具有本领域普通技能的人员可意识到在不背离本发明的精神和范围的情况下可对本发明进行形式上和细节上的修改。上述实施例被认为在各个方面上仅是对本发明进行说明，而非限制。落入与权利要求等效的意义和范围内的所有修改都被包括在权利要求的范围内。上述描述的所有方法、系统和设备的组合也是预期的，落入本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.生成显示在可视媒体上的来自地面穿透雷达的数据的可视化输出的装置，显示的可视化输出包括：

来自较高频率范围天线输出的第一显示区域；

来自较低频率范围天线输出的第二显示区域；

在所述第一和第二显示区域之间的过渡区域，包括来自所述较低频率天线和所述较高频率天线的合并的数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述转换区域的深度范围基于每种所述天线的最佳深度范围变化。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述深度范围由所述可视化输出的查看者手动改变。

4.根据权利要求3所述的装置，其中在操作所述雷达和查看所述可视化输出时，所述深度范围实时变化。

5.根据权利要求2所述的装置，其中所述深度范围在数据的所述可视化输出显示后改变，作为所述数据的后处理的一部分。

6.根据权利要求2所述的装置，其中基于在每个所述天线的每个所述输出中检测到的单位面积的分离数据的数量，所述深度范围自动改变。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述深度范围基于确定的本底噪声变化。

8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括来自第三天线输出的第三显示区域，在所述第二显示区域和所述第三显示区域之间具有第二过渡区域。

9.根据权利要求1所述的装置，其中使用所述较高频率和所述较低频率范围天线的发射和接收是同时发生的。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述转换范围的位置基于在深度范围内从每个天线接收到的数据的匹配近似度确定。

11.一种处理地面穿透雷达测量的方法，包括如下步骤：

使用至少两个天线同时发射和接收信号；

确定一个深度范围，与其它所述天线接收到的信号相比，在此范围内接收到的信号对于每个所述天线来说是最佳的；

显示深度的结合和连续的可视化输出，所述显示包括：

来自每个所述确定的最佳深度范围的一部分可视化输出；以及

至少一个过渡区域，其包括在两个所述最佳深度范围之间的过渡输出。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少两个天线中的每个天线均在不同频段进行测量，并且每个所述天线产生不同的最佳深度。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述过渡区域包括两个天线的最佳深度的外部范围。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述过渡区域由所述输出的查看者手动确定。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述过渡区域进一步包括用于至少两个所述天线的测量的不精确频段，所述每个所述天线的不精确频段彼此重叠。

16.根据权利要求11所述的方法，其中所述过渡区域基于从所述至少两个天线中的两个所述天线中测定的每个深度的分离数据的浓度的确定而自动确定。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述过渡区域的最大范围基于每个所述天线的已知特性预定义。

18.根据权利要求11所述的方法，其中确定和显示的步骤作为后处理的一部分实施。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述最佳范围基于确定的本底噪声确定。

20.根据权利要求11所述的方法，其中所述过渡区域基于两个所述天线输出重叠中的相似度确定。

Images