CN110546527A - 用于探地雷达检测的改进方法及其设备 - Google Patents

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CN110546527A CN201880025946.XA CN201880025946A CN110546527A CN 110546527 A CN110546527 A CN 110546527A CN 201880025946 A CN201880025946 A CN 201880025946A CN 110546527 A CN110546527 A CN 110546527A
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G·马纳科尔达
M·米尼亚蒂
D·帕斯库利
A·西米
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    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves

Abstract

一种相对于具有原点O(0,0)以及轴x和轴y的笛卡尔参考系S(x,y)检测表面(200)下的物体(10)的位置的方法，该方法包括以下步骤：预先布置GPR设备(110)，GPR设备(110)包括GPR传感器、被配置成测量相对于不透明物体的距离的距离检测单元(115)、控制单元、在笛卡尔参考系S(x,y)上具有坐标xc和yc的参考中心C(xc,yc)。该方法还包括以下步骤：预先布置第一直壁(120)，第一壁(120)具有与笛卡尔参考系S(x,y)的轴x平行的方向；在表面(200)上操纵设备(110)；检测距离检测单元与第一直壁(120)之间的第一距离测量值；借助于控制单元处理第一距离测量值，以便计算参考中心C(xc,yc)的坐标yc；重复检测和处理第一距离测量值的步骤，以便计算操纵步骤期间坐标yc的变化；将坐标yi＝yci与检测到的第i个物体(10)相关联，其中，yci是在GPR传感器检测到第i个物体(10)时的坐标yc的值。

Description

用于探地雷达检测的改进方法及其设备
技术领域
本发明涉及使用GPR(探地雷达)技术来识别不可见物体的勘测领域。
特别地，本发明涉及在实现该技术期间跟踪GPR设备的位置的方法和系统。
背景技术
已知检查装置使用射频能量来对地下、建筑物墙壁中或者其它隐藏场所中的物体进行雷达调查，这种检查装置在土木工程、地质学、考古学领域方面具有各种应用。这些装置的优点是不会干扰结构以及包围这些结构的材料的物理的、化学的以及机械的特性。
在这些装置(称为地质雷达(georadar)或者缩写为GPR(探地雷达)或SPR(表面穿透雷达))中，许多装置设置了至少一个RF射频接收器/发射天线(GPR传感器)以及远程控制单元，该远程控制单元通常包括计算机和具有天线的接口卡。这些装置的操作原理通常是雷达发射非常短持续时间的RF信号(几纳秒)并处理由被发射信号勘测的物体反射的返回信号(回波)。GPR传感器在待勘测的材料的表面上移动，并且一旦开始发射，就通常以二维图像的形式来显示接收到的经适当滤波的返回信号，并以恰当的颜色编码来表示幅度随时间(纵坐标)和空间(横坐标)的变化。
通常，在对材料的排布和延伸范围未知的陷入物体进行识别和地图构建的操作中使用的现有技术的GPR是通过沿着垂直方向或者沿着测量点的网格进行扫描来完成的。这项操作既费时又费力，但是由于需要识别方向未知或者不能先验确定的隐藏物体而被强加。事实上，陷入物体的位置相对于扫描方向越接近于垂直，GPR能够以越高的准确度来检测这些陷入物体。
对于沿着前述预定的方向的GPR设备，存在执行这些扫描的实时辅助系统。这些实时辅助系统是基于装置的GPS位置，或者基于GPR与能够发射激光束的站(全站仪)之间的距离和角度测量。而所述距离和角度测量需要全站仪与GPR之间的无线电链路来进行瞬时位置的通信；此外，GPR与激光源之间不得有任何可以阻断视线的障碍物。
然而，建筑物内无法进行GPS跟踪。替代地，通过全站仪进行定位是复杂的，最重要的是因为光束可以被存在的同一GPR操作者阻挡。
作为这些方法的另选例，现有技术提供了使用有限延伸的纸张，其将被贴附在待勘测的材料表面上并且示出在GPR扫描期间要执行的轨迹；然而，这些装置使操作者无法控制所执行的轨迹的正确性，因此这些装置不是非常有效的。
然后，在纸张上手动示出已识别的物体的位置，以便识别可以安全打钻(可能刺穿该张纸)的区域；因此，位置的准确度显然很差。
文献WO/2003/062860描述了一种基于垫子的定位系统，该垫子设置有多个凸起并且能够确保沿单个方向准确地执行轮廓描画；然而，这种解决方案不允许垂直扫描，如果必须在竖直壁上进行扫描，那么该解决方案是不实用的。此外，在该垫子上无法表示检测到的物体的位置。
在文献JPS6193969中，描述了一种用于检测地下物质的位置的装置，所述装置包括自推进载具(self-propelled carriage)、用于检测地下的物质的传感器以及用于确定所述物质一旦被发现后相对于固定障碍物的位置的距离传感器。
然而，该装置不允许实时跟踪载具的位置，增加了偏离待扫描的轨迹的概率，从而降低了获得准确的GPR图像的概率。
发明内容
因此，本发明的特征是提供一种检测表面下的物体的位置的方法，该方法使得能够在不借助于GPS系统的情况下对绝对参考系中的物体进行检测。
本发明的另一目的是提供这样一种方法，即，该方法使得能够容易地存储收集的信息，以使该信息可用于后续的扫描。
本发明的又一特征是提供一种用于实现该方法的系统。
这些和其它目的是通过以下方法来实现的：一种相对于具有原点O(0，0)以及轴x和轴y的笛卡尔参考系S(x，y)检测表面下的物体的位置的方法，所述方法包括以下步骤：
-预先布置GPR设备，所述GPR设备包括：
-GPR传感器；
-距离检测单元，所述距离检测单元被配置成测量相对于不透明物体的距离；
-控制单元；
-参考中心C(xc，yc)，其在所述笛卡尔参考系S(x，y)上具有坐标xc和坐标yc；
-预先布置第一直壁，所述第一壁具有与所述笛卡尔参考系S(x，y)的所述轴x平行的方向；
-沿着轨迹γ在所述表面上操纵所述GPR设备；
-检测所述距离检测单元与所述第一直壁之间的第一距离测量值；
-借助于所述控制单元来处理所述第一距离测量值，以便计算所述参考中心C(xc，yc)的所述坐标yc；
-按时间间隔τ重复所述检测所述第一距离测量值的步骤和所述处理所述第一距离测量值的步骤，以便计算所述操纵的步骤期间所述坐标yc的变化；
-将坐标yi＝yci与检测到的第i个物体相关联，其中，yci是在通过所述GPR传感器检测到所述第i个物体时的所述坐标yc的值；
所述方法的主要特征在于，所述方法还包括以下步骤：
-基于所述坐标yc的所述变化，来验证所述轨迹γ是否与预定轨迹γ′一致；
-在所述验证的步骤为否的情况下，对执行所述操纵的步骤所沿的所述轨迹γ进行校正。
这样，可以实时获知所述中心C(xc，yc)的一个坐标。如果已知所述设备的操纵方向，那么还可以计算出C(xc，yc)的另一个坐标。因此，可以相对于所述参考系实时检测每个物体的位置。
有利地，所述方法还提供了以下步骤：
-预先布置第二直壁，所述第二壁具有与所述笛卡尔参考系S(x，y)的所述轴y平行的方向；
-检测所述距离检测单元与所述第二直壁之间的第二距离测量值；
-借助于所述控制单元来处理所述第二距离测量值，以便计算所述参考中心C(xc，yc)的所述坐标xc；
-按时间间隔τ重复所述检测所述第二距离测量值的步骤和所述处理所述第二距离测量值的步骤，以便计算所述操纵的步骤期间所述坐标xc的变化；
-将坐标xi＝xci与检测到的第i个物体相关联，其中，xci是在通过所述GPR传感器检测到所述第i个物体时的所述坐标xc的值。
这样，即使不知道所述设备的操纵方向，也可以实时获知所述中心C(xc，yc)的两个坐标。
特别地，所述距离检测单元包括至少一个激光传感器，所述至少一个激光传感器被设置成借助于激光脉冲的发射时间与接收时间之间的差来确定相对于所述第一直壁的所述第一距离测量值和/或相对于所述第二直壁的所述第二距离测量值。
有利地，所述第一壁和/或所述第二壁涂覆有反射材料，所述反射材料被设置成在反射所述激光脉冲方面提供较高的精度。
特别地，所述反射材料是漫射激光的材料，例如，反射体。
有利地，所述方法还提供了以下步骤：
-将标记物重叠在相对于所述笛卡尔参考系S(x，y)具有坐标(xk，yk)的预定点Pk处，所述标记物被设置成包含关于所述坐标(xk，yk)以及关于在所述预定点Pk附近测量到的可能的物体的信息；
-通过读取器获取包含在所述标记物中的所述信息；
-使用获得的所述信息，通过增强现实软件来显示与所述表面重叠的、检测到的所述可能的物体。
根据本发明另一方面，要求保护一种相对于具有原点O(x0，y0)以及轴x和轴y的笛卡尔参考系S(x，y)检测表面下的物体的位置的系统，所述系统包括：
-GPR设备，所述GPR设备包括：
-GPR传感器；
-控制单元；
-参考中心C(xc，yc)，其在所述笛卡尔参考系S(x，y)上具有坐标xc和坐标yc；
-第一直壁，所述第一壁具有与所述笛卡尔参考系S(x，y)的所述轴x平行的方向；
-第二直壁，所述第二壁(130)具有与所述笛卡尔参考系S(x，y)的所述轴y平行的方向；
-距离检测单元，所述距离检测单元被设置为：
-检测所述距离检测单元与所述第一直壁之间的第一距离测量值；
-检测所述距离检测单元与所述第二直壁之间的第二距离测量值；
所述控制单元被设置成执行以下项：
-处理所述第一距离测量值和所述第二距离测量值，以便计算所述参考中心C(xc，yc)的坐标xc和yc；
-将坐标xi＝xci和yi＝yci与检测到的第i个物体相关联，其中，xci和yci是在通过所述GPR传感器检测到所述第i个物体时的所述坐标xc和yc的值；
所述系统的主要特征在于，所述控制单元还被设置为：
-基于所述坐标yc的所述变化，来验证所述轨迹γ是否与预定轨迹γ′一致；
-在所述验证的步骤为否的情况下，对执行所述操纵的步骤所沿的所述轨迹γ进行校正。
有利地，所述距离检测单元包括至少一个激光传感器，所述至少一个激光传感器被设置成通过激光脉冲的发射时间与接收时间之间的差来确定相对于所述第一直壁的所述第一距离测量值和/或相对于所述第二直壁的所述第二距离测量值。
特别地，所述距离检测单元包括四个激光传感器，所述四个激光传感器被配置成使得按彼此成90°发射激光脉冲。
有利地，还设置了角度传感器，所述角度传感器被配置成测量所述GPR设备相对于所述笛卡尔参考系S(x，y)的角度变化并将所述角度变化提供给所述控制单元。
这样，如果所述设备未按直线移动，则所述控制单元可以通过获知相对于初始位置的所述角度变化并且应用简单的三角计算来识别所述中心的坐标。
有利地，所述距离检测单元适于在其自身上旋转，以便相对于所述笛卡尔参考系S(x，y)来使其自身的角度取向保持固定。
这样，即使所述设备旋转，所述激光脉冲也总是垂直于所述直壁，从而提高了测量准确度。
根据本发明另一方面，要求保护一种用于利用GPR设备(110)来相对于具有原点O(x0，y0)以及轴x和轴y的笛卡尔参考系S(x，y)检测表面下的物体的位置的系统，所述GPR设备包括：
-GPR传感器；
-控制单元；
-参考中心C(xc，yc)，其在所述笛卡尔参考系S(x，y)上具有坐标xc和坐标yc；
所述系统包括：
-第一直壁，所述第一壁具有与所述笛卡尔参考系S(x，y)的所述轴x平行的方向；
-第二直壁，所述第二壁(130)具有与所述笛卡尔参考系S(x，y)的所述轴y平行的方向；
所述系统的主要特征在于还包括位于所述GPR设备上的距离检测单元，所述距离检测单元被设置为：
-检测所述距离检测单元与所述第一直壁之间的第一距离测量值；
-检测所述距离检测单元与所述第二直壁之间的第二距离测量值；
并且所述控制单元适于执行以下项：
-处理所述第一距离测量值和所述第二距离测量值，以便计算所述参考中心C(xc，yc)的坐标xc和yc；
-将坐标xi＝xci和yi＝yci与检测到的第i个物体相关联，其中，xci和yci是在通过所述GPR传感器检测到所述第i个物体时的所述坐标xc和yc的值。
附图说明
根据下面参照附图、通过例证但非限制的方式对本发明的示例性实施方式的描述，本发明的进一步的特征和/或优点将更明显，附图中：
-图1示出了根据本发明的用于检测表面下的物体的位置的方法的流程图；
-图2示出了根据本发明的用于检测表面下的物体的位置的系统的立体图；
-图3按俯视图示出了对表面的第一种可能的扫描；
-图4按俯视图示出了对表面的第二种可能的扫描。
具体实施方式
参照图1、图2、图3以及图4，在优选示例性实施方式中，用于对表面200下的物体10相对于笛卡尔参考系S(x，y)的位置进行检测的方法包括预先布置GPR设备110的第一步骤[301]。
特别地，参照图2，设备110包括：GPR传感器、距离检测单元115以及控制单元。参照图3，设备110还包括处于笛卡尔参考系S(x，y)上的具有坐标xc和yc的参考中心C(xc，yc)。
然后，所述方法提供以下步骤：预先布置与轴x平行的第一直壁120[302]以及与轴y平行的第二直壁130[303]。这种壁120、130优选地涂覆有反射材料，例如，反射体。特别地，既可以使用就地已有的墙壁，也可以使用为用途而设计的可拆卸的三角板。
因此，所述方法提供以下步骤：从表面200上的已知位置开始，对设备100进行移动[304]，以借助于GPR传感器来执行针对所述表面本身在地下的物体10的搜索。
在下一步骤中，距离检测单元115执行相对于两个直壁120、130的距离测量值的检测[305]。可以在设备110静止时以及在扫描期间以有规律的间隔来执行该操作。
距离检测单元115例如可以包括彼此垂直定位并朝着壁120、130定向的两个激光传感器。另选地，距离检测单元115可以包括彼此垂直的4个激光传感器，以便与设备110的方向无关地来检测相对于壁120、130的测量距离。
在示例性实施方式中，距离检测单元115可以在其自身上旋转，以相对于壁120、130适当地定向。在这种情况下，可以设置单个激光传感器，该单个激光传感器被配置成测量两个测量距离。
然后，所述方法提供以下步骤：通过控制单元处理检测到的测量距离，以便计算所述中心C(xc，yc)的坐标。[306]
当检测到地下的物体10时，然后，控制单元继续执行以将检测时的所述中心的坐标C(xci，yci)与检测到的物体10的坐标xi，yi相关联。[307]
最后，在相对于笛卡尔参考系S(x，y)具有坐标(xk，yk)的预定的点Pk处放置标记物。该标记物包含关于坐标(xk，yk)的、关于存在于该点Pk附近的物体10的信息。该标记物例如可以是QR码。这样，可以使用电子装置(例如具有为增强现实而设置的应用的智能手机或平板电脑)来检测标记物中包含的信息并显示虚拟地重叠在表面200上的测量到的物体10。因此，可以将关于表面200下的物体10的信息存档，并且根据需要在增强现实中查阅它们。[308]
在图3的情况下，设备110必须平行于轴y进行移动。然后，控制单元必须根据检测到的相对于壁130的测量距离，控制中心C的坐标xc保持固定而坐标yc逐渐增加。当检测到物体10时，然后利用所述物体自身的坐标xi，yi来标识中心C的坐标xc1，yc1。
替代地，在图4的情况下，设备110任意移动，从而也改变了该设备自己的方向。为了使得能够进行这种移动，在本发明的另一示例性实施方式中，距离检测单元115包括角度传感器，该角度传感器被设置成调节GPR设备110相对于参考系S(x，y)的角度变化θ。角度传感器例如可以是陀螺仪、陀螺罗盘或加速度计。
在距离检测单元115与设备110成一体的情况下，检测到的测量距离将不会以垂直于壁120、130的方式被检测到。在这种情况下，通过获知角度θ，控制单元可以应用简单的三角计算来得出坐标xc，yc。
替代地，在距离检测单元115可以相对于设备110旋转的情况下，控制单元可以按与设备110进行的旋转θ相反的方向来操作该距离检测单元的旋转，使得按与壁120、130垂直的方向来检测测量距离，从而直接提供坐标xc，yc。
一些示例性的具体实施方式的前述描述从概念的角度来对本发明进行非常充分的揭示，从而使得其他人通过应用当前的知识将能够在不需要进一步的研究和不脱离本发明的情况下按各种应用来修改和/或调整这些具体的示例性实施方式，因此，意味着这种调整和修改将必须被视为等同于所述具体的实施方式。为此，在不脱离本发明的领域的情况下，实现本文所述的不同功能的手段和材料可以具有不同的性质。要明白的是，本文采用的措词或用语是出于描述的目的而不是加以限制。

Claims (10)

1.一种相对于具有原点O(0,0)以及轴x和轴y的笛卡尔参考系S(x,y)检测表面(200)下的物体(10)的位置的方法，所述方法包括以下步骤：
-预先布置GPR设备(110)，所述GPR设备(110)包括：
-GPR传感器；
-距离检测单元(115)，其被配置成测量相对于不透明物体的距离；
-控制单元；
-参考中心C(xc,yc)，其在所述笛卡尔参考系S(x,y)上具有坐标xc和坐标yc；
-预先布置第一直壁(120)，所述第一壁(120)具有与所述笛卡尔参考系S(x,y)的所述轴x平行的方向；
-沿着轨迹γ在所述表面(200)上操纵所述GPR设备(110)；
-检测所述距离检测单元(115)与所述第一直壁(120)之间的第一距离测量值；
-借助于所述控制单元来处理所述第一距离测量值，以便计算所述参考中心C(xc,yc)的所述坐标yc；
-按时间间隔τ重复所述检测所述第一距离测量值的步骤和所述处理所述第一距离测量值的步骤，以便计算在所述操纵的步骤期间所述坐标yc的变化；
-将坐标yi＝yci与检测到的第i个物体(10)相关联，其中，yci是在通过所述GPR传感器检测到所述第i个物体(10)时的所述坐标yc的值；
所述方法的特征在于，所述方法还包括以下步骤：
-基于所述坐标yc的所述变化，来验证所述轨迹γ是否与预定轨迹γ′一致；
-在所述验证的步骤为否的情况下，对执行所述操纵的步骤所沿的所述轨迹γ进行校正。
2.根据权利要求1所述的检测表面(200)下的物体(10)的位置的方法，其中，所述方法还提供以下步骤：
-预先布置第二直壁(130)，所述第二壁(130)具有与所述笛卡尔参考系S(x,y)的所述轴y平行的方向；
-检测所述距离检测单元(115)与所述第二直壁(130)之间的第二距离测量值；
-借助于所述控制单元来处理所述第二距离测量值，以便计算所述参考中心C(xc,yc)的所述坐标xc；
-按时间间隔τ重复所述检测所述第二距离测量值的步骤和所述处理所述第二距离测量值的步骤，以便计算在所述操纵的步骤期间所述坐标xc的变化；
-将坐标xi＝xci与检测到的第i个物体(10)相关联，其中，xci是在通过所述GPR传感器检测到所述第i个物体(10)时的所述坐标xc的值。
3.根据权利要求1或2所述的检测表面(200)下的物体(10)的位置的方法，其中，所述距离检测单元(115)包括至少一个激光传感器，所述至少一个激光传感器被设置成借助于激光脉冲的发射时间与接收时间之间的差来确定相对于所述第一直壁(120)的所述第一距离测量值和/或相对于所述第二直壁(130)的所述第二距离测量值。
4.根据权利要求3所述的检测表面(200)下的物体(10)的位置的方法，其中，所述第一壁(120)和/或所述第二壁(130)涂覆有反射材料，所述反射材料被设置成在反射所述激光脉冲方面提供较高的精度。
5.根据权利要求2所述的检测表面(200)下的物体(10)的位置的方法，其中，所述方法还提供以下步骤：
-将标记物重叠在相对于所述笛卡尔参考系S(x,y)具有坐标(xk,yk)的预定点Pk处，所述标记物被设置成包含关于所述坐标(xk,yk)以及关于在所述预定点Pk附近检测到的可能的物体(10)的信息；
-通过读取器获取包含在所述标记物中的所述信息；
-使用获得的所述信息，通过增强现实软件来显示与所述表面(200)重叠的、检测到的所述可能的物体(10)。
6.一种相对于具有原点O(x0,y0)以及轴x和轴y的笛卡尔参考系S(x,y)检测表面(200)下的物体(10)的位置的系统(100)，所述系统包括：
-GPR设备(110)，其包括：
-GPR传感器；
-控制单元；
-参考中心C(xc,yc)，其在所述笛卡尔参考系S(x,y)上具有坐标xc和坐标yc；
-第一直壁(120)，所述第一壁(120)具有与所述笛卡尔参考系S(x,y)的所述轴x平行的方向；
-第二直壁(130)，所述第二壁(130)具有与所述笛卡尔参考系S(x,y)的所述轴y平行的方向；
-距离检测单元(115)，其被设置为：
-检测所述距离检测单元(115)与所述第一直壁(120)之间的第一距离测量值；
-检测所述距离检测单元(115)与所述第二直壁(130)之间的第二距离测量值；
所述控制单元被设置成执行以下项：
-处理所述第一距离测量值和所述第二距离测量值，以便计算所述参考中心C(xc,yc)的所述坐标xc和yc；
-将坐标xi＝xci和yi＝yci与检测到的第i个物体(10)相关联，其中，xci和yci是在借助于所述GPR传感器检测到所述第i个物体(10)时的所述坐标xc和yc的值；
所述系统(100)的特征在于，所述控制单元还被设置为：
-基于所述坐标yc的所述变化，来验证所述轨迹γ是否与预定轨迹γ′一致；
-在所述验证的步骤为否的情况下，对执行所述操纵的步骤所沿的所述轨迹γ进行校正。
7.根据权利要求6所述的检测表面(200)下的物体(10)的位置的系统，其中，所述距离检测单元(115)包括至少一个激光传感器，所述至少一个激光传感器被设置成通过激光脉冲的发射时间与接收时间之间的差来确定相对于所述第一直壁(120)的所述第一距离测量值和/或相对于所述第二直壁(130)的所述第二距离测量值。
8.根据权利要求7所述的检测表面(200)下的物体(10)的位置的系统，其中，所述距离检测单元(115)包括四个激光传感器，所述四个激光传感器被配置成使得按彼此成90°发射激光脉冲。
9.根据权利要求6所述的检测表面(200)下的物体(10)的位置的系统，其中，还设置角度传感器，所述角度传感器被配置成测量所述GPR设备(110)相对于所述笛卡尔参考系S(x,y)的角度变化并且将所述角度变化提供给所述控制单元。
10.一种利用GPR设备(110)相对于具有原点O(x0,y0)以及轴x和轴y的笛卡尔参考系S(x,y)检测表面(200)下的物体(10)的位置的系统(100)，所述GPR设备(110)包括：
-GPR传感器；
-控制单元；
-参考中心C(xc,yc)，其在所述笛卡尔参考系S(x,y)上具有坐标xc和坐标yc；
所述系统(100)包括：
-第一直壁(120)，所述第一壁(120)具有与所述笛卡尔参考系S(x,y)的所述轴x平行的方向；
-第二直壁(130)，所述第二壁(130)具有与所述笛卡尔参考系S(x,y)的所述轴y平行的方向；
所述系统(100)的特征在于，所述系统还包括位于所述GPR设备(110)上的距离检测单元(115)，所述距离检测单元(115)被设置为：
-检测所述距离检测单元(115)与所述第一直壁(120)之间的第一距离测量值；
-检测所述距离检测单元(115)与所述第二直壁(130)之间的第二距离测量值；
由此所述控制单元适于执行以下项：
-处理所述第一距离测量值和所述第二距离测量值，以便计算所述参考中心C(xc,yc)的所述坐标xc和yc；
-将坐标xi＝xci和yi＝yci与检测到的第i个物体(10)相关联，其中，xci和yci是在通过所述GPR传感器检测到所述第i个物体(10)时的所述坐标xc和yc的值。
CN201880025946.XA 2017-05-02 2018-05-02 用于探地雷达检测的改进方法及其设备 Pending CN110546527A (zh)

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