CN111190179A - 基于钟摆式探地雷达的地下病害三维信息提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供一种基于“钟摆式”探地雷达的地下病害三维信息提取方法，该方法通过“钟摆式”探测方式来获取地下结构病害的雷达数据，然后通过数据处理提取地下结构病害的三维信息，最终实现道路地下结构病害快速探测目的。其实现步骤为：1.数据采集；2.数据处理；3.数据校正；4.地下病害的识别与三维信息提取；5.三维成像。

Description

基于钟摆式探地雷达的地下病害三维信息提取方法

技术领域

本发明属于探地雷达探测应用技术领域，涉及一种基于“钟摆式”探地雷达的地下病害三维信息提取方法，该方法通过“钟摆式”探测方式来获取地下结构病害的雷达图像信息，然后通过数据处理、数据校正提取地下结构病害的三维信息，最终实现道路地下结构病害快速探测与三维信息提取的目的。。

背景技术

随着城市化进程的不断加快，城市人口密集度快速提升，各类城市基础建设不断推进。这些都会对道路的使用寿命造成影响，增加道路地下病害的数量并且缩短其形成周期，因此针对道路地下病害的探测变得越来越必要。目前使用GPR进行道路地下病害探测时通常使用单通道和多通道两种雷达探测系统，但是在探测过程中出现了以下几个问题：(1)单通道雷达探测需要在探测区域布设多条测线，工作效率较低，难以满足大区域快速探测的需求； (2)多通道雷达系统可以显著提高探测工作效率，但是大量采集的数据带来了后期处理分析的难题；(3)数据定位精度的问题依然存在，尤其在涉及多条、长距离测线的数据解释时，各病害体坐标信息的校准和统一对作业者是一大挑战；(4)仪器成本和探测成本的问题，多通道雷达仪器成本低探测成本大，单通道雷达探测成本相对较低但仪器成本大；(5)探测精度的问题，道路病害的形状大多属不规则形状，其探测精度与测线间距有关，目前道路测线间距大多为1.5m以上，小尺寸病害体可能会出现漏测的情况。

因此，如何适应当前道路地下病害排查的要求，实现地下病害的快速探测以及病害信息的快速提取，是本领域技术人员亟待解决的。

发明内容

本发明的目的是实现道路地下结构病害快速探测与三维信息快速提取。为了达到上述目的，本发明提出了一种基于“钟摆式”探地雷达的地下病害三维信息提取方法。本发明采取的步骤如下：

1、数据采集，包括测线布置，摆长的选定和现场数据采集；

2、数据处理，包括对采集到的三维雷达原始数据进行背景去噪、滤波和增益处理；

3、数据校正，通过对雷达天线空间位置的精确定位、测点地面坐标的投影转换和地表零线校正，实现雷达图像深度方向上信息的校正；

4、地下病害的识别与三维信息提取，包括地下病害的识别与圈定、病害地面正射投影坐标转换和病害三维信息提取；

在上述技术方案中，步骤1、所述数据采集包括测线布置，摆长的选定和现场数据采集；其中测线布置的目的是根据探测区域的大小，确定测线的布设间距与数量，摆长的选定主要依据相邻测线的间距来确定，然后进行现场探测作业，完成三维雷达数据的采集。

步骤2、对步骤1采集到的三维雷达原始数据进行背景去噪、滤波和增益处理；背景去噪的目的是消除背景噪声干扰，滤波的目的是消除低频干扰信号，增益处理是对深部回波信号进行补偿，增强有用信号，数据处理的目的主要是提高雷达信号的信噪比。

步骤3、所述数据校正包括对雷达天线空间位置的精确定位、测点地面坐标的投影转换和地表零线校正；雷达天线空间位置的精确定位依靠陀螺仪实现，所述陀螺仪采集板内置于雷达天线内部，测点地面坐标通过测点地面坐标投影转换算法求解，如下：

x＝v*t

y＝H*tan(θ)

z＝0

其中，v为探测速度，t为时间，H为钟摆高度，θ为陀螺仪参数，以上四个参数均为已知参数，x为测点地面探测方向上的坐标，y为测点地面天线摆动方向上的坐标，z为测点地面垂直地面方向上的坐标。

地表零线校正通过地表零线校正算法实现，如下：

其中H为钟摆高度，θ为陀螺仪参数，L为摆长，这三个参数均为已知参数，z1为雷达剖面中地表位置的深度。

步骤4、所述地下病害的识别与三维信息提取包括地下病害的识别与圈定、病害地面正射投影坐标转换和病害三维信息提取；地下病害的识别与圈定首先对地下病害的类型进行识别，再借助雷达处理软件对地下病害进行圈定；病害地面正射投影坐标通过病害地面正射投影坐标转换算法求解，如下：

X＝v*t

Y＝y+(d-z1)*sin(θ)

z＝0

其中，v为探测速度，t为时间，y为测点地面天线摆动方向上的坐标，θ为陀螺仪参数，z1为雷达剖面中地表位置的深度，d为雷达剖面深度，以上六个参数均为已知参数，X为病害地面正射投影在探测方向上的坐标，y为病害地面正射投影在天线摆动方向上的坐标，z为病害地面正射投影在垂直地面方向上的坐标。

地下病害的真实三维坐标信息：

X＝v*t

Y＝y+(d-z1)*sin(θ)

Z＝(d-z1)*cos(θ)

其中，v为探测速度，t为时间，y为测点地面天线摆动方向上的坐标，θ为陀螺仪参数，z1为雷达剖面中地表位置的深度，d为雷达剖面深度，以上六个参数均为已知参数，X为地下病害在探测方向上的坐标，y为地下病害在天线摆动方向上的坐标，Z为地下病害在垂直地面方向上的坐标。根据公式(8)、(9)、(10)即可提取到地下病害的真实三维坐标信息，并实现道路地下结构病害的三维成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1“钟摆式”探地雷达的地下病害三维信息提取方法流程图。

图2为探测过程中任一时刻雷达天线的空间位置几何图；

图3为数据处理后的雷达数据剖面图；

图4为数据校正后的雷达数据剖面图；

图5为道路地下病害三维信息。

具体实施方式

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的“钟摆式”道路地下病害探测方法能够更好的平衡探测效率与探测成本之间的关系，并且在减少后期数据处理工作量的基础上完成对小尺寸病害的探测。道路地下病害三维坐标算法能够实现对道路地下病害三维信息的快速提取，最终借助三维软件直观的显现出道路地下病害的三维空间位置。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本例所用实验设备包括中国矿业大学(北京)制造的多通道探地雷达主机和900MHz频率空气耦合探地雷达天线。为了验证上述“钟摆式”探地雷达的地下病害三维信息提取方法的可行性，搭建合适的物理模型，进行了验证实验。

用“钟摆式”探地雷达系统进行数据采集。运用上述探地雷达的地下病害三维信息提取方法对采集到的雷达病害数据进行三维信息提取。

雷达病害数据三维信息提取按照如下方法进行：

1、对采集到的三维雷达原始数据进行背景去噪、滤波和增益处理；背景去噪的目的是消除背景噪声干扰，滤波的目的是消除低频干扰信号，增益处理是对深部回波信号进行补偿，增强有用信号，数据处理的目的主要是提高雷达信号的信噪比。数据处理后的雷达图像如图3所示。

2、对数据处理后的雷达数据进行地表零线校正，首先需要先对雷达天线空间位置的精确定位，雷达天线空间位置的精确定位依靠空气耦合雷达天线内置的陀螺仪实现，然后根据通过测点地面坐标投影转换算法求解测点地面坐标，最后通过地表零线校正算法实现雷达数据的地表零线校正。地表零线校正后的雷达图像如图4所示。

3、对完成地表零线校正后的雷达数据进行地下病害的识别与圈定、病害地面正射投影坐标转换和病害三维信息提取；地下病害的识别与圈定首先对地下病害的类型进行识别，再借助雷达处理软件对地下病害进行圈定，病害地面正射投影坐标通过病害地面正射投影坐标转换算法求解，最终根据公式(8)、(9)、(10)即可提取到地下病害的真实三维坐标信息，然后借助三维成像软件实现道路地下结构病害空间位置的三维成像。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于“钟摆式”探地雷达的地下病害三维信息提取方法，其特征在于，该方法通过“钟摆式”探测方式来获取地下结构病害的雷达数据，然后通过数据处理、数据校正提取地下结构病害的三维信息，最终实现道路地下结构病害快速探测目的。包括如下步骤：1.数据采集；2.数据处理；3.数据校正；4.地下病害的识别与三维信息提取；5.三维成像。

2.根据权利要求1所述的基于“钟摆式”探地雷达的地下病害三维信息提取方法，其特征在于：数据采集包括测线布置，摆长的选定和现场数据采集；其中测线布置是根据探测区域的大小，确定测线的布设间距与数量，摆长的选定主要依据相邻测线的间距来确定，然后进行现场探测作业，完成三维雷达数据的采集。

3.根据权利要求1所述的基于“钟摆式”探地雷达的地下病害三维信息提取方法，其特征在于：数据处理包括对采集到的三维雷达原始数据进行背景去噪、滤波和增益处理；背景去噪的目的是消除背景噪声干扰，滤波的目的是消除低频干扰信号，增益处理是对深部回波信号进行补偿，增强有用信号，数据处理的目的主要是提高雷达信号的信噪比。

4.根据权利要求1所述的基于“钟摆式”探地雷达的地下病害三维信息提取方法，其特征在于：数据校正包括对雷达天线空间位置的精确定位、测点地面坐标的投影转换和地表零线校正；雷达天线空间位置的精确定位依靠陀螺仪实现，所述陀螺仪采集板内置于雷达天线内部，测点地面坐标通过测点地面坐标投影转换算法求解，如下：

x＝v*t (1)

y＝H*tan(θ) (2)

z＝0 (3)

其中，v为探测速度，t为时间，H为钟摆高度，θ为陀螺仪参数，以上四个参数均为已知参数，x为测点地面探测方向上的坐标，y为测点地面天线摆动方向上的坐标，z为测点地面垂直地面方向上的坐标。

地表零线校正通过地表零线校正算法实现，如下：

其中H为钟摆高度，θ为陀螺仪参数，L为摆长，这三个参数均为已知参数，z1为雷达剖面中地表位置的深度。

5.根据权利要求1所述的基于“钟摆式”探地雷达的地下病害三维信息提取方法，其特征在于：地下病害的识别与三维信息提取包括地下病害的识别与圈定、病害地面正射投影坐标转换和病害三维信息提取；地下病害的识别与圈定首先对地下病害的类型进行识别，再借助雷达处理软件对地下病害进行圈定；病害地面正射投影坐标通过病害地面正射投影坐标转换算法求解，如下：

X＝v*t (5)

Y＝y+(d-z1)*sin(θ) (6)

z＝0 (7)

其中，v为探测速度，t为时间，y为测点地面天线摆动方向上的坐标，θ为陀螺仪参数，z1为雷达剖面中地表位置的深度，d为雷达剖面深度，以上六个参数均为已知参数，X为病害地面正射投影在探测方向上的坐标，y为病害地面正射投影在天线摆动方向上的坐标，z为病害地面正射投影在垂直地面方向上的坐标。

地下病害的真实三维坐标信息：

X＝v*t (8)

Y＝y+(d-z1)*sin(θ) (9)

Z＝(d-z1)*cos(θ) (10)

其中，v为探测速度，t为时间，y为测点地面天线摆动方向上的坐标，θ为陀螺仪参数，z1为雷达剖面中地表位置的深度，d为雷达剖面深度，以上六个参数均为已知参数，X为地下病害在探测方向上的坐标，y为地下病害在天线摆动方向上的坐标，Z为地下病害在垂直地面方向上的坐标。

根据公式(8)、(9)、(10)即可提取到地下病害的真实三维坐标信息，并实现道路地下结构病害的三维成像。

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