CN113075260B - 一种路桥隧道病害雷达检测与多分量处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种路桥隧道病害雷达检测与多分量处理方法及系统，利用多天线地质雷达快速检测路桥隧道的内部结构与病害，从雷达多分量检测数据中建立病害的电磁散射模型，提取路桥隧道病害的标识性特征，包括位置、几何属性、介电属性、谱特征及极化特征。

Description

一种路桥隧道病害雷达检测与多分量处理方法及系统
技术领域
本发明属于雷达检测技术领域，特别涉及一种路桥隧道病害雷达检测与多分量处理方法及系统。
背景技术
近年，随着我国经济社会快速发展，中国迎来了交通基础设施建设高峰，庞大的路桥隧道交通网标志着我国交通土建工程步伐的加快。但因地质变化、自然灾害、施工质量缺陷等原因引起的事故隐患也日益凸显，如地质情况复杂多变，常遇到滑坡、崩坍、断层、突水、空洞等地质现象；施工过程中存在质量缺陷、材料性能劣化导致回填欠实，钢筋断裂等人为损害施工质量的行为等。通常路桥隧道中发生的这些病害大多具有隐蔽性，多数情况下并不是人工肉眼能观察到的，因此很难做到对病害情况的准确揭示。如何有效检测和估计这些隐藏的病害，及时发现与评估隐患，定期检查与养护交通基础设施，对服务经济社会发展和人民群众安全便捷出行等具有非常重要的意义。
目前基于道路桥梁隧道病害的无损探测方法，通常是利用基于一维地电模型获取信息的地质雷达技术，但是此模型获得的信息有限，精确数据解释困难。其原理是对于有介电特性变化的地方，在图像中会形成一条双曲线，利用双曲线的顶点对应于介电特性变化的位置，只能指出病害存在的可能性及大致位置和范围，无法获取病害的介电和几何属性。再加上地质结构与材料的多样性，病害几何结构与电磁特性的复杂性，均向地质雷达提出了新的挑战，使得地质雷达检测技术与数据处理解释还处于不断完善之中。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种路桥隧道病害雷达检测与多分量处理方法及系统，利用多天线地质雷达快速检测路桥隧道的内部结构与病害，从雷达多分量检测数据中建立病害的电磁散射模型，提取路桥隧道病害的标识性特征。
技术方案如下：
一种路桥隧道病害雷达检测与多分量处理方法，包括以下步骤：
对多分量接收数据在时间上进行零点校准以校准天线运动速度不均匀产生的标记道数差异与直达波高低起伏；
对多分量接收数据在空间上按照打标标记进行起始位置修正；
对剖面分别进行水平与垂直尺寸调整以使水平距离和深度正常化；
获取不同极化状态下的回波数据并分别进行相位图像增强；
计算不同极化增强图像中的极化角与线性度组成去极化属性；
利用增强图像与去极化属性对病害进行位置估计与检测；
获取不同频率下的回波数据并分别进行相位图像增强；
从增强图像中估计病害位置且提取频率依赖性介电特征；
对去极化属性与频率依赖性介电特征进行融合和分类；
对多极化与多频率获取的病害位置估计进行相关判决与去冗余处理；
对病害的位置、介电特征、几何属性特征利用相似性判定进行病害的一致性解释与描述。
进一步的，所述方法将建筑体内的隐藏目标进行快速检测与多分量处理。
进一步的，所述方法使用的探测雷达是瑞克子波雷达。
一种路桥隧道病害快速雷达检测系统，包括：
设置有不同极化的多个天线且能自由伸缩和旋转角度的雷达检测装置；
设置有不同频率的多个天线且能自由伸缩和旋转角度的雷达检测装置；
布置测线，选择记录时间窗、增益与采集点数，对采集前进行零线校准的装置；对多分量雷达数据进行时间和空间零点校准的装置；
对多分量雷达数据在空间上按照打标标记进行起始位置矫正，对剖面分别进行水平与垂直尺寸调整的装置；
对来自不同时间不同空间的多分量信息源进行预处理、相关、融合、分析，获得病害位置、几何属性、介电属性特征从而进行病害一致性解释与描述的装置。
附图说明
图1是雷达快速检测平台的系统结构框图。
图2是多极化数据融合与多频率数据融合的处理过程。
图3是隐藏多目标示意图。
图4是水平极化下检测目标在X、Y方向的归一化能量图。
图5是垂直极化下检测目标在X、Y方向的归一化能量图。
图6是水平极化与垂直极化下数据融合检测结果。
图7是同一目标不同频率雷达检测下的数据相关与谱分析。
图8是同一目标不同频率雷达检测下的数据融合结果。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明提供的一种路桥隧道病害雷达检测与多分量处理方法及系统进行详细描述。以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
实施例1
图1描述了雷达快速检测平台的系统结构框图，雷达快速检测平台由数据采集系统、可伸缩支撑系统、供电系统与监控系统组成。数据采集系统由地质雷达与主机构成；可伸缩支撑系统由支撑平台与控制系统构成；供电系统主要依赖蓄电池；监控系统由视频监控模块和导航装置构成。检测平台快捷稳定，操作过程简便、无重复。
图2显示了多极化与多频率数据融合的处理过程。采集N种极化状态下的雷达回波数据，对每种极化状态下的回波数据进行相位图像增强，在此基础上计算每种极化状态下的极化角与线性度，并组成N种去极化属性，估计每种极化状态下的病害位置信息X1＝[t1,t2,K,tu],X2＝[k1,k2,K,kh]，…，XN＝[l1,l2,K,ls]，于是得到N种极化状态下的病害位置X＝X1UX2UL UXN。
采集M种频率天线的雷达回波数据，对每种频率下的回波数据进行相位图像增强，在此基础上提取频率依赖性介电属性，同时从增强图像中估计每种频率下的病害位置信息W1＝[a1,a2,K,ar],W2＝[b1,b2,K,bp]，…，WN＝[c1,c2,K,cq]，于是得到M种频率下的病害位置W＝W1UW2UL UWM。
将N种去极化属性与M种介电特征属性进行融合与分类。
对N种极化状态下的病害位置X与M种频率下的病害位置W进行相关判决，去除冗余。
本发明建立了水平与垂直极化场景下的隐藏多目标位置信息融合方法。具有去极化效应的三个隐藏目标位置如图3所示，仅利用水平极化天线雷达测得的结果如图4所示，仅利用垂直极化天线雷达测得的结果如图5所示。从图中可以看出，仅用单极化天线雷达检测具有去极化效应的目标，容易产生漏检，为了全面检测隐藏的去极化效应目标，需结合多极化天线雷达对目标进行检测，从而需要研究多极化状态下的数据融合方法。
本发明将信息熵与小波变换相结合，计算不同极化状态下的极化角与线性度形成去极化属性，对多目标位置信息进行融合，以图3为例，得到的融合结果如图6所示。
在本发明中所用的地质雷达以瑞克子波作为发射信号，其宽带频谱中包含了丰富的频率信息，而通过不同频率的发射信号则能从其回波中获得不同频率响应的目标信息。设发射信号s(t)，其傅里叶变换为S(f)，背景的频率响应为B(f)，则背景的回波信号频率响应为R(f)＝S(f)B(f)，背景回波信号的时域波形为r(t)＝f-1(R(f))。设有目标时的系统响应为yt(t)，目标的冲激响应为h(t)。则目标回波信号时域回波为yt(t)＝f-1(S(f)B(f)H(f))，将yt(t)与s(t)相关，得到1维距离像，对1维距离像做频谱分析，如图7所示，将超过阈值的主频谱分量进行融合，获得目标位置区域的频谱信息，对所有测道的数据进行类似处理，得到不同频率下的融合图像如图8所示。
上面结合实施例对本发明的实例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化，也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种路桥隧道病害雷达检测与多分量处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
对多分量接收数据在时间上进行零点校准以校准天线运动速度不均匀产生的标记道数差异与直达波高低起伏；
对多分量接收数据在空间上按照打标标记进行起始位置修正；
对剖面分别进行水平与垂直尺寸调整以使水平距离和深度正常化；
获取不同极化状态下的回波数据并分别进行相位图像增强；
计算不同极化增强图像中的极化角与线性度组成去极化属性；
利用增强图像与去极化属性对病害进行位置估计与检测；
获取不同频率下的回波数据并分别进行相位图像增强；
从增强图像中估计病害位置且提取频率依赖性介电特征；
对去极化属性与频率依赖性介电特征进行融合和分类；
对多极化与多频率获取的病害位置估计进行相关判决与去冗余处理；
对病害的位置、介电特征、几何属性特征利用相似性判定进行病害的一致性解释与描述。
2.根据权利要求1所述的路桥隧道病害雷达检测与多分量处理方法，其特征在于，所述方法将建筑体内的隐藏目标进行快速检测与多分量处理。
3.根据权利要求1或2所述的路桥隧道病害雷达检测与多分量处理方法，其特征在于，所述方法使用的探测雷达是瑞克子波雷达。
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