[發(fā)明專利]一種基于探地雷達(dá)的地下管線參數(shù)自識(shí)別方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410283348.6
• 申請(qǐng)日: 2014-06-24
• 公開（公告）號(hào): CN104020495A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭晶;楊峰;杜翠;喬旭;夏云海
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
• 主分類號(hào): G01V3/12
• 分類號(hào): G01V3/12;G01S13/88;G06F19/00
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于探地雷達(dá)地下目標(biāo)識(shí)別的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于探地雷達(dá)的地下管線參數(shù)的自識(shí)別方法，該方法通過處理由介質(zhì)不連續(xù)處散射回來的高頻脈沖電磁波，達(dá)到檢測(cè)地下管線目標(biāo)，并對(duì)其位置、尺寸等信息進(jìn)行自識(shí)別的目的。

背景技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)是通過發(fā)射高頻脈沖電磁波進(jìn)行地下目標(biāo)探測(cè)的技術(shù)方法。電磁波的產(chǎn)生及其傳播規(guī)律是進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及解釋的研究基礎(chǔ)。電磁波是通過變化的電場(chǎng)與變化的磁場(chǎng)相互激發(fā)在介質(zhì)中進(jìn)行傳播并形成電磁場(chǎng)。介質(zhì)中（尤其是土壤中）電磁場(chǎng)、電磁波的傳播——波速、衰減、反射與折射的理論是地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)檢測(cè)的理論基礎(chǔ)。

地質(zhì)雷達(dá)是一種快速、高效、無損探測(cè)的物探方法。常用的雷達(dá)探測(cè)方法主要以反射式探測(cè)和透射式探測(cè)這兩種。反射式雷達(dá)探測(cè)原理：反射探測(cè)是雷達(dá)的發(fā)射天線和接收天線都放置于被測(cè)介質(zhì)表面，通過向介質(zhì)中發(fā)射高頻寬帶電磁波脈沖信號(hào)，并接收介質(zhì)中有差異地方所反射回的電磁波信號(hào)實(shí)現(xiàn)探測(cè)的過程。本發(fā)明專利就是基于該探測(cè)原理開展的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是對(duì)淺層地下管線目標(biāo)實(shí)現(xiàn)自識(shí)別，提供目標(biāo)的定位及管徑等信息。

本發(fā)明提出了一種基于反射回波的淺層地下管線目標(biāo)探測(cè)預(yù)處理技術(shù)。由于地表的強(qiáng)反射回波、設(shè)備天線間的耦合、媒質(zhì)內(nèi)電導(dǎo)率的不均勻及其中大尺寸顆粒的反射等雜波信號(hào)的存在，使得管徑等目標(biāo)反射信號(hào)不明顯，因此對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，從中濾除背景噪聲及各類雜波信號(hào)對(duì)于后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別非常關(guān)鍵，預(yù)處理技術(shù)包括：零偏矯正、數(shù)字濾波、小波軟閾值去噪、測(cè)線間去均值、SVD變換分離背景和目標(biāo)信號(hào)等。

本發(fā)明還給出了一種類雙曲線的檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)采用小波模極大值方法（但不局限于此，還可用方向算子、梯度算子、canny算子及Sobel等方法進(jìn)行）對(duì)預(yù)處理后雷達(dá)剖面進(jìn)行邊緣提取，在得到類雙曲線同時(shí)，最大的保留了有用信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不連續(xù)的雙曲線進(jìn)行自適應(yīng)拾取、檢測(cè)，并采用線連接方法將較近的類雙曲線相連，得到連續(xù)的雙曲線。

本發(fā)明還給出了一種基于波動(dòng)反射理論的目標(biāo)定位、管徑尺寸及介質(zhì)速度的計(jì)算方法，該方法利用已知的接收天線位置和到達(dá)時(shí)間等信息，計(jì)算出目標(biāo)的位置、管徑尺寸及介質(zhì)速度等參數(shù)，作為初始參考值，計(jì)算方法參照下面的公式（2）。

本發(fā)明還給出了一種空間散射點(diǎn)真實(shí)位置的反演方法，由于讀取誤差的存在，利用公式(2)提取的參數(shù)與實(shí)際值存在一定誤差，只能作為反演計(jì)算的初始值，對(duì)速度在一定范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，反演出各掃描參數(shù)對(duì)應(yīng)的散射點(diǎn)位置，當(dāng)參數(shù)值與真實(shí)值一致時(shí)，反演出的散射點(diǎn)位置組合成真實(shí)的管線外壁。

本發(fā)明還給出了一種基于Hough變換的圓檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合峰值檢測(cè)技術(shù)，得到管線目標(biāo)位置及管徑等參數(shù)的最佳值：當(dāng)參數(shù)值與真實(shí)值一致時(shí)，反演出的曲線形狀最接近于真實(shí)的管線外壁，也最類似于圓，而其他情況則類似于橢圓或雙曲線，以反演的結(jié)果作為Hough的輸入時(shí)，當(dāng)曲線越接近于圓時(shí)，參數(shù)域中的‘亮點(diǎn)’值越大，通過峰值檢測(cè)技術(shù)，在速度掃描范圍內(nèi)，找到最大值，并將該值對(duì)應(yīng)的速度值記錄為介質(zhì)速度的估計(jì)值，從而對(duì)應(yīng)得到管線的目標(biāo)位置及管徑等參數(shù)。

本發(fā)明的特征在于，同時(shí)對(duì)預(yù)處理后的剖面進(jìn)行邊緣提取，在消除雜波的基礎(chǔ)上，最大限度的保留了原始剖面中的目標(biāo)雙曲線邊緣信號(hào)。

本發(fā)明的特征在于，給出了一種基于波動(dòng)反射理論的目標(biāo)定位、管徑及介質(zhì)速度的計(jì)算方法，結(jié)合多個(gè)已知接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和接收天線位置進(jìn)行運(yùn)算，即可計(jì)算出目標(biāo)的位置、管徑的尺寸以及介質(zhì)的速度等參數(shù)，無需已知介質(zhì)的傳輸速度，計(jì)算方法見公式（2），由于并對(duì)參數(shù)在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描計(jì)算，反演出一定參數(shù)范圍內(nèi)的類雙曲線上信號(hào)對(duì)應(yīng)空間真實(shí)散射點(diǎn)的位置范圍，由于讀取誤差的存在，利用公式(2)提取的參數(shù)與實(shí)際值存在一定誤差，只能作為反演計(jì)算的初始值。

本發(fā)明的特征在于，以基于波動(dòng)反射理論的計(jì)算結(jié)果為參考值，給出了目標(biāo)真實(shí)散射點(diǎn)的反演方法，計(jì)算方法見公式（3），對(duì)速度在一定范圍內(nèi)進(jìn)行掃描時(shí)，反演出各掃描參數(shù)對(duì)應(yīng)的散射點(diǎn)位置，當(dāng)參數(shù)值與真實(shí)值一致時(shí)，反演出的散射點(diǎn)位置可以組合成真實(shí)的管線外壁。

本發(fā)明的特征在于，以速度掃描范圍內(nèi)的反演結(jié)果作為Hough變換圓檢測(cè)的輸入時(shí)，只有當(dāng)參數(shù)值與真實(shí)值一致時(shí)，反演出的曲線形狀才最接近于圓，而其他情況則類似于橢圓或雙曲線，曲線越接近于圓時(shí)，參數(shù)域中的‘亮點(diǎn)’積累的值越大，通過峰值檢測(cè)技術(shù)，可以得到管線目標(biāo)位置及管徑等參數(shù)的最佳估計(jì)值，檢測(cè)結(jié)果誤差小，可信度高。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的步驟如下：

1）利用對(duì)接收的雷達(dá)剖面進(jìn)行預(yù)處理；