地下柱状反射体倾角检测方法技术

本发明专利技术提供了对地下柱状反射体倾角大小进行检测的方法。所陈述的方法包括以下步骤：(1)获取地下柱状物的雷达扫描图像；(2)从步骤(1)所得到的双曲线反射信号上提取若干点的坐标；(3)构建数学模型，进行曲线拟合，得到柱状物倾角的估测值。本方法明确构建了探地雷达探测地下柱状物的数学模型，并利用曲线拟合的方法，实现对模型中的未知参数，即柱状物倾角的检测。本方法可应用于地下柱状反射体的检测，实现对诸如钢筋、管道等基础设施异常情况的快速探查，对城市基础设施建设与维护具有重要意义。

Inclination detection method for underground columnar reflectors

The invention provides a method for detecting the inclination angle of an underground columnar reflector. The method described includes the following steps: (1) acquiring radar scanning images of underground cylindrical objects; (2) extracting coordinates of some points from the hyperbolic reflection signals obtained in step (1); and (3) constructing mathematical models and curve fitting to obtain the estimation of the obliquity of cylindrical objects. In this method, the mathematical model of detecting underground cylindrical objects by ground penetrating radar (GPR) is constructed, and the unknown parameters in the model, i. e. the inclination angle of cylindrical objects, are detected by curve fitting method. This method can be applied to the detection of underground cylindrical reflector, and can detect the abnormal situation of infrastructures such as steel bar and pipeline quickly, which is of great significance to the construction and maintenance of urban infrastructures.

【技术实现步骤摘要】
地下柱状反射体倾角检测方法
本专利技术涉及探地雷达图像处理方法，用于地下柱状反射体倾角大小的检测，尤其是对探测场景进行数学模型构建，得到柱状反射体双曲线信号对应的函数方程，并进行曲线拟合的过程，属于检测与图像处理领域。
技术介绍
探地雷达是利用电磁波探测地下物质性质与分布规律的地球物理技术，其发射天线向地下发射一定频率的电磁波，并被地下目标物反射至接收天线，通过分析所接收到电磁波的振幅与形状等信息，即可推知地下目标物的物理特性。地下管线是保障城市平稳运行的重要基础设施，负责实现城市内部的供水、供气等功能，城市的快速发展和承灾能力与地下管线体系的完善性密切相关，故寻找一种准确快速的地下管线检测方法至关重要。目前，地下管线检测的主要方法有充电法、电磁感应法等。探地雷达作为一种有效的探测手段，同样广泛应用于地下管线探测中，相比于其它方法而言，探地雷达能够完成非金属管线的探测，并具有无损探测、对地下管线干扰小的优点。在现有的研究中，通常利用探地雷达对地下管线的直径与深度进行估计。就常用的收发共置型探地雷达而言，电磁波从发射天线发出，到达地下目标物，被目标物反射后再被接收天线所接收，即在雷达图像上形成反射信号，该反射信号所对应的是电磁波从发射天线到目标物再回到接收天线所消耗的时间，与雷达装置在测线上位置的函数关系。利用这一函数关系，雷达图像上的信号即可用数学方程式表达出来。由于方程式中包含诸如管线直径、管线深度等未知参数，故可采用曲线拟合的方法求出这些未知参数的估计值。然而，到目前为止，利用探地雷达对地下管线倾角的检测却很少被关注。了解地下管线的倾斜角度，可以有效获取管线系统中存在的异常状况，有助于专业人员对地下管线进行更加精确的检查与维护。以柱状反射体为例，考虑到其在空间中的倾斜角度对其雷达信号函数解析式的影响，柱状反射体倾角会影响其双曲线反射信号的特征，致使很难利用雷达信号对其进行精确定位。故在对地下管线进行检测时，必须对其倾角信息加以了解，才能更加精准地获取地下管线的其它信息。
技术实现思路
为实现本专利技术之目的，采用以下技术方案予以实现：一种检测地下柱状反射体倾角大小的方法，其中，所述方法包括如下步骤：步骤A，获取地下柱状物的雷达扫描图像；步骤B，从步骤A所得到的雷达扫描图像中，在柱状物的双曲线反射信号上提取多个采样点坐标；步骤C，建立数学模型，利用相应算法进行曲线拟合，计算得到柱状物倾角的测量值。所述的方法，其中：步骤A中，获取地下柱状物的雷达扫描图像的具体方式是：使用收发天线一体的便携式雷达系统，通过布设多条测线，对地下柱状反射体进行探测。所述的方法，其中：步骤B中，在柱状物的双曲线反射信号上提取每个采样点坐标之前，先对步骤A获取的原始雷达数据进行预处理，再在经过预处理的雷达图像中，提取双曲线反射信号上振幅绝对值最大的点，记录该采样点的坐标值。所述的方法，其中：步骤C包括：将一倾斜埋于地下的柱状反射体置于空间直角坐标系中，根据雷达天线图像上的反射信号即电磁波的双程走时t与天线在测线上位置l的函数关系建立数学模型。所述的方法，其中所述数学模型为：其中，为柱状反射体的倾角，l0为雷达天线的起始位置与模型的起始位置之间存在的位置差，h表示柱状反射体和z轴的交点与原点之间的距离，c为真空中的光速，ε为介质的介电常数；所述步骤C包括，在建立了上述数学模型后，将步骤B中所选采样点的坐标值与上述方程进行曲线拟合；将l0、h三个参数作为待拟合参数，在曲线拟合后得到相应的倾角的检测值。所述的方法，其中，所述方法还包括在所述步骤A中，在被探测柱状反射体的走向已知的情况下，在垂直于反射体的走向上布设多条测线的过程。所述的方法，其中，所述方法还包括在所述步骤B中，在图像中寻找均匀分布于双曲线信号上待选点，从待选点所在的A扫描中找到振幅绝对值最大的点，并将待选点的位置调整至振幅绝对值最大点处，记录该采样点的坐标。所述的方法，其中，所述方法所述步骤C中建立数学模型的过程具体为：建立包含一倾斜埋于地下的柱状反射体的场景数学模型，在此场景中，柱状反射体的走向是已知的，天线测线与柱状反射体所在平面垂直，以天线测线所在的直线为x轴，以柱状反射体所在平面与地面的交线为y轴，z轴垂直于x轴与y轴构成空间右手直角坐标系。所述的方法，其中，所述方法还包括在所述步骤C中推导柱状反射体双曲线信号所对应的函数关系式的过程，具体过程为：首先，设柱状反射体的倾角为则其所在的直线表达为：其中h表示柱状反射体和z轴的交点与原点之间的距离；天线的测线与x轴重合，点P即反射体距离天线最近的点，就是反射体所在直线与测线所在直线的公垂线与反射体的交点，其坐标为：其次，设天线从起始点出发所移动的距离为l，在实际情况下，雷达天线的起始位置与模型的起始位置之间存在位置差，此处引入偏移量l0，故天线的坐标为(l-l0,0,0)，天线与点P的距离d即可表示为：然后，将此距离转化成电磁波的走时t：其中，v为电磁波在介质中传播的速度，其与介质的介电常数之间的关系表示为：c为真空中的光速，ε为介质的介电常数；最后，根据上述关系式，得到雷达图像中双曲线信号对应的方程：所述的方法，其中，所述方法还包括在所述步骤C中基于雷达图像中的双曲线信号进行曲线拟合的过程，即输入拟合方程以及步骤B中所选的多个采样点的坐标，得到包括反射体倾角在内的待定参数的拟合结果。附图说明以下附图仅旨在于对本专利技术做示意性说明和解释，并不限定本专利技术的范围。其中，图1为根据本专利技术的一个具体实施例的利用探地雷达进行地下柱状反射体倾角估测的流程示意图；图2为根据本专利技术提供的估测地下柱状反射体倾角大小的方法，在步骤A中利用雷达装置对地下反射体进行探测的示意图；图3为根据本专利技术提供的估测地下柱状反射体倾角大小的方法，在步骤B中对雷达图像进行预处理的实例，(a)为探地雷达采集的原始图像，(b)为经过预处理后的雷达图像；图4为根据本专利技术提供的估测地下柱状反射体倾角大小的方法构建的数学模型，描述了包含一倾斜埋于地下的柱状反射体的场景；图5为根据本专利技术设计实验的实地场景。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本专利技术的具体实施方式。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本专利技术技术方案作的唯一限定，凡是在本专利技术技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本专利技术的保护范围。图1为利用探地雷达进行地下柱状反射体倾角估测的流程示意图；下面详细说明根据本专利技术提供的利用探地雷达估测地下柱状反射体倾角的原理，所述方法包括如下三个步骤：步骤A，获取地下柱状物的雷达扫描图像；步骤B，从步骤A所得到的雷达扫描图像中，在柱状物的双曲线反射信号上提取多个采样点的坐标；步骤C，建立数学模型，利用相应算法进行曲线拟合，计算得到柱状物倾角的测量值。对于上述三个步骤，步骤A为雷达数据收集和获取的过程，需在待测量地点完成；步骤B和C为雷达数据数据处理过程，可根据实时情况和需求进行安排完成。在步骤A中，本专利技术要求在柱状物上方布设多条平行测线，以保证实现对一段连续柱状物的倾角估测，便于分析柱状物倾角的变化情况。在步骤B中，本专利技术对双曲线信号上待选点所在的A扫描通道进行查看，并在每个A扫描上统一对最大振幅值出现的点进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测地下柱状反射体倾角大小的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤A，获取地下柱状物的雷达扫描图像；步骤B，从步骤A所得到的雷达扫描图像中，在柱状物的双曲线反射信号上提取多个采样点坐标；步骤C，建立数学模型，利用相应算法进行曲线拟合，计算得到柱状物倾角的测量值。

【技术特征摘要】
1.一种检测地下柱状反射体倾角大小的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤A，获取地下柱状物的雷达扫描图像；步骤B，从步骤A所得到的雷达扫描图像中，在柱状物的双曲线反射信号上提取多个采样点坐标；步骤C，建立数学模型，利用相应算法进行曲线拟合，计算得到柱状物倾角的测量值。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔喜红，刘奇鑫，陈晋，陈学泓，曹鑫，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11