一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法技术

本发明专利技术属于探地雷达测量技术领域，公开了一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析系统及分析方法，探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析系统包括：参数设置模块、数据采集模块、主控模块、数据去噪模块、厚度测量模块、建模模块、数据存储模块、显示模块。本发明专利技术通过数据去噪模块将达到自动去除相干噪声的目的，避免了基于SVD分解方法需要人为判断奇异值的麻烦，直接根据均方根高参数来判断奇异值，既准确又省时；同时通过建模模块能够准确模拟出雷达信号在分层媒质中的传播过程，该模型的适用范围覆盖远场和近场，为利用探地雷达对分层媒质的特性进行准确的检测提供了有力的理论模型。

【技术实现步骤摘要】
一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法
本专利技术属于探地雷达测量
，尤其涉及一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法。
技术介绍
道路工程是指以道路为对象而进行的规划、设计、施工、养护与管理工作的全过程及其所从事的工程实体。同其他任何门类的土木工程一样，道路程具有明显的技术、经济和管理等方面的特性。路基既是路线的主体，又是路面的基础，并与路面共同承受车辆荷载。路基按其断面的填挖情况分为路堤式、路堑式、半填半挖式三类。路肩是路面两侧路基边缘以内地带，用以支护路面、供临时停靠车辆或行人步行之用。路基土石方工程按开挖的难易分为土方工程(松土、普通土、硬土三级)与石方工程(软石、次坚石、坚石三级)。然而，现有探地雷达容易受噪声影响测量数据的准确性；同时现有探地雷达建模忽略了天线对雷达信号的影响；模型的使用范围受限，主要是被探测目标(分层媒质，例如公路)必须位于探地雷达系统的远场，即离雷达较远，这样增加了雷达信号的扩散损失，降低了信噪比，从而严重影响了测量精度。综上所述，现有技术存在的问题是：现有探地雷达容易受噪声影响测量数据的准确性；同时现有探地雷达建模忽略了天线对雷达信号的影响；模型的使用范围受限，主要是被探测目标(分层媒质，例如公路)必须位于探地雷达系统的远场，即离雷达较远，这样增加了雷达信号的扩散损失，从而严重影响了测量精度。现有技术的混凝土的电磁波速度数据获得的数值准确性差。现有技术获得混凝土垫层准确厚度h数据准确性低。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法。本专利技术是这样实现的，一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法，包括：通过数据采集模块采用剖面法探测项目区道路工程雷达图像，通过现场道路取芯情况对电磁波速度进行修正，得到特定配比下的混凝土的电磁波速度为v2数据；具体包括：1)探测的项目区道路工程雷达图像时频重叠MASK的信号模型为：其中，N为时频重叠信号的信号分量个数，n(t)是加性高斯白噪声，si(t)为时频重叠信号的信号分量，表示为式中Ai表示信号分量的幅度，ai(m)表示信号分量的码元符号，p(t)表示成型滤波函数，Ti表示信号分量的码元周期，fci表示信号分量的载波频率，表示信号分量的相位；对进行非线性变换，得到：y(t)为：y(t)＝x(t)+n(t)；其中，x(t)为数字调制信号，n(t)为服从标准SαS分布的脉冲噪声，x(t)的解析形式表示为：其中，N为采样点数，an为发送的信息符号，在MASK信号中，an＝0，1，2，…，M-1，M为调制阶数，an＝ej2πε/M，ε＝0,1,2,…,M-1，g(t)表示矩形成型脉冲，Tb表示符号周期，fc表示载波频率，载波初始相位是在[0,2π]内均匀分布的随机数；2)构造n个信号的多径空间为：其中，Q为采样点数，K为最大时延，由最大探测距离Rmax/c得到，其中xreci(t)为参考信号，Rmax为最大探测距离，c为光速；3)然后利用最小二乘法原理抑制直达波及其多径，将求min||Ssur-Xref·α||2转化为求得出：代入αestim，解得：其中，Ssur为回波通道信号，α为自适应权值，αestim为α的估计值，为Xref的转置，Sother为回波通道中最终所剩的回波和噪声；主控模块通过数据去噪模块对探地雷达数据进行去噪处理；通过厚度测量模块在EKKO-Project软件中通过增益减益处理分清项目区道路的表层与垫层，测量在电磁波速度v2下的道路平整度与混凝土垫层厚度h；混凝土垫层厚度h的数据测量中，需对厚度h误差参数进行处理，具体包括：利用傅里叶逆变换，将频域测得的散射参数变换到时域，得到时域冲击响应，反射参数对应时域反射响应，传输参数对应时域传输响应；根据反射响应和传输响应中前两个脉冲在时间轴上的位置，分别构造四个时域选通函数；利用选通函数，对时域的反射响应和传输响应进行选通，分别提取出反射响应和传输响应中的前两个脉冲；将时域选通后的时域脉冲分别通过傅里叶变换，得到频域选通数据；频域选通数据中包含EKKO-Project软件中被测混凝土垫层的信息，利用得到的信息，根据公式构造补偿因子Fcf(i)；利用下面的公式，构造补偿因子Fcf(i)：(i＝1,2…)G1(i)～G4(i)是在上步中得到的频域选通数据；R(i)是比率因子；Fcf(i)补偿因子；利用遮蔽补偿公式，得到没有遮蔽误差的反射参数FS11(i)和传输参数FS21(i)；通过建模模块构建探地雷达系统的模型；通过数据存储模块存储探地雷达测量的数据信息；进一步，所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法还包括：通过参数设置模块设置雷达参数：雷达频率250MHz；时窗36ns；电磁波速度v1＝0.1m/ns；通过显示模块显示探地雷达测量的厚度数据信息。进一步，利用下面的遮蔽补偿公式，得到没有遮蔽误差的反射参数FS11(i)和传输参数FS21(i)：(i＝1,2…)。进一步所述数据去噪模块去噪方法包括：(1)对于原始探地雷达数据，截取其前k纳秒内的数据并确定数据的标准道，k为大于0的实数；(2)对于任一扫描道，计算该扫描道与标准道在前k纳秒内的互相关函数并取其最大值；(3)根据步骤(2)遍历所有扫描道，得到由各扫描道互相关函数最大值组成的初至曲线L，进而计算出初至曲线L的均方根高D；(4)根据以下公式计算出与相干噪声对应的奇异值个数N；N＝ROUND{0.2634D+1.3086}其中：ROUND{}为向上取整函数；(5)对原始探地雷达数据进行奇异值分解，剔除奇异值分解后的前N个数据成分，将剩余数据成分重新合成后即完成去噪过程。进一步，建模模块构建方法包括：对探地雷达系统在近场条件下的工作过程进行抽象，并设置模型参数，描绘出雷达系统的工作框图；利用雷达系统的工作框图，得到基于模型参数描述的探地雷达工作原理的方程；进行模型参数校准实验，基于探地雷达工作原理的方程，采用不同高度的测量值构建关于模型参数的一组方程组；求解关于模型参数的方程组，得到探地雷达系统的模型；所述模型参数为雷达系统的特性参数，该特性参数包括：发射天线的特性参数、接收天线的特性参数、发射天线和接收天线间相互耦合作用的参数、接收天线与目标之间多次反射作用的参数；所述基于模型参数描述的探地雷达工作原理的方程，满足：其中，S(ω)表示发射信号和接收信号的比值；a(ω)表示雷达发射的某一频率的信号；b(ω)表示雷达接收到的该频率的信号；ω表示角频率；T0(ω)表示发射天线与接收天线间相互耦合作用的参数；Ts表示接收天线的特性参数向量；IN表示单位矩阵；Ti表示发射天线的特性参数向量；G，G0均为电偶极子在分层媒质中的格林函数矩阵，其中，G表示电磁波的发射点与接收点存在偏置，称为单偏置格林函数；G0表示电磁波的发射点与接收点重合，称为零偏置格林函数；Rs表示接收天线与目标之间的多次反射作用的参数矩阵。本专利技术的另一目的在于提供一种实现所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法的计算机程序。本专利技术的另一目的在于提供一种终端，所述终端至少搭载实现所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法的控制器。本专利技术的另一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法，其特征在于，所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法包括：通过数据采集模块采用剖面法探测项目区道路工程雷达图像，通过现场道路取芯情况对电磁波速度进行修正，得到特定配比下的混凝土的电磁波速度为v2数据；具体包括：1)探测的项目区道路工程雷达图像时频重叠MASK的信号模型为：

【技术特征摘要】
1.一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法，其特征在于，所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法包括：通过数据采集模块采用剖面法探测项目区道路工程雷达图像，通过现场道路取芯情况对电磁波速度进行修正，得到特定配比下的混凝土的电磁波速度为v2数据；具体包括：1)探测的项目区道路工程雷达图像时频重叠MASK的信号模型为：其中，N为时频重叠信号的信号分量个数，n(t)是加性高斯白噪声，si(t)为时频重叠信号的信号分量，表示为式中Ai表示信号分量的幅度，ai(m)表示信号分量的码元符号，p(t)表示成型滤波函数，Ti表示信号分量的码元周期，fci表示信号分量的载波频率，表示信号分量的相位；对进行非线性变换，得到：y(t)为：y(t)＝x(t)+n(t)；其中，x(t)为数字调制信号，n(t)为服从标准SαS分布的脉冲噪声，x(t)的解析形式表示为：其中，N为采样点数，an为发送的信息符号，在MASK信号中，an＝0，1，2，…，M-1，M为调制阶数，an＝ej2πε/M，ε＝0,1,2,…,M-1，g(t)表示矩形成型脉冲，Tb表示符号周期，fc表示载波频率，载波初始相位是在[0,2π]内均匀分布的随机数；2)构造n个信号的多径空间为：Xref＝[Xref1Xref2...Xrefn]；其中，Q为采样点数，K为最大时延，由最大探测距离Rmax/c得到，其中xreci(t)为参考信号，Rmax为最大探测距离，c为光速；3)然后利用最小二乘法原理抑制直达波及其多径，将求min||Ssur-Xref·α||2转化为求得出：代入αestim，解得：其中，Ssur为回波通道信号，α为自适应权值，αestim为α的估计值，为Xref的转置，Sother为回波通道中最终所剩的回波和噪声；主控模块通过数据去噪模块对探地雷达数据进行去噪处理；通过厚度测量模块在EKKO-Project软件中通过增益减益处理分清项目区道路的表层与垫层，测量在电磁波速度v2下的道路平整度与混凝土垫层厚度h；混凝土垫层厚度h的数据测量中，需对厚度h误差参数进行处理，具体包括：利用傅里叶逆变换，将频域测得的散射参数变换到时域，得到时域冲击响应，反射参数对应时域反射响应，传输参数对应时域传输响应；根据反射响应和传输响应中前两个脉冲在时间轴上的位置，分别构造四个时域选通函数；利用选通函数，对时域的反射响应和传输响应进行选通，分别提取出反射响应和传输响应中的前两个脉冲；将时域选通后的时域脉冲分别通过傅里叶变换，得到频域选通数据；频域选通数据中包含EKKO-Project软件中被测混凝土垫层的信息，利用得到的信息，根据公式构造补偿因子Fcf(i)；利用下面的公式，构造补偿因子Fcf(i)：(i＝1,2…)G1(i)～G4(i)是在上步中得到的频域选通数据；R(i)是比率因子；Fcf(i)补偿因子；利用遮蔽补偿公式，得到没有遮蔽误差的反射参数FS11(i)和传输参数FS21(i)；通过建模模块构建探地雷达系统的模型；通过数据存储模块存储探地雷达测量的数据信息。2.如权利要求1所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法，其特征在于，所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法还包括：通过参数设置模块设置雷达参数：雷达频率250MHz；时窗36ns；电磁波速度v1＝0.1m/ns；通过显示模块显示探地雷达测量的厚度数据信息。3.如权利要求1所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法，其特征在于，利用下面的遮蔽补偿公式，得到没有遮蔽误差的反射参数FS11(i)和传输参数FS21(i)：(i＝1,2…)。4.如权利要求1所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法，其特征在于，所述数据去噪模块去噪方法包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱峰，晋菊兰，董吉福，
申请(专利权)人：山东交通学院，
类型：发明
国别省市：山东,37