基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法技术

本发明专利技术公开了一种基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法，属于工程地质勘探领域，该方法具体过程如下：利用具有旋转式单极化天线的单极化探地雷达获取目标体的全极化散射矩阵数据；利用H‑α分解方法对所述全极化散射矩阵数据进行特征提取，得到用于辨识目标体的散射特征参数散射熵H和平均散射角α；将目标体的散射熵H和平均散射角α值与已有的H‑α辨识图比对，根据散射熵H和平均散射角α值在H‑α辨识图中分布的位置确定目标体的类型。本发明专利技术可在不改变现有的探地雷达设备或增加设备花费的情况下，直接将现有商用单极化探地雷达升级成全极化探地雷达，从而提高探地雷达对管线类线性目标探测、定位和辨识分类的效率及准确度。

【技术实现步骤摘要】
基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法
本专利技术属于工程地质勘探领域，具体涉及一种基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法。
技术介绍
目前，探地雷达系统已广泛应用于地下目标非破坏性探测与辨识，但是由于城市地下环境复杂多样，使得现有的探地雷达系统对地下管线的准确定位与辨识分类仍然存在着极大挑战。一般来说，商业探地雷达系统多数是单极化雷达系统，只能得到单极化数据，要将管线类线性目标和其他非线性目标(如涵洞和地层等)分开，只能依靠探测不同深度的二维剖面上强度分布或三维成像，因此，需要在地面上做棋盘式的二维数据采集，极为耗时费力、高花费，缺乏实用性。同时不同地下目标通常有不同的散射极化特性，目前探地雷达对目标体的辨识方法主要是靠2-D探测后所得到的3-D数据(x,y,t)进行不同深度切面上的强度分布和三维成像，可是二维探测耗时、费力、花费高，并且此方式无法对不同的散射极化特征做分类。随着城市化建设步伐加快，地下管道和线缆由于其特殊位置及时间跨越，埋设错综复杂，种类繁多，尤其是在老旧城区的改建过程中，管线位置不明对工程产生的影响更加严重，因此如何快速准确的确定地下管道和地下缆线情况及种类，已成为工程地质勘探领域重要的研究方向，全极化探地雷达数据及其相关的信号处理技术已经被证明能有效的提高目标辨识分类精度，但是目前广泛使用的商用探地雷达都是单极化雷达，所以如何能够用单极化商用探地雷达获取全极化雷达数据是当前迫切需要解决的关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是：为了克服现有的单极化探地雷达系统不能获取目标全极化数据以及不能将地下管线类目标辨识分类的不足，而提供一种基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法，能够用单极化商用探地雷达获取全极化雷达数据，对地下管线类目标进行有效的辨识分类。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：利用具有旋转式单极化天线的单极化探地雷达获取目标体的全极化散射矩阵数据；步骤S2：利用H-α分解方法对步骤S1中所述全极化散射矩阵数据进行特征提取，得到用于辨识目标体的散射特征参数散射熵H和平均散射角α；步骤S3：将步骤S2得到的目标体的散射熵H和平均散射角α值与已有的H-α辨识图比对，根据散射熵H和平均散射角α值在H-α辨识图中分布的位置确定目标体的类型。进一步，步骤S1中获取目标体的全极化散射矩阵数据的过程如下：在地下目标体正上方的地表上布设旋转式单极化天线的单极化探地雷达；将所述单极化探地雷达的单极化天线旋转任意三个角度，以单极化天线的旋转中心为坐标原点，在目标体的正上方的地面处建立地表测量坐标系(x,y,z)，相对于地表测量坐标系的x轴的水平旋转角度，单极化天线的三个方向分别为θ1、θ2、θ3；设方向单位矢量为单极化天线的极化方向；设单极化天线的交叉极化强度为c，则表示如下：其中θ为单极化天线相对于所述相对于地表测量坐标系的x轴的水平旋转角度，即单极化天线的方向，θ为θ1、θ2或θ3；设地下目标体在以地下目标体为中心的局部坐标系(x′，y′，z′)中的散射矩阵为sx′y′z′，Sx'y'z'＝RD(2)其中R是坐标旋转矩阵，D是目标体固有坐标系(u，v，w)中的特征对角散射矩阵，表示为：其中σuu、σvv和σww分别表示目标体散射矩阵在目标体坐标系中三个坐标轴方向上的特征值；目标体坐标系(x′，y′，z′)与目标体正上方的地表测量坐标系(x，y，z)为平移关系；在所述单极化探地雷达上观测到的校准散射矩阵sxyz即目标散射矩阵与sx′y′z′相同，即：由于单极化天线只在x-y平面上，即地面上，因此(4)式中sxyz的z分量为零，因此被测量的散射矩阵，即目标体散射矩阵sxyz只有两个维度，sxyz简写为s，即：由(2)式和(3)式可知，由于互易性，sxy＝syx，经过校准，从单极化天线方向采集到的散射数据M，表示如下：将(1)式和(5)式代入到(6)式中，可得单极化天线沿着任意角度θ测量方向的表达式为：则三个任意不同单极化天线方向的单极化测量散射数据为：M1＝M(θ1),M2＝M(θ2),M3＝M(θ3)；已知单极化天线的交叉极化强度c，通过M1、M2和M3可得到所需的目标全极化散射参数sxx、syy和sxy，进而得到目标体的全极化散射矩阵数据通过上述设计方案，本专利技术可以带来如下有益效果：1、本专利技术提出的基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法，该方法基于单极化雷达获取全极化数据并且融合H-α辨识技术，提取浅层地下各向异性介质中管道和缆线的极化属性，提高地下复杂介质中管道和缆线的辨识分类精度。2、本专利技术提出的基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法，通过具有旋转式单极化天线的单极化探地雷达获取目标体全极化数据，可以减少天线交叉极化项造成的目标体散射矩阵误差，从而提高对管线类线性目标探测定位的精确度。附图说明此处的附图说明用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术申请的一部分，本专利技术示意性实施例及其说明用于理解本专利技术，并不构成本专利技术的不当限定，在附图中：图1为单极化天线的三个方向的俯视图；图2为目标体坐标系与目标体正上方的地表测量坐标系的坐标转换对应关系图；图3为线性散射的S矩阵分量在不同交叉极化强度下的估计误差效果图；图4为双反射面散射的S矩阵分量在不同交叉极化强度下的估计误差效果图。图5为在H-α辨识图中目标体的散射熵H和平均散射角α的分布情况。具体实施方式本专利技术提出了一种基于旋转式单极化探地雷达的复杂介质全极化目标辨识分类方法，可在不改变现有的探地雷达设备或增加设备花费的情况下，直接将现有商用单极化探地雷达升级成全极化探地雷达，从而提高探地雷达对管线类线性目标探测、定位和辨识分类的效率及准确度。下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提出了一种基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法，包括如下步骤：步骤S1：利用具有旋转式单极化天线的单极化探地雷达获取目标体的全极化散射矩阵数据；具体过程如下：在地下目标体正上方的地表上布设具有旋转式单极化天线的单极化探地雷达；将所述单极化探地雷达的单极化天线旋转任意三个角度，以单极化天线的旋转中心为坐标原点，在目标体的正上方的地面处建立地表测量坐标系(x，y，z)，相对于地表测量坐标系的x轴的水平旋转角度，单极化天线的三个方向分别为θ1、θ2、θ3；设方向单位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤S1：利用具有旋转式单极化天线的单极化探地雷达获取目标体的全极化散射矩阵数据；/n步骤S2：利用H-α分解方法对步骤S1中所述全极化散射矩阵数据进行特征提取，得到用于辨识目标体的散射特征参数散射熵H和平均散射角α；/n步骤S3：将步骤S2得到的目标体的散射熵H和平均散射角α值与已有的H-α辨识图比对，根据散射熵H和平均散射角α值在H-α辨识图中分布的位置确定目标体的类型。/n

【技术特征摘要】
1.基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：利用具有旋转式单极化天线的单极化探地雷达获取目标体的全极化散射矩阵数据；
步骤S2：利用H-α分解方法对步骤S1中所述全极化散射矩阵数据进行特征提取，得到用于辨识目标体的散射特征参数散射熵H和平均散射角α；
步骤S3：将步骤S2得到的目标体的散射熵H和平均散射角α值与已有的H-α辨识图比对，根据散射熵H和平均散射角α值在H-α辨识图中分布的位置确定目标体的类型。


2.根据权利要求1所述的基于旋转式单极化探地雷达的全极化目标辨识分类方法，其特征在于，步骤S1中获取目标体的全极化散射矩阵数据的过程如下：
在地下目标体正上方的地表上布设旋转式单极化天线的单极化探地雷达；
将所述单极化探地雷达的单极化天线旋转任意三个角度，以单极化天线的旋转中心为坐标原点，在目标体的正上方的地面处建立地表测量坐标系(x,y,z)，相对于地表测量坐标系的x轴的水平旋转角度，单极化天线的三个方向分别为θ1、θ2、θ3；设方向单位矢量为单极化天线的极化方向；设单极化天线的交叉极化强度为c，则表示如下：



其中θ为单极化天线相对于所述相对于地表测量坐标系的x轴的水平旋转角度，即单极化天线的方向，θ为θ1、θ2或θ3；
设地下目标体在以地下目标体为中心的局部坐标系(x′，...

【专利技术属性】
技术研发人员：于月，曹艳玲，岳巾英，刘天航，刘莹，
申请(专利权)人：长春工程学院，
类型：发明
国别省市：吉林;22