隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的设备与方法技术

本发明专利技术公开了一种隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的设备与方法。首先，确定目标对象以及设备所处于的位置，然后，使用阵列发射天线发射毫米波，以及阵列接收天线接收反射回波，根据收发的时间差测得目标的位置数据和相对距离，同时，存储相关数据信息。将全息成像算法引入到近程毫米波成像中，最后根据成像结果输出灰阶图，根据灰阶图的边缘特征提取算法，输出断层信息。本发明专利技术克服了传统隧道环境下，光线条件差，灰尘影响成像条件的困难，有效提高了分辨率和成像质量。效提高了分辨率和成像质量。效提高了分辨率和成像质量。

【技术实现步骤摘要】
隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的设备与方法


[0001]本专利技术属于地质断层信息领域，特别是涉及隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的设备与方法。

技术介绍

[0002]在钻爆隧道施工过程中需要时时描述开挖段的地质断层信息，进一步掌握隧道施工处的地质稳定性状态，从而指导隧道施工的合理性。目前，最常用的结构面信息采集方法为人工量测法通过地质罗盘采集到的岩体数据和通过摄影成像后期处理。人工采用观察较不方便，由于每个人的考察经验不同，到最后统计出来的结果也都不尽相同，导致评价不够客观，并且时间长及统计记录的方法不能全面的反应断层特征，再加上隧道内灰尘较大，光线条件差，摄影成像结果不佳，故而不能合理有效的指导隧道施工。

技术实现思路

[0003]为了克服现有人工采用观察较不方便和摄影成像结果不佳等问题，本专利技术提出隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的设备与方法，以提高隧道内断层情况获取的准确性及便携性。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的方法，包括：选取设备位置，并固定所述设备；通过阵列发射天线发射毫米波，阵列接收天线接收反射波；通过数据储存装置存储反射波数据；基于所述反射波数据，获得掌子面的全息像；根据所述全息像，得到灰阶图像，对所述灰阶图像进行边缘特征提取，输出边缘特征图，根据所述边缘特征图获取断层信息。
[0005]优选地，选取、固定设备的方法包括：搭建一个放置设备的平台，使设备保持水平，所述设备位于掌子面的中心。
[0006]优选地，采集数据的方法包括：毫米波通过阵列发射天线发射，阵列接收天线接收到带宽中每个频点的反射波得到反射波数据，数据储存装置存储反射波数据，并且根据收发的时间差测得目标的位置数据和相对距离。
[0007]优选地，全息成像的方法包括：将储存的数据通过Fourier变换到空间频率域，即把回波表示成不同方位角和俯仰角以及不同波数的平面波的叠加，叠加后的平面波分量通过二维傅里叶逆变换做近似处理，再通过相位补偿，提高成像的分辨率；将通过相位补偿后的数据进行傅里叶逆变换，得到掌子面的全息像。
[0008]优选地，边缘特征提取的方法包括：
根据所述全息像，得到灰阶图像，使用高斯函数对灰阶图像进行平滑滤波处理，在平滑图像的同时去除噪声点与虚假的边缘点；对平滑后的图像进行一阶偏微分的有限差分计算，计算其梯度幅值和其梯度方向，基于梯度幅值图像，将某个像素点的梯度幅值与其梯度方向上相邻两个像素点的梯度幅值比较，如果其值是最大的，该像素点为边缘特征点，反之，将其赋值为0；采用双阈值算法检测和连接边缘，对经过非极大值抑制的图像采用累计直方图法得到两个阈值，来区分特征边缘点，然后输出掌子面的边缘特征图，得到断层细节图像，从而获取断层信息。
[0009]本专利技术还提供隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的设备，其特征在于，控制装置，用于发射毫米波，并接收反射波；数据储存模块，与所述控制装置连接，用于存储控制装置采集到的反射波数据；数据处理模块，与数据储存模块连接，用于处理所述反射波数据，生成断层细节图像。
[0010]优选地，所述控制装置包括：阵列发射天线、阵列接收天线和屏蔽带；所述阵列发射天线和阵列接收天线位于掌子面中心位置的正前方；所述屏蔽带，用于屏蔽阵列接收天线直接接收阵列发射天线发射的毫米波。
[0011]优选地，数据处理模块包括：全息成像单元、边缘特征提取单元；所述全息成像单元用于基于所述反射波数据，获得掌子面的全息像；所述边缘特征提取单元用于根据所述全息像，得到灰阶图像，对所述灰阶图像进行边缘特征提取，输出边缘特征图。
[0012]本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供的隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的方法通过确定目标对象以及设备所处于的位置。通过发射具有一定带宽的毫米波，经反射后，阵列接收天线接收来自于掌子面的反射回波，并储存数据，便于后期对数据分析。并对收集到的回波数据进行处理，借鉴光学全息成像，将基于Fourier变换的全息成像算法引入近程毫米波成像，获得所述的掌子面的毫米波图像。根据成像结果，输出灰阶图像，对灰阶图像进行边缘特征提取，最终输出掌子面的边缘特征图，获取断层信息。通过此方法能够收集较为全面的掌子面信息，并且可以避免受到隧道内光线差，可见度低的影响，较为精确的获得断层信息，从而更合理有效的指导施工过程。并且将全息成像算法引入近程毫米波成像中，提高了掌子面结构面图像的分辨率。
[0013]本专利技术提供的隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的装置，包括控制装置，控制发射天线发射具有一定带宽的毫米波；数据储存装置，储存反射回波中所携带的图像信息；处理装置，提取储存的图像数据通过全息成像算法和边缘提取特征算法进行处理，获取隧道掌子面的结构断面；能够收集较为全面的掌子面信息，并且可以避免受到隧道内光线差，可见度低的影响，较为精确的获得断层信息，从而更合理有效的指导施工过程。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为本专利技术实施例的收集地质情况方法的流程图；图2为本专利技术实施例的算法流程图（a）和算法流程图（b）；图3为本专利技术实施例的设备的位置示意图；图4为本专利技术实施例的收集地质情况设备的结构框图。
具体实施方式
[0016]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。
[0017]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0018]图1显示了根据本专利技术的一个实施例的一种应用于隧道环境下利用毫米波雷达收集地质情况方法的流程图。
[0019]如图1所示，确定目标对象以及设备所处于的位置。在实施例中，通过确定好设备的安装位置，增加回波所携带的数据信息，提高掌子面结构信息的准确性。
[0020]进一步地优化方案，目标对象为掌子面，确定设备安装位置，在使用钻爆为主要施工方式的隧道内，制作一个简易三脚架，放置装置，其设备需保持水平，并在在一定距离外位于掌子面的中心。由于近程毫米波波束角为80度（平行于水平面
±
40度），设置需放在一定距离外位于掌子面的中心。假设毫米波工作频率为70GHz，对应波长λ=3mm，隧道直径为10米，设备需距离掌子面6米左右，保证发射天线辐射出的无线电波（毫米波）范围更广，以及接收天线接收到携带更多信息的反射回波。
[0021]设备本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的方法，其特征在于，包括以下步骤：选取地质收集设备位置，并固定所述设备；通过阵列发射天线发射毫米波，阵列接收天线接收反射波；通过数据储存装置存储反射波数据；基于所述反射波数据，获得掌子面的全息像；根据所述全息像，得到灰阶图像，对所述灰阶图像进行边缘特征提取，输出边缘特征图，根据所述边缘特征图获取地质信息。2.根据权利要求1所述的隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的方法，其特征在于，选取、固定设备的方法包括：搭建一个放置地质收集设备的平台，使地质收集设备保持水平，所述地质收集设备位于掌子面的中心。3.根据权利要求1所述的隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的方法，其特征在于，采集数据的方法包括：毫米波通过阵列发射天线发射，阵列接收天线接收到带宽中每个频点的反射波得到反射波数据，数据储存装置存储反射波数据，并且根据收发的时间差测得目标的位置数据和相对距离。4.根据权利要求1所述的隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的方法，其特征在于，全息成像的方法包括：将储存的数据通过Fourier变换到空间频率域，即把回波表示成不同方位角和俯仰角以及不同波数的平面波的叠加，叠加后的平面波分量通过二维傅里叶逆变换做近似处理，再通过相位补偿，提高成像的分辨率；将通过相位补偿后的数据进行傅里叶逆变换，得到掌子面的全息像。5.根据权利要求1所述的隧道环境下毫米波雷达收集掌子面地质情况的方法，其特征在于，边缘特征提取的方法包...

【专利技术属性】
技术研发人员：司富安，刘嘉雯，刘征宇，张凤凯，张永恒，白鹏，高超，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：