一种路面隐性病害区域的几何特征提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CWT能量谱的水泥路面脱空几何特征提取算法。1.数据采集，进行正反演获得原始数据；2.对原始数据进行预处理；3.对预处理信号进行连续小波变换处理，重构能量谱；4.对能量谱进行降维，对降维数据进行离散小波分解，去除干扰；5.求取病害区域的能量函数概率密度函数，求取该函数的期望值；6.利用期望值设定阈值，过滤掉因干扰产生的极值点，求取极大值点左右最近的两个极小值点来确定病害的边界宽度；7.计算病害区域的改进广义S变换谱，对其降维后求取降维函数中索引最小的极大值，计算深度。解决了现有雷达图谱识别无法精确定位病害区域，无法确定脱空病害区域的几何特征的问题，为路面养护提供依据。为路面养护提供依据。为路面养护提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种路面隐性病害区域的几何特征提取方法


[0001]本专利技术属于路面养护领域，具体涉及一种利用探地雷达信号连续小波变换能量谱进行重构并提取病害区域几何特征的方法。

技术介绍

[0002]水泥路面在我国的交通网中占重要地位，不仅承载能力高、稳定性好、而且养护费用低，仍在广泛应用的干线公路(省道、县道)路面结构。由于施工不均匀、路基沉降不均、以及车辆载荷和温度应力的影响等原因使得面板和基层之间产生局部间隙。当板块之间的嵌缝料脱落后，雨水容易进入脱空区域，在交变荷载作用下含水脱空区域范围会进一步扩大，加剧脱空区域病害的发展，对道路的承载力影响较大，导致水泥板块产生沉降和错台问题，最终出现断板，严重影响交通通行。迫切需要建立一种确定病害区域几何尺寸的方法，从而评估路面板块的承载力，在断板前对路面进行养护，延长路面寿命，为路面精准养护提供科学依据。
[0003]脱空病害检测方法主要包括脉冲响法、声振法、振动感知和探地雷达(GPR)等方法，其中探地雷达是路面脱空检测中最有效的无损检测技术，已在路面病害、结构层厚度得到广泛应用。GPR的A
‑
Scan信号是GPR的最小信息单元，也是B
‑
Scan图谱构成基本元素，包含着深度、介质特性和厚度尺寸等信息，若能利用GPR信号进行病害识别则可准确定位病害边界位置。现有GPR路面检测时会产生的大量数据，目前都是依赖于需要有经验的专业人员进行数据处理来判断是否存在病害及病害的位置，存在工作效率低和识别结果主观性强的问题。
[0004]探地雷达(GPR)的回波信号是瞬变非平稳信号，传统傅里叶变换由于基函数的特性，无法揭示信号中不同频率成分在时间轴的分布。而小波变换(CWT)是一种窗口大小固定而形状可改变的时频局部化分析法，通过不同尺度去捕捉信号局部和整体特征，常用于信号时频分析或准确的信号瞬态定位，特别是对于瞬时频率突变的信号。因此，连续小波变换为探地雷达图谱识别，定位病害区域，确定病害区域的几何特征提供了新的思路和方法。
[0005]专利号为CN109444176A的专利提供了一种钢壳下混凝土脱空深度检测方法，该专利通过建立脱空深度标定曲线，考虑了混凝土含水量对脱空深度的影响，针对不同钢板厚度和混凝土含水量采用不同的标定曲线，但是该方法没有提取到脱空宽度的几何参数。专利号为CN110487910A的专利提供了一种基于振动传感技术的面板坝面板脱空及定位检测方法，该专利通过检测面板上各传感器的振幅和加速度的变化量来定位脱空位置。以上专利不是针对GPR信号的，无法解决GPR信号解译困难等问题。
[0006]目前缺少病害区域的几何特征参数提取，申请人从连续小波变换入手，提出一种基于重构CWT能量谱的水泥路面脱空几何特征提取方法，实现脱空区域的横向尺寸提取，从而为路面结构安全性评估提供病害区域几何参数。

技术实现思路

[0007]为了解决现有雷达图谱识别方法无法精确定位病害区域，无法确定脱空病害区域的几何特征参数的问题，提出一种基于GPR原始信号重构CWT能量谱的病害区域几何特征提取方法。本专利技术通过以下步骤实现。
[0008]步骤1.数据采集，使用gprMax进行正演模拟获得脱空病害的GPR数据；或者使用GPR在水泥路面进行脱空病害采集，获得原始的GPR数据。
[0009]步骤2.对原始GPR数据预处理(静校正、增益、背景去除、F
‑
K偏移)，获得预处理信号。
[0010]步骤3.对预处理信号进行连续小波变换(CWT)处理，然后构建重构能量谱。相比于原始B
‑
Scan，重构的能量谱更能有效揭示不同病害区域的横向和纵向分布，并且能够判断不同区域的介质差异性。
[0011]步骤4.对能量谱进行降维，得到降维曲线，采用sym4小波基函数对降维曲线进行离散小波分解，去除背景噪声，提高曲线的平滑性。
[0012]步骤5.求取降维曲线的能量函数概率密度函数，利用该函数的期望值作为求取极值点及确认宽度的阈值设定条件。值点及确认宽度的阈值设定条件。
[0013]式中μ，σ分别是降维数据矩阵的均值和方差。
[0014]步骤6.脱空宽度提取，利用步骤4，5中的期望值设定阈值，然后过滤掉因干扰产生的极值点，然后求取极大值点左右最近的两个极小值点来确定病害的边界宽度，将所有病害区域的宽度存储在向量L中。
[0015]步骤7.根据改进广义S变换谱的极大值原理求取深度。宽度向量中非零元素值，计算病害区域(非零元素对应的区域)中第i道A
‑
Scan数据的改进S变换谱Gs
i
(f，t)，对其谱Gs
i
进行降维，得到(时间
‑
能量)函数g
i
(t)，函数g
i
(t)是改进S变换的降维能量函数；求取函数g
i
(t)中最大的n个值中索引最小的极值点m，即为深度信息。g
i
(t
n
)＝max(Gs
i
(f，t
n
))，n＝1，2，
…
，N
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)g
i
(t)＝[g
i
(t1)，
…
，g
i
(t
N
)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0016]式中，N是第i道A
‑
Scan数据的总采样点数，g
i
(t
n
)是Gs
i
在t
n
时刻的最大值。
[0017]优选的，步骤4中进行离散小波分解时，分解层数的原则是，降维之后的函数低于均值的极值点个数小于总极值点个数的一半时，层数选择3层，反之，降维层数选择4层。
[0018]优选的，在步骤6中求取极大值点左右最近的两个极小值点来确定病害的边界宽度时，由于病害相近的雷达波有重叠现象导致病害的双曲线特征出现交集，进而导致部分极小值点不能反映病害的真实宽度，所以引入相对高度因子α，即极小值点的值相对于其左右两极大值中最小值的高度差。当相对高度超过设定阈值时，需要滤除多个局部极小值点的干扰。α＝min(M1，M2)
‑
y
min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0019]其中，y
min
是极小值，M1，M2是极小值左右两个极大值。
[0020]优选的，在步骤6中，针对极大值点边界没有极小值点的情况，将道数作为限制条件。
[0021]优选的，在步骤7中，由于子波的叠加，导致能量最大并不是原始Ricker子波峰，因此，求取函数中最大的n个值中索引最小的极值点作为深度计算。
[0022]优选的，在步骤7中，病害深度求取公式为式中，t＝m
·
dt，ε为混凝土介电常数。本专利技术的有益效果为
[0023]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种路面隐性病害区域的几何特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一.数据采集，使用gprMax对模型进行仿真，或者使用GPR进行实际数据采集，获得原始的GPR数据；步骤二.对原始GPR数据预处理(静校正、增益、背景去除、F
‑
K偏移)，获得预处理信号；步骤三.对预处理信号进行连续小波变换(CWT)处理，然后构建重构能量谱。相比于原始B
‑
Scan，重构的能量谱更能有效揭示不同病害区域的横向和纵向分布，并且能够判断不同区域的介质差异性；步骤四.对能量谱进行降维，得到降维曲线，采用sym4小波基函数对降维曲线进行离散小波分解，去除背景噪声，提高曲线的平滑性；步骤五.求取降维曲线的能量函数概率密度函数，利用该函数的期望值作为求取极值点及确认宽度的阈值设定条件；点及确认宽度的阈值设定条件；步骤六.脱空宽度提取，利用步骤四、五中的期望值设定阈值，然后过滤掉因干扰产生的极值点，然后求取极大值点左右最近的两个极小值点来确定病害的边界宽度，将所有病害区域的宽度存储在向量L中；步骤七.根据改进广义S变换谱的极大值原理求取深度，宽度向量中非零元素值，计算病害区域(非零元素对应的区域)中第i道A
‑
Scan数据的改进S变换谱Gs
i
(f，t)，对其谱Gs
i
进行降维，得到(时间
‑
能量)函数g
i
(t)，函数g
i
(t)是改进S变换的降维能量函数；求取函数g
i
(t)中最大的n个值中索引最小的极值点m，即为深度信息；g
i
(t
n
)＝max(Gs
i
(f，t
n
))，n＝1，2，
…
，Ng
i
(t)＝[g
i
(t1)，
…
，g
i
(t
N
)]式中，N是第i道A
‑
Scan数据的总采样点数，g
i...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云，陶亮，余秋琴，罗婷倚，杨佩，罗柳芬，罗振华，叶源，胥旭波，唐亚森，刘斌，谢辉，梁夏，陈三喜，张军，李有鑫，朱欣，杨哲，姜文涛，郭宇堃，李炜光，
申请(专利权)人：广西北投公路建设投资集团有限公司，
类型：发明
国别省市：