一种粮堆中异物的识别方法技术

本发明专利技术涉及一种粮堆中异物的识别方法，用以解决现有技术干扰大、分类不精确、无法进行多种目标分类的问题。本方法首先利用图像处理技术和霍夫变换法在探地雷达图中对异物目标进行定位，然后在异物目标所在道上基于折射和反射定律对介电常数进行多层单道反演，最后根据反演的介电常数数值，依据介电常数与常见异物的对应关系确定异物的种类，实现异物的识别。该方法只需回波幅度信息，无需回波相位信息，因而算法更易于实现。同时，由于不同种类物体介电常数的差异，该方法对异物的分类和识别更加精确，并且可对同一区域中不同种类异物同时进行分类。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种属于电磁波探测领域，特别是一种利用电磁波探测技术对大型粮 堆内部多个异常目标(异物)进行识别与分类的技术。
技术介绍
目前在电磁波探测领域，对媒质内部目标进行识别的主要处理手段包括成像识别 和特征变量识别。成像处理通过对多个剖面的回波信号的处理，获取目标物体的几何特征， 从而根据几何特征(主要是外形)对目标加以判别。即从所呈的二维和三维图像上判别有没 有目标体，如果存在目标体，从图像上确定目标体的位置及形状。在比较理想的情况下，采 用有效的探地雷达成像算法，可以获得较好的成像效果，从所成图像上能够清楚的知道是 否存在异物，并可以完成对异物的定位以及异物形状的识别。但成像识别算法有赖于精确 的系统建模，包括激励源信号的形式、天线表面电流的计算、并矢格林函数的计算，在成像 过程中，需要进行多次积分方程的求解和散射场计算，计算量巨大，不适合工程应用。对异物材质的特征变量识别主要是根据探地探地雷达的回波信号进行特征变量 的提取而完成的。探地探地雷达探测目标是依靠发射电磁脉冲，接收目标体的回波信号来 完成的，是基于电磁波的传播理论的，所以通过分析目标电磁波的波相可以进行目标的特 征提取，进而实现目标识别。目前，基于特征量的异物识别法主要是回波振幅和方向分析法 和目标散射回波频谱特征分析法两种方法。回波振幅和方向分析法根据电磁波传播理论中的反射、折射定律，电磁波反射的 能量和相位取决于反射面上下层介质相对介电常数的差异，电介质界面处两侧的电磁学性 质差异越大，反射波越强。当界面上层介质的介电常数大于界面下层介质的介电常数时，反 射波与入射波的相位同相；反之，当界面上层介质的介电常数小于界面下层介质的介电常 数时，反射波与入射波的相位反相。这是判定界面两侧介质性质与属性的依据，因而反射波 的振幅和方向特征是判别目标介质的重要依据。目标散射回波的频谱特征分析法对介质内部目标进行超宽带窄脉冲扫描，不同目 标的回波信号频谱相位具有不同的变化情况，因此，目前的一个比较可行的方法是通过比 较接收信号与基准信号的相位谱，对目标材质属性进行分类。回波振幅和方向分析法简单实用，但由于电磁波在粮食介质中存在色散和衰减现 象，如果对回波振幅不加以矫正，则分析结果可能与实际相差较大；回波频谱特征分析法对 回波的信噪比，媒质的损耗要求较高，当媒质中存在多种异物时，会由于不同异物回波的相 互干扰而使相位谱分析法失效。粮食是损耗较大、信噪比较低的色散媒质，目前可以采用的 方法回波相位比较法干扰大、分类不精确、无法进行多种目标分类，难以取得令人满意的识 别效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，用以解决现有技术干扰大、分类不精确、无法进行多种目标分类的问题。 为实现上述目的，本专利技术的方案步骤如下a)用探地雷达探测，对粮堆中异物进行定位；b)根据所测粮堆深度与异物深度，将粮堆沿垂直方向从上到下依次分成至少两个虚 拟层；基于反演算法和反射折射定律，得出逐层反演公式第一层介电常数 第二层介电常数 数，Ai是各虚拟层的反射回波幅度，ki是各虚拟层的线性误差校准因子，fi是各虚拟层幅 度衰减因子；公式(11)中，Am是发射电磁波的幅度，AO是第一虚拟层反射回波幅度，kl是 第一虚拟层的线性误差校准因子，fl是第一虚拟层幅度衰减因子；c)将探地雷达天线放置在粮堆表面，测量探地雷达天线对应垂直剖面上各虚拟层的 反射回波幅度Ai ；d)采用测井法进行两次测量确定公式(11)、(12)中的参数fl，kl，fi，ki；采用一个发 射天线与两个接收天线，第一次测量时，将发射天线和接收天线分别插入粮堆第一虚拟层， 根据测量的电磁波幅度衰减和相移，并结合经几何发散校正的电磁波传导模型，确定第一 虚拟层介电常数fi，并根据探地雷达测得的发射电磁波的幅度Am,空气介电常数,，第一层 反射回波幅度A0，结合公式(11 )，设Π=1，确定kl ；第二次测量时，将发射天线和接收天线 分别插入粮堆第二虚拟层，根据测量的电磁波幅度衰减和相移，并结合经几何衰减校正的 电磁波传导模型，确定第二虚拟层介电常数并结合公式(12)，设ki=kl，确定幅度衰减 校准因子fi ；e)利用公式(12)迭代计算探地雷达天线对应位置垂直扫描线上各虚拟层的介电常数；f)根据各虚拟层的介电常数，判断异物的性质和种类。 该方法只需回波幅度信息，无需回波相位信息，因而算法更易于实现。同时，由于 不同种类物体介电常数的差异，该方法对异物的分类和识别更加精确，并且可对同一区域 中不同种类异物同时进行分类。具体优点如下1，本方案采用图像处理技术和智能分析算法，只需借助扫描的探地雷达剖面图即可定 位并识别异物种类，省去了频谱分析等复杂分析过程，使粮堆内部异物识别的过程变得相 对简便，更具有智能化，因而提高了异物识别的效率。第二层及之后层介电常数2，传统的通过相位比较法进行的异物识别，只能对识别结果进行粗粒度分类，如 是否是异物，是金属还是非金属等，不能有效识别异物的种类。本方案通过对反演的介电常 数分布进行数值分析，根据不同物质具有不同的介电常数，再根据探地雷达图上的异物的 双曲线特征，能够精确估计异物的性质和种类。3，传统的相位比较法在探测域有多种异物时，由于异物回波之间的相互影响，给 散射回波相位与基准波相位的比较来带很大干扰，严重影响了相位比较的结果。本方案首 先采用霍夫变换定位异物位置，然后在异物所在垂直扫描线上逐层进行介电常数反演，不 同种类的异物在反演过程中互不影响，若采用并行算法还可加快反演运算过程，因此本方 案可以适应有多种异物存在的情况。发射电磁波的幅度Am是通过将探地雷达天线紧贴一个用做反射镜面的金属板， 进行测量得到的。步骤c)所述的测井法采用的天线，发射天线连接扫频仪，接收天线连接 示波器。步骤a)中对异物定位包括录取原始探地雷达剖面图；对原始探地雷达剖面图进 行预处理；采用加窗统计法提取异物所在区域；采用二维滤波平滑异物所在区域图像进行 分割；利用霍夫变换进行目标检测与定位。附图说明 图1是一幅原始探地雷达图； 图2是经过预处理的探地雷达图； 图3是经过霍夫变换的探地雷达图； 图4是粮堆分层示意图5是电磁波在粮堆多个虚拟层的等效传播模型； 图6是测井法测量示意图； 图7是介电常数随粮堆深度分布示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明，具体实施方式如下1，对录取的探地雷达剖面图进行图像预处理。包括随机噪声抑制、直达波和射频干扰 抑制、天线直耦波抑制、提高信噪比和图像增强等。原始探地雷达图如图1所示，可以看到 图像中间靠近上方的双曲线表示的就是需要检测的异物，图像上方的亮条表示粮面反射波 (称为直达波)，底部的网状结构的亮条表示埋在地板中的钢筋网。可见，原始探地雷达图中 除了所需检测的异物的探地雷达回波图像外，还存在着大量强弱不等的噪声。2，采用加窗统计法提取异物所在区域。该步基于能量检测的统计方法进行初步 检测，从大量数据中提取异物所在区域，用于快速地将绝大部分非目标区域排除。以减少后 续的计算量。所加窗的窗函数可采用简单的矩形窗函数。如采用如下窗函数 其中M是时间窗内采样点数。窗宽度《 = & -考虑到计算量，需要合理选择窗宽 度。建立本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粮堆中异物的识别方法，其特征在于，步骤如下：ａ）用探地雷达探测，对粮堆中异物进行定位；ｂ）根据所测粮堆深度与异物深度，将粮堆沿垂直方向从上到下依次分成至少两个虚拟层；基于反演算法和反射折射定律，得出逐层反演公式：第一层介电常数：＊＊＊（１１）第二层及之后层介电常数：＊＊＊（１２）公式（１２）中，ε↓［ｉ］是各虚拟层的介电常数，ｉ表示从上到下层数的序号，ε↓［０］是空气介电常数，Ａｉ是各虚拟层的反射回波幅度，？ｋｉ是各虚拟层的线性误差校准因子，ｆｉ是各虚拟层幅度衰减因子；公式（１１）中，Ａｍ是发射电磁波的幅度，Ａ０是第一虚拟层反射回波幅度，ｋ１是第一虚拟层的线性误差校准因子，ｆ１是第一虚拟层幅度衰减因子；ｃ）将探地雷达天线放置在粮堆表面，测量探地雷达天线对应位置垂直扫描线上各虚拟层的反射回波幅度Ａｉ；ｄ）采用测井法进行两次测量确定公式（１１）、（１２）中的参数ｆ１，ｋ１，ｆｉ，ｋｉ；采用一个发射天线与两个接收天线，第一次测量时，将发射天线和接收天线分别插入第一虚拟层，根据测量的电磁波幅度衰减和相移，并结合经几何衰减校正的电磁波传导模型，确定第一虚拟层介电常数ε↓［１］，并根据探地雷达测得的发射电磁波的幅度Ａｍ，空气介电常数ε↓［０］，第一层反射回波幅度Ａ０，结合公式（１１），设ｆ１＝１，确定ｋ１；第二次测量时，将发射天线和接收天线分别插入第二虚拟层，根据测量的电磁波幅度衰减和相移，并结合经几何衰减校正的电磁波传导模型，确定第二虚拟层介电常数ε↓［２］，并结合公式（１２），设ｋｉ＝ｋ１，确定幅度衰减校准因子ｆｉ；ｅ）利用公式（１２）迭代计算探地雷达天线对应位置垂直扫描线上各虚拟层的介电常数；ｆ）根据各虚拟层的介电常数，判断异物的性质和种类。...

【技术特征摘要】
一种粮堆中异物的识别方法，其特征在于，步骤如下a) 用探地雷达探测，对粮堆中异物进行定位；b) 根据所测粮堆深度与异物深度，将粮堆沿垂直方向从上到下依次分成至少两个虚拟层；基于反演算法和反射折射定律，得出逐层反演公式第一层介电常数 (11)第二层及之后层介电常数 (12)公式(12)中，是各虚拟层的介电常数，i表示从上到下层数的序号，是空气介电常数，Ai是各虚拟层的反射回波幅度， ki是各虚拟层的线性误差校准因子，fi是各虚拟层幅度衰减因子；公式(11)中，Am是发射电磁波的幅度，A0是第一虚拟层反射回波幅度，k1是第一虚拟层的线性误差校准因子，f1是第一虚拟层幅度衰减因子；c) 将探地雷达天线放置在粮堆表面，测量探地雷达天线对应位置垂直扫描线上各虚拟层的反射回波幅度Ai；d) 采用测井法进行两次测量确定公式(11)、(12)中的参数f1，k1，fi，ki；采用一个发射天线与两个接收天线，第一次测量时，将发射天线和接收天线分别插入第一虚拟层，根据测量的电磁波幅度衰减和相移，并结合经几何衰减校正的电磁波传导模型，确定第一虚拟层介电常数，并根据探地雷达测得的发射电磁波的幅度Am，空气介电常数，第一层反射回波幅度A0，结合公式(11)，设f1=1，确定k1；第二次测量时，将发射天线和接收天线分别插入第二虚拟层，根据测量的电磁波幅度衰减和相移，并结合经几何衰减校正的电磁波传导模型，确定第二虚拟层介电常数，并结合公式(12)，设ki=k1，确定幅度衰减校准因子fi；e) 利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张元，钱向明，廉飞宇，张德贤，甄彤，管爱红，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]