一种基于探地雷达的地下管线参数自识别方法转让专利
申请号 : CN201410283348.6
文献号 : CN104020495B
文献日 : 2015-05-06
发明人 : 郑晶 , 杨峰 , 杜翠 , 乔旭 , 夏云海
申请人 : 中国矿业大学(北京)
摘要 :
权利要求 :
1.本发明涉及一种基于探地雷达的地下管线参数自识别方法,其特征在于,可以根据探地雷达接收到管线的散射信号反演出管径目标的位置及管径,包括如下步骤:步骤一:预处理,首先采用零偏矫正、数字滤波、小波软阈值去噪、从接收信号中滤除背景噪声及各类杂波信号,然后利用SVD变换的优势,分离背景和目标信号;
步骤二:双曲线边缘提取,利用小波模极大值方法对预处理后的剖面进行边缘检测,找出目标曲线位置并最大限度的保留类双曲线信号在原始剖面中的形状特征;
步骤三:目标初始特征参数求取,结合目标的特征和波动反射理论,求取介质的速度、目标的位置以及管径等参数,由于读取误差的存在,本步骤提取参数与实际值存在一定误差,只能作为反演计算的初始参数;
步骤四:以3中计算得到的参数为初始参数,在一定范围内对速度参数值进行扫描,针对每次的扫描值,对地下管线目标的真实散射点位置进行反演,并计算出相应的管径参数,反演的具体数学表达式为:公式中(Y′i,Z′i)真实的散射点坐标,V为以3中求得的参数为初始参数并在一定范围内进行扫描的速度值、(Y0,Z0)为3中求取的初始目标位置、(Yi,0)是天线第i个接收点坐标,ti是检测到类双曲线信号的时刻;
步骤五:基于Hough变换,对反演结果做圆检测,记录每个反演信息在参数域中对应的峰值,进行峰值检测,作为识别管径参数的依据,得到介质速度、目标位置以及管径等参数的最佳估计值,从而达到管径检测的目的。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤三中可以在未知介质速度的情况下,对目标位置、尺寸和速度信息进行计算,为步骤四的反演提供初始参数,计算的具体数学表达式为:其中,V为速度值,R为管径,(Yi,0)、(Yj,0)、(Yk,0)分别是天线第i、j、k个接收点坐标,ti、tj、tk是分别是天线第i、j、k个接收点接收信号中检测到类双曲线信号的时刻,(Y,Z)为管线目标圆心位置对应的坐标。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤五中,采用Hough变换对反演结果进行圆检测,采用基于最小距离原则的递归方法来找到所有参数域内的局部极大值,对圆心进行定位,当参数值与真实值一致时,反演出的曲线形状最接近于圆,其他情况类似于椭圆或双曲线,椭圆和双曲线在Hough变换后,不能形成有效的交点,圆心的累积值会降低,记录下扫描结果对应的圆心累计值,采用峰值检测技术,找到反演后最接近圆时对应的速度值,进而得到对应的管线目标位置及管径等参数的最佳估计值。
说明书 :
一种基于探地雷达的地下管线参数自识别方法
技术领域
检测地下管线目标,并对其位置、尺寸等信息进行自识别的目的。
背景技术
变化的磁场相互激发在介质中进行传播并形成电磁场。介质中(尤其是土壤中)电磁场、电
磁波的传播——波速、衰减、反射与折射的理论是地质雷达探测检测的理论基础。
天线都放置于被测介质表面,通过向介质中发射高频宽带电磁波脉冲信号,并接收介质中
有差异地方所反射回的电磁波信号实现探测的过程。本发明专利就是基于该探测原理开展
的。
发明内容
波信号的存在,使得管径等目标反射信号不明显,因此对回波信号进行预处理,从中滤除背
景噪声及各类杂波信号对于后续的目标检测和目标识别非常关键,预处理技术包括:零偏
矫正、数字滤波、小波软阈值去噪、测线间去均值、SVD变换分离背景和目标信号等。
面进行边缘提取,在得到类双曲线同时,最大的保留了有用信号,实现了对不连续的双曲线
进行自适应拾取、检测,并采用线连接方法将较近的类双曲线相连,得到连续的双曲线。
介质速度等参数,作为初始参考值,计算方法参照下面的公式(2)。
定范围内进行扫描,反演出各扫描参数对应的散射点位置,当参数值与真实值一致时,反演
出的散射点位置组合成真实的管线外壁。
于真实的管线外壁,也最类似于圆,而其他情况则类似于椭圆或双曲线,以反演的结果作为
Hough的输入时,当曲线越接近于圆时,参数域中的‘亮点’值越大,通过峰值检测技术,在速
度扫描范围内,找到最大值,并将该值对应的速度值记录为介质速度的估计值,从而对应得
到管线的目标位置及管径等参数。
标的位置、管径的尺寸以及介质的速度等参数,无需已知介质的传输速度,计算方法见公式
(2),由于并对参数在一定的范围内进行扫描计算,反演出一定参数范围内的类双曲线上信
号对应空间真实散射点的位置范围,由于读取误差的存在,利用公式(2)提取的参数与实
际值存在一定误差,只能作为反演计算的初始值。
参数对应的散射点位置,当参数值与真实值一致时,反演出的散射点位置可以组合成真实
的管线外壁。
椭圆或双曲线,曲线越接近于圆时,参数域中的‘亮点’积累的值越大,通过峰值检测技术,
可以得到管线目标位置及管径等参数的最佳估计值,检测结果误差小,可信度高。
计值。
标的位置和尺寸以及介质传播速度。如图2,设目标位置的空间坐标为 ,管径为R,天线第 个接收点坐标为 ,检测到类双曲线信号的时刻为 ,介质
传播的速度为 ,在目标散射点和第 个接收天线之间的走时方程见公式(1)。
下管线目标的位置和管径可以依赖公式(2)得到不同速度扫描值下的对应值。
心坐标为参数的三维空间。检测图像 平面上的圆的问题就转换为检测 参数空
间上三维锥面的交点位置问题。图像平面的方程转化为参数平面上的示意图如图3。采用
基于最小距离原则的递归方法来找到所有的局部极大值,这样就可以检测出所有可能的圆
心。将圆心定位之后,采用阈值化的方法就能找到可能的半径。只有当参数值与真实值一致
时,反演出的曲线形状才最接近于圆,而其他情况则类似于椭圆或双曲线,椭圆和双曲线在
Hough变换后,不能形成有效的交点,那么圆心就会迅速扩散,圆心的累积值将会降低,记录
下扫描结果对应的圆心累计值,采用峰值检测技术,就可以找到反演后最接近圆时对应的
速度值,进而得到对应的管线目标位置及管径等参数的最佳估计值。
附图说明
具体实施方式
1GHz,相对介电常数为9。管径从0.35m~0.6m,每次变化量为0.05m。天线位置为离地表
0.05m,初始横坐标为0.0875m,每次位移量为0.02m,共采200道。
雷达剖面图;
它滤除,图5为边缘检测后的目标双曲线提取结果;
数,作为最佳的估计值。
近的值为0.9875m。从管径估计结果来看,误差随着管径的增大有所减小,误差控制在5%以
内,算法精度高。