CN114675263A - 一种使用双极化探地雷达的地下管线材质识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用双极化探地雷达的地下管线材质识别方法,包括以下步骤：步骤(1)：选取适当中心频率的双极化探地雷达，采集地下管线的双极化雷达数据；步骤(2)：由于双极化探地雷达的HH通道和VV通道之间存在不平衡，利用金属板反射对双极化雷达数据进行极化校准；步骤(3)：计算地下管线的极化阿尔法角；步骤(4)：根据拟合的地下介质相对介电常数和计算得到的极化阿尔法角，判断地下管线的类型；极化阿尔法角值小则为塑料管线，值大为金属管线，值居中则为混凝土管线。计算地下管线反射的极化阿尔法角，利用双曲线拟合计算地下土体的介电常数；根据地下管线的极化阿尔法角和地下土体介电常数，研究不同类型管线的信号特征。

Description

一种使用双极化探地雷达的地下管线材质识别方法
技术领域
本发明属于雷达识别技术领域，具体涉及一种使用双极化探地雷达的地下管线材质识别方法。
背景技术
地下管网是指城市地下管线的铺设,是将供水、供电、通信、排水等等建成一个类似网络的拉链路。它是国家为了建成较为完善的城市地下管线体系；由于其在地下深埋，所以在检测其材质时候就极为困难，但是在城市改造的时候需要对地面进行挖掘，需要一种准确的方法探测地下管道并识别其材质，为城市改造提供地下管网图，确保地下改造的顺利进行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用双极化探地雷达的地下管线材质识别方法，采用双极化雷达采集地下管线的VV和HH极化雷达数据，提取管线顶点处反射信号，对该信号进行包络和叠加处理并计算对应的极化阿尔法角，结合双曲线拟合估计的地下介质介电常数，获得管线材质信息。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种使用双极化探地雷达的地下管线材质识别方法，包括以下步骤：
步骤(1)：选取适当中心频率的双极化探地雷达，采集地下管线的双极化雷达数据；
步骤(2)：由于双极化探地雷达的HH通道和VV通道之间存在不平衡，利用金属板对采集的双极化雷达数据进行极化校准；
步骤(3)：计算地下管线的极化阿尔法角；
步骤(4)：利用双曲线拟合估计地下管线周围介质的介电常数根据计算得到的极化阿尔法角，判断地下管线的类型；极化阿尔法角值小则为塑料管线，值大为金属管线，值居中则为混凝土管线。
优选的，所述步骤(1)具体包括以下步骤：
步骤(1.1)在测距轮触发模式下，使用双极化探地雷达垂直于地下管线方向采集双极化雷达数据，确保地下管线的反曲线反射形状完好；
步骤(1.2)对获得的双极化雷达数据进行数据处理，提高信噪比，数据处理流程包括：去直流，去背景，零时校正和带通滤波。
优选的，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
步骤(2.1)：将双极化雷达正对一块金属板保持不动，在时间或测距论触发模式下采集双极化雷达数据；
步骤(2.2)：金属板的理论散射矩S阵式(1)所示：
Figure BDA0003589010430000021
式(1)中表明金属板的HH通道和VV通道反射振幅相同，利用式(1)对后续中计算得到的SHH和SVV进行校准；
步骤(2.3)：计算金属板反射信号的能量SHH和SVV。由于最大正振幅或负振幅的不稳定，不能准确反应地下管线的反射强度，采用地下管线的反射信号包络积分来代替最大振幅，对步骤(2.2)中获得的金属板反射的双极化雷达数据，取绝对值后进行希尔伯特变换：
A(t)＝a(t)+b(t)i (2)；
式(2)中A(t)为希尔伯特变换后的双极化雷达信号，a(t)为瞬时振幅，b(t)为相位；
步骤(2.4)：通过金属板的双极化反射信号及其包络图像，确定金属板反射起始和结束时间，金属板的反射信号强度为：
Figure BDA0003589010430000031
公式(3)中AHH和AVV为HH通道和VV通道的反射信号包络，t1为金属板反射起始时间，t2为金属板反射结束时间；
通过式(3)求得双极化雷达的极化散射校正矩阵为：
Figure BDA0003589010430000032
优选的，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
步骤(3.1)：根据步骤(2.3)中的方法计算步骤(1)中采集的地下管线的双极化反射能量并进行校准：
Figure BDA0003589010430000033
式(5)中t1和t2分别为地下管线反射的起始时间和结束时间，AHH和AVV为希尔伯特变换后的地下管线极化雷达反射信号，δHH和δVV为步骤(2)中计算得到的校正系数，
Figure BDA0003589010430000034
和
Figure BDA0003589010430000035
分别为校准之后的地下管线HH通道和VV通道反射能量；
计算极化阿尔法角α为：
Figure BDA0003589010430000041
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)采用双极化探地雷达，同时获得VV通道和HH通道的极化雷达数据；
(2)提取双曲线顶点位置的双极化雷达的反射信号，对该信号进行包络叠加处理；
(3)计算地下管线反射的极化阿尔法角，利用双曲线拟合计算地下土体的介电常数；
(4)根据地下管线的极化阿尔法角和地下土体介电常数，研究不同类型管线的信号特征。
附图说明
图1为本发明的双极化雷达地下管线检测示意图；
图2为本发明的金属板的反射信号示意图；
图3为本发明的金属板的双极化反射信号及其包络图像，t1和t2为确定的金属板反射起始和结束时间。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明提供一种技术方案：一种使用双极化探地雷达的地下管线材质识别方法，包括以下步骤：
步骤(1)：选取适当中心频率的双极化探地雷达，采集地下管线的双极化雷达数据；
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
步骤(1.1)在测距轮触发模式下，使用双极化雷达垂直于地下管线方向采集双极化雷达数据，确保地下管线的反曲线反射形状完好；
步骤(1.2)对获得的双极化雷达数据进行数据处理，提高信噪比，数据处理流程包括：去直流，去背景，零时校正和带通滤波。
步骤(2)：由于双极化探地雷达的HH通道和VV通道之间存在不平衡，对采集的双极化雷达数据进行极化校准；
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
步骤(2.1)：将双极化雷达正对一块金属板保持不动，在时间或测距论触发模式下采集双极化雷达数据；
步骤(2.2)：金属板的理论散射矩S阵式(1)所示：
Figure BDA0003589010430000051
式(1)中表明金属板的HH通道和VV通道反射振幅相同，利用式(1)对后续中计算得到的SHH和SVV进行校准；
步骤(2.3)：计算金属板反射信号的能量SHH和SVV，由于最大正振幅或负振幅的不稳定，不能准确反应地下管线的反射强度，采用地下管线的反射信号包络积分来代替最大振幅，对步骤(2.2)中获得的金属板反射的双极化雷达数据，取绝对值后进行希尔伯特变换：
A(t)＝a(t)+b(t)i (2)；
式(2)中A(t)为希尔伯特变换后的双极化雷达信号，a(t)为瞬时振幅，b(t)为相位；
步骤(2.4)：通过金属板的双极化反射信号及其包络图像，确定金属板反射起始和结束时间，金属板的反射信号强度为：
Figure BDA0003589010430000061
公式(3)中AHH和AVV为HH通道和VV通道的反射信号包络，t1为金属板反射起始时间，t2为金属板反射结束时间；
通过式(3)求得双极化雷达的极化散射校正矩阵为：
Figure BDA0003589010430000062
步骤(3)：计算地下管线的极化阿尔法角；
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
步骤(3.1)：根据步骤(2.3)中的方法计算步骤(1)中采集的地下管线的双极化反射能量并进行校准：
Figure BDA0003589010430000063
式(5)中t1和t2分别为地下管线反射的起始时间和结束时间，AHH和AVV为希尔伯特变换后的地下管线极化雷达反射信号，δHH和δVV为步骤(2)中计算得到的校正系数，
Figure BDA0003589010430000064
和
Figure BDA0003589010430000065
分别为校准之后的地下管线HH通道和VV通道反射能量；
计算极化阿尔法角α为：
Figure BDA0003589010430000071
步骤(4)：根据拟合的地下介质相对介电常数和计算得到的极化阿尔法角，判断地下管线的类型；极化阿尔法角值小则为塑料管线，值大为金属管线，值居中则为混凝土管线。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种使用双极化探地雷达的地下管线材质识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：选取适当中心频率的双极化探地雷达，采集地下管线的双极化雷达数据；
步骤(2)：由于双极化探地雷达的HH通道和VV通道之间存在不平衡，利用金属板反射对双极化雷达数据进行极化校准；
步骤(3)：计算地下管线的极化阿尔法角；
步骤(4)：根据拟合的地下介质相对介电常数和计算得到的极化阿尔法角，判断地下管线的类型；极化阿尔法角值小则为塑料管线，值大为金属管线，值居中则为混凝土管线。
2.根据权利要求1所述的一种使用双极化探地雷达的地下管线材质识别方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括以下步骤：
步骤(1.1)在测距轮触发模式下，使用双极化雷达垂直于地下管线方向采集双极化雷达数据，确保地下管线的反曲线反射形状完好；
步骤(1.2)对获得的双极化雷达数据进行数据处理，提高信噪比，数据处理流程包括：去直流，去背景，零时校正和带通滤波。
3.根据权利要求1所述的一种使用双极化探地雷达的地下管线材质识别方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
步骤(2.1)：将双极化雷达正对一块金属板保持不动，在时间或测距论触发模式下采集双极化雷达数据；
步骤(2.2)：金属板的理论散射矩S阵式(1)所示：
Figure FDA0003589010420000011
式(1)中表明金属板的HH通道和VV通道反射振幅相同，利用式(1)对后续中计算得到的SHH和SVV进行校准；
步骤(2.3)：将双极化雷达正对金属板，采集金属板的反射信号用于极化校准，提取金属板的极化反射信号，计算金属板反射信号的能量SHH和SVV，由于最大正振幅或负振幅的不稳定，不能准确反应地下管线的反射强度，采用地下管线的反射信号包络积分来代替最大振幅，对步骤(2.2)中获得的金属板反射的双极化雷达数据，取绝对值后进行希尔伯特变换：
A(t)＝a(t)+b(t)i (2)；
式(2)中A(t)为希尔伯特变换后的双极化雷达信号，a(t)为瞬时振幅，b(t)为相位；
步骤(2.4)：通过金属板的双极化反射信号及其包络图像，确定金属板反射起始和结束时间，金属板的反射信号强度为：
Figure FDA0003589010420000021
公式(3)中AHH和AVV为HH通道和VV通道的反射信号包络，t1为金属板反射起始时间，t2为金属板反射结束时间；
通过式(3)求得双极化雷达的极化散射校正矩阵为：
Figure FDA0003589010420000022
4.根据权利要求1所述的一种使用双极化探地雷达的地下管线材质识别方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
步骤(3.1)：根据步骤(2.3)中的方法计算步骤(1)中采集的地下管线的双极化反射能量并进行校准：
Figure FDA0003589010420000031
式(5)中t1和t2分别为地下管线反射的起始时间和结束时间，AHH和AVV为希尔伯特变换后的地下管线极化雷达反射信号，δHH和δVV为步骤(2)中计算得到的校正系数，
Figure FDA0003589010420000032
和
Figure FDA0003589010420000033
分别为校准之后的地下管线HH通道和VV通道反射能量；
计算极化阿尔法角α为：
Figure FDA0003589010420000034
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