CN115902877A - 基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法，包括：S1、采集道路内部的探地雷达回波信号；S2、对所述回波信号进行预处理，并基于预处理后的所述回波信号提取道路内部病害对应的信号；S3、基于提取的所述道路内部病害对应的信号，构建道路内部病害数据集；S4、基于所述病害数据集，对道路内部病害进行三维展示，并基于所述三维展示，确定目标病害对应的特征信号。基于构建的道路病害雷达数据集，对病害进行三维展示，使雷达数据与道路内部情况更直观，解决了雷达图谱难识别，雷达数据难解释的问题。

Description

基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法

技术领域

本发明属于道路病害检测与雷达探测成像技术领域，具体涉及基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法。

背景技术

随着道路使用年限的增加，以及气候、荷载等因素的同时作用，路面会出现不同程度的病害，若不及时进行养护，将影响道路正常通行、车辆安全行驶。因此对道路状况进行准确评价、选择合适的养护方案是延长道路使用寿命与保障交通正常运行的重要前提。三维探地雷达因其具有快速准确无损等特性，成为了当前获取道路内部结构状况信息的重要手段。三维探地雷达通过跨越式多通道发射和多通道接收的天线架构方式，发射高频脉冲电磁波探测介质的空间分布，同时兼顾浅层分辨率和探测深度，实现对道路的高密度无损检测及高精度成像。根据获得的雷达图谱基于专家解释法可初步判断病害的类型，然而建立雷达图谱特征与道路结构的准确关系仍需多次取芯验证，积累丰富的经验；且仅根据二维雷达图谱，不能准确认识内部结构特征。

发明内容

针对现有技术问题，本发明提出了一种基于探地雷达检测的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法，用于提取雷达数据，对道路内部病害进行三维展示并确定不同类型病害对应的特征信号。为今后识别雷达信号，解释雷达图谱提供准确依据。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法，包括以下步骤：

S1、采集道路内部的探地雷达回波信号；

S2、对所述回波信号进行预处理，并基于预处理后的所述回波信号提取道路内部病害对应的信号；

S3、基于提取的所述道路内部病害对应的信号，构建道路内部病害数据集；

S4、基于所述病害数据集，对道路内部病害进行三维展示，并基于所述三维展示，确定目标病害对应的特征信号。

优选地，采集所述回波信号的方法包括：

将被测道路按照行车方向划分为若干条测线；

采用探地雷达对所述测线进行所述回波信号采集。

优选地，对所述回波信号进行预处理的方法包括：零偏处理、零点调节、增益调节、数据滤波和背景消除；

所述零偏处理用于使单道所述回波信号对称；

所述零点调节用于消除探地雷达发射天线与地面间的距离，将地面位置调整到计时位置为0的位置；

所述增益调节用于加强深层病害的回波信号；

所述数据滤波用于消除所述回波信号中的干扰波，从所述回波信号中提取有用信号；

所述背景消除用于消除深层回波信号中的水平信号。

优选地，所述零偏处理过程包括：

式中，A(n)表示没有经过处理的原始单道回波信号；A’(n)表示经过零偏处理的单道回波信号；N表示单道波形采样点数，n表示每个单道回波信号扫描的第n个样本。

优选地，所述背景消除的过程包括：

y(t)＝x(t)-x(t)'

式中，N₁、N₂分别表示所选测线开始和终止的道数；x(t)'表示所选区域信号的平均值；x(t)表示原始道反射回波信号幅值，y(t)表示原始道反射回波信号幅值。

优选地，构建所述道路内部病害数据集的方法包括：

将所述提取的道路内部病害对应的信号转置排列为一维矩阵；

按照采样间隔、发射与接收天线间距、特征点取样间隔构建所述道路内部病害对应的信号的三维坐标；

将所述一维矩阵和所述三维坐标一一对应，得到所述道路内部病害数据集。

优选地，所述对道路内部病害进行三维展示的方法包括：

对所述道路内部病害数据集按照深度进行排序，将按照天线间隔构成的数据点集重新排列为由特征点构成的数据点集；

对所述由特征点构成的数据点集进行插值处理，得到密集离散点数据；

对所述密集离散点数据进行参数、属性设置，得到道路内部病害三维渲染体。

优选地，确定所述目标病害对应的特征信号的方法包括：

通过voxler软件选择等值面图模块；

调整所述等值面图模块的临界值，直到得到完整半封闭的等值面；

基于所述完整半封闭的等值面，确定所述目标病害对应的特征信号。

本发明的有益效果为：

本发明充分利用三维探地雷达所检测的雷达数据，基于构建的道路病害雷达数据集，对病害进行三维展示，使雷达数据与道路内部情况更直观，解决了雷达图谱难识别，雷达数据难解释的问题。

本发明充分利用探地雷达回波信号，构建了道路内部病害的三维体，实现了雷达数据的三维可视化并确定了不同类型病害对应的雷达信号特征，识别雷达信号的准确率更高，并为今后建立雷达信号与道路病害的对应关系提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面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是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法流程示意图；

图2为本发明提出的基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法的雷达数据预处理流程图；

图3为本发明提出的基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法的道路内部病害的三维展示流程图；

图4为本发明提出的基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法的确定目标病害的特征信号流程图；

图5为本发明提出的基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法的所提取的预处理后的雷达图；

图6为本发明提出的基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法的道路内部病害三维展示图；

图7为本发明提出的基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法的完整半封闭的等值面图。

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。

为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，为本发明基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法的流程示意图，包括以下步骤：

S1、采集道路内部的探地雷达回波信号；

本实施例中，首先，根据行车方向，将被测道路划分为若干条测线；其次，在保证采集精度的前提下，使用探地雷达对上述若干条测线进行回波信号采集。

S2、对回波信号进行预处理，并基于预处理后的回波信号提取道路内部病害对应的信号；

如图2所示，本实施例中，预处理方法包括：零偏处理、零点调节、增益调节、数据滤波和背景消除；

其中，通过对回波信号进行零偏处理可以使但道回波信号对称。零偏处理的方法包括：对单道回波信号进求和，再取其均值，最后用该道波形数据减去均值进而得到零偏结果。计算公式如下：

式中，A(n)表示没有经过处理的原始单道回波信号；A’(n)表示经过零偏处理的单道回波信号；N表示单道波形采样点数，n表示每个单道回波信号扫描的第n个样本。在本实施例中，N取值为256。

零点调节可以消除探地雷达发射天线与地面间的距离，将地面位置调整到计时位置为0的位置；具体计算过程如下：

式中，c表示真空中电磁波的传播速度；ε_r表示空气的相对介电常数。在本实施例中，c＝3×10⁸m/s；将时窗为零的位置调整为剖面向下30cm处。

增益调节用来加强深层病害的回波信号。本实施例中，增益调节选择补偿增益，增益系数为50。

数据滤波用于消除回波信号中的干扰波，从回波信号中提取有用信号；具体包括：采用线性相位的有限脉冲相应的滤波器，根据有用信号和干扰信号的频谱特征，进而搭建针对道路检测的选择性频率滤波器；通过上述滤波器消除干扰波，从回波信号中提取有用信号。本实施例中，低频信号选用450MHz，高频信号选用1350MHz。

背景消除用于消除深层回波信号中的水平信号；方法包括：对采集的回波信号求均值用来代表水平信号，每道数据减去均值干扰数据，进而加强目标信号。具体计算过程如下：

y(t)＝x(t)-x(t)'

式中，N1、N2分别表示所选测线开始和终止的道数；x(t)'表示所选区域信号的平均值；x(t)表示原始道反射回波信号幅值，y(t)表示原始道反射回波信号幅值。本实施例选用整体法，处理范围为1-256。如图5所示，为本实施例预处理后的雷达图。

提取道路内部病害对应的信号的方法包括：

根据预处理后的回波信号初步判断病害类型，并对病害位置进行定位；本实施例中，病害类型为裂缝病害，病害位置为第17200个采样点到第17600个采样点之间。

采用MATLAB提取定位的病害回波信号。

S3、基于提取的道路内部病害对应的信号，构建道路内部病害数据集；

构建道路内部病害数据集的方法包括：

将提取的道路内部病害对应的信号转置排列为一维矩阵；本实施例中，将第17200个采样点到第17600个采样点按照顺序进行排列，转置为一维矩阵。

按照采样间隔、发射与接收天线间距、特征点取样间隔构建道路内部病害对应的信号的三维坐标；采样间隔为探地雷达每次发射接收时双程走时对应的距离；发射与接收天线间距为天线阵中每个发射天线与接收天线之间的距离；在本实施例中，采用间隔设置为2.58cm、一组发射天线与接收天线间距为19.5cm；共7组，每组之间间隔6.5cm、特征点取样间隔设置为0.4cm，构建所述回波信号的三维坐标。

将一维矩阵和三维坐标一一对应，得到道路内部病害数据集。

S4、基于病害数据集，对道路内部病害进行三维展示，并基于三维展示，确定目标病害对应的特征信号。

如图3所示，对道路内部病害进行三维展示的方法包括：

对道路内部病害数据集按照深度进行排序，将按照天线间隔构成的数据点集重新排列为由特征点构成的数据点集；本实施例中，选取深度为114.18cm的裂缝病害所在区域，按照深度从0到114.18cm重新排列为由特征点构成的数据点集。

对由特征点构成的数据点集进行插值处理，得到密集离散点数据；

本实施例采用voxler软件对由特征点构成的数据点集进行插值处理，将其网格化，进而得到密集离散点数据；具体步骤为：

(1)对由特征点构成的数据点集进行插值运行：Great→Computational→Gridder；

(2)在Network工作区添加Gridder模型，并与导入的道路内部病害的数据集连接；

(3)在Gridder模型的属性窗口中选择反距离法插值方法，调整加权指数为2后运行BeginGridding。

对密集离散点数据进行参数、属性设置，得到道路内部病害三维渲染体。具体包括：

在voxler软件中添加坐标轴，在ColorMap属性中设置颜色等级，添加Axes并与Gridder相连。

在Network工作区中添加VolRender，并与Gridder相连，在ColorMap属性中设置颜色等级为Rainbow6，并在VolRender模型的属性窗口中选择三线性法，不透明度调整为0.27，进而可以得到道路内部病害三维渲染体。如图6所示，为本实施例道路内部病害三维展示图。

如图4所示，确定目标病害的特征信号的方法包括：

通过voxler软件选择等值面图模块；具体为：

在Network工作区中添加Isosurface，并与Gridder相连。

调整所述等值面图模块的临界值，直到得到完整半封闭的等值面；具体为：

调节Isosurface属性中的Critical Value，直到在观察者视窗能够看到完整半封闭的等值面图。本实施例中，当临界值为4202.64时，可以得到完整半封闭的等值面图。如图7所示，为本实施例完整半封闭的等值面图。

基于所述完整半封闭的等值面，确定所述目标病害对应的特征信号。具体为：

在Isosurface属性中调节的Critical Value为道路病害对应的特征信号。本实施例中，得到裂缝病害的特征信号取值为4202.64。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集道路内部的探地雷达回波信号；

S2、对所述回波信号进行预处理，并基于预处理后的所述回波信号提取道路内部病害对应的信号；

S3、基于提取的所述道路内部病害对应的信号，构建道路内部病害数据集；

S4、基于所述病害数据集，对道路内部病害进行三维展示，并基于所述三维展示，确定目标病害对应的特征信号。

2.根据权利要求1所述基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法，其特征在于，采集所述回波信号的方法包括：

将被测道路按照行车方向划分为若干条测线；

采用探地雷达对所述测线进行所述回波信号采集。

3.根据权利要求1所述基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法，其特征在于，对所述回波信号进行预处理的方法包括：零偏处理、零点调节、增益调节、数据滤波和背景消除；

所述零偏处理用于使单道所述回波信号对称；

所述零点调节用于消除探地雷达发射天线与地面间的距离，将地面位置调整到计时位置为0的位置；

所述增益调节用于加强深层病害的回波信号；

所述数据滤波用于消除所述回波信号中的干扰波，从所述回波信号中提取有用信号；

所述背景消除用于消除深层回波信号中的水平信号。

4.根据权利要求3所述基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法，其特征在于，所述零偏处理过程包括：

式中，A(n)表示没有经过处理的原始单道回波信号；A’(n)表示经过零偏处理的单道回波信号；N表示单道波形采样点数，n表示每个单道回波信号扫描的第n个样本。

5.根据权利要求3所述基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法，其特征在于，所述背景消除的过程包括：

y(t)＝x(t)-x(t)'

式中，N₁、N₂分别表示所选测线开始和终止的道数；x(t)′表示所选区域信号的平均值；x(t)表示原始道反射回波信号幅值，y(t)表示原始道反射回波信号幅值。

6.根据权利要求1所述基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法，其特征在于，构建所述道路内部病害数据集的方法包括：

将所述提取的道路内部病害对应的信号转置排列为一维矩阵；

按照采样间隔、发射与接收天线间距、特征点取样间隔构建所述道路内部病害对应的信号的三维坐标；

将所述一维矩阵和所述三维坐标一一对应，得到所述道路内部病害数据集。

7.根据权利要求1所述基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法，其特征在于，所述对道路内部病害进行三维展示的方法包括：

对所述道路内部病害数据集按照深度进行排序，将按照天线间隔构成的数据点集重新排列为由特征点构成的数据点集；

对所述由特征点构成的数据点集进行插值处理，得到密集离散点数据；

对所述密集离散点数据进行参数、属性设置，得到道路内部病害三维渲染体。

8.根据权利要求1所述基于雷达的道路内部病害三维展示与特征信号确定方法，其特征在于，确定所述目标病害对应的特征信号的方法包括：

通过voxler软件选择等值面图模块；

调整所述等值面图模块的临界值，直到得到完整半封闭的等值面；

基于所述完整半封闭的等值面，确定所述目标病害对应的特征信号。

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