本发明涉及计算机数字图像处理领域，尤其涉及一种基于电磁波透地技术的地下电缆探测的反演方法。
背景技术：
电磁波透地技术是一种通过利用地下介质的不连续性来探测地下目标的有效方法，具有探测速度快、探测过程连续、操作简单方便、分辨率高、无损探测等特点，多年以来，电磁波成像技术在矿产调查、考古、地质勘测、水文、农业、地雷探测、市政设施维护及刑事勘察等领域应用更加普遍，透地电磁波应用根据探测深度可分为三种浅层、中层、深层应用三种，浅层应用主要涉及探测地雷、地下未爆炸武器、高速公路厚度检测、机场跑道质量检测、房屋内钢筋检测、桥梁隧道内的钢筋检测以及其他特殊检测。中层应用主要用于探测城市建设中地下管道电缆，油田中探测地下油管，以及公路、铁路、机场、隧道建设中了解地址状况。对于深层应用，则主要用于了解地质结构，探测冰川厚度，以及探矿、考古、探月等方面。
电磁波透地技术也越来越多应用于电缆探测技术领域，当前城乡电网采用电力电缆线路输配电越来越多，由于原有地形地貌的改变以及电网改造、线路搬迁等原因，加之电缆资料不完善，电缆路径、埋深都无法确定，因此，电缆路径探测技术的研究至关重要，受技术所限，目前国内外采用较多的电缆路径探测方法有音频感应法、脉冲磁场法、电磁法、地震源法等，然而现有的电缆路径探测方法有着如下不足：1)功能单一，只能探测电力电缆埋深深度；2)需要在被试电缆中注入一定信号，信号衰减快，容易造成误判；3)地震源法会对地下环境造成破坏，无法实现无损检测，因此，从安全、准确、无需停电的角度来考虑，基于电磁波透地成像探测的电缆三维定位技术是技术水平发展的一条高效之路。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题：提供一种基于电磁波透地技术的地下电缆探测的反演方法，用以解决目前的电缆路径探测技术存在的功能单一，信号衰减快、容易造成误判以及容易对地下环境造成破坏的问题。
本发明的技术方案：
一种基于电磁波透地技术的地下电缆探测的反演方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：采用中值滤波法对回波信号进行预处理；
步骤2：采用阈值化图像分割方法提取双曲线信号关心区；
步骤3：提取特征能量最大值，细化特征图像；
步骤4：采用对称算法提取双曲线的顶点坐标，对地下目标进行定位；
步骤5：采用模式匹配法及最小二乘法评价准则确定电磁波地下传播波速；
步骤6：采用最小二乘法对特征点进行双曲线拟合；
步骤7：计算地下电缆的定位坐标；
步骤8：采用神经网络和支持向量回归方法计算地下电缆的介电常数，判断地下电缆的材质。
步骤4所述的采用对称算法提取双曲线的顶点坐标，对地下目标进行定位，其提取计算式为：
其中i(x,y)为特征像素点，k为一维回波图像的列数，y∈[k+1,ysize-k]，xsize是图像的总行数，ysize是图像的总列数，w是一维回波图像的列数，s(x)为双曲线顶点坐标。
步骤5所述的采用模式匹配法及最小二乘法评价准则确定电磁波地下传播波速，还包括以下步骤：
步骤5.1：建立回波信号的双曲线数学模型；
步骤5.2：选定介电常数的范围和计算步长；
步骤5.3：根据最小二乘法评价准则，找到与图像拟合最好的双曲线，确定波速。
步骤7所述的计算地下电缆的定位坐标，所述的定位坐标包括水平坐标x0、垂直坐标vt0和地下电缆半径r，地下电缆半径r的计算式为：
其中，
步骤5.1所述的建立回波信号的双曲线数学模型，所述的数学模型为：
其中，x0为地下电缆的水平位置，t0为天线在x0处的回波延时，v是电磁波在地下的传播速度，r是地下电缆半径，x为天线的水平位置，t为天线在x处的回波延时。
本发明的有益效果：提供一种基于电磁波透地技术的地下电缆的反演方法，能实现无损非接触式测量，对地下环境介质及地下散射体无破坏，同时，本发明的功能强大，能对地下电缆的多个电性能进行反演，包括水平垂直埋深、地下环境介质、管线半径以及管线的材质，而且能在不同频率的天线下，探测不同深度散射体的体积，对地下金属及非金属管道都可以测量，再者，本发明使用的探测天线是贴地探测减少了干扰回波，选取适当的天线平率，有效的减少了电磁信号的衰减。
附图说明
图1电磁波透地结构示意图；
图2双曲线特征自动检测及半径计算的流程图。
具体实施方式
一种基于电磁波透地技术的地下电缆探测的反演方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：采用中值滤波法对回波信号进行预处理：在实际探测中，接收到的回波信号实际含有大量噪声以及能量较强的淹没目标反射信号的直耦波和直达波，故接收到的回波实际上是一种弱信噪比、波形畸变的信号，必须经过一定的预处理过程，所以利用一种非线性滤波器的中值滤波法对回波信号进行预处理，其基本原理是把数字图像或数字序列中的一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，让周围的像素值接近真实值，从而消除孤立的噪声点，其方法是用某种结构的二维滑动模版，将版内像素按照像素值的大小进行排序，生成单调上升或下降的二维数据序列。在窗口中心处的样值便定义为中值滤波的输出值；
步骤2：采用阈值化图像分割方法提取双曲线信号关心区：利用阈值化图像分割方法所取的阈值在每个像素点都有差异的特点，通过计算像素点周围b×b区域的加权平均，然后减去一个常数来得到自适应阈值，其中b×b区域大小以及常数通过设置指定；
步骤3：提取特征能量最大值，细化特征图像：由理论推导出的透地电磁波回波信号只有一条双曲线；而由于发射的电磁波脉冲本身具有一定宽度，故在实际情况中，双曲线存在一定宽度，所以提取能量最大特征点，对特征图像进行细化。
步骤4：采用对称算法提取双曲线的顶点坐标，对地下目标进行定位；
步骤5：采用模式匹配法及最小二乘法评价准则确定电磁波地下传播波速；
步骤6：采用最小二乘法对特征点进行双曲线拟合；
步骤7：计算地下电缆的定位坐标；
步骤8：采用神经网络和支持向量回归方法计算地下电缆的介电常数，判断地下电缆的材质，最终对地下电缆的水平垂直埋深、地下环境介质、管线半径以及管线的材质性能进行反演。
步骤4所述的采用对称算法提取双曲线的顶点坐标，对地下目标进行定位，其提取计算式为：
其中i(x,y)为特征像素点，k为一维回波图像的列数，y∈[k+1,ysize-k]，xsize是图像的总行数，ysize是图像的总列数，w是一维回波图像的列数，s(x)为双曲线顶点坐标。
步骤5所述的采用模式匹配法及最小二乘法评价准则确定电磁波地下传播波速，还包括以下步骤：
步骤5.1：建立回波信号的双曲线数学模型；
步骤5.2：选定介电常数的范围和计算步长；
步骤5.3：根据最小二乘法评价准则，找到与图像拟合最好的双曲线，确定波速。
步骤7所述的计算地下电缆的定位坐标，所述的定位坐标包括水平坐标x0、垂直坐标vt0和地下电缆半径r，地下电缆半径r的计算式为：
其中，
步骤5.1所述的建立回波信号的双曲线数学模型，所述的数学模型为：
其中，x0为地下电缆的水平位置，t0为天线在x0处的回波延时，v是电磁波在地下的传播速度，r是地下电缆半径，x为天线的水平位置，t为天线在x处的回波延时。