一种隧道三维成像方法与流程

本发明属于隧道工程质量检测技术领域，具体涉及一种隧道三维成像方法。

背景技术：

隧道在我国应用非常广泛，已经在我国交通运输和经济发展中占据重要位置。隧道质量检测是保证隧道安全运营的重要手段。

传统的隧道质量检测方法为开孔或开槽取样检测方法，但其具有检测效率低、代表性差、偶然性大以及需破坏隧道内部结构等较大局限性，已逐渐被其他探测方法取代。

地质雷达探测方法，是一种快速、高效、连续的无损检测方法，已经在隧道质量检测领域得到越来越广泛的应用。

现有地质雷达探测方法对隧道进行质量检测的过程为：在隧道内，沿隧道边墙、拱脚、拱腰、拱顶均匀布置7条测线，通过对每条测线的采样数据进行分析，得到7个地质雷达剖面图像，然后对7个地质雷达剖面图像进行综合分析，得到隧道质量情况。然而，上述检测方法存在以下不足：地质雷达剖面图像不直观，不利于人们快速观察到隧道质量分布情况。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种隧道三维成像方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种隧道三维成像方法，包括以下步骤：

S1，对隧道进行质量检测，采集得到原始检测数据记录；

具体方法为：

在所述隧道的内壁选取n个与隧道轴心线平行的测线；其中，n为自然数；

对于任意一条测线i，均采用以下测量方式：

从测线i的测线起点开始，等间距移动雷达天线扫描至测线终点，其中，雷达天线在测线上的各个位置为探测点；

将任意的第j探测点所在的隧道剖面记为第j隧道剖面；则：雷达天线在第j探测点的探测方式为：使雷达天线与第j探测点紧密接触，雷达天线沿第j隧道剖面的法线方向且朝向隧道内部发射电磁脉冲，并记录不断接收到的反射波的双程走时t和振幅A，由此得到第j探测点所对应的一条扫描线记录；

S2，对所述原始检测数据记录中的振幅A进行数字信号处理，得到处理后的检测数据，将处理后的检测数据记作λ；

S3，对所述处理后的检测数据进行分析，计算得到每个测线所包含的每个扫描线记录中每个采样点的三维空间坐标值；具体分析方法如下：

S3.1，对于任意的测线i所包含的任意第j探测点，将第j探测点所在的隧道剖面记为隧道剖面j，则：

建立三维直角坐标系，以隧道轴心线方向为Y轴，将隧道剖面j的左拱脚位置记为B点，将隧道剖面j的右拱脚位置记为C点，将隧道剖面j的拱顶位置记为A点；则：将B点和C点连线的中点记为坐标原点O，将原点O指向C点的方向作为X轴正方向，将原点O指向A点的方向作为Z轴正方向；

S3.2，将任意的两个点之间距离表示为L_点1点2；

通过测距仪，测量得到原点O到A点的距离L_OA＝a；原点O到B点的距离L_OB与原点O到C点的距离L_OC相等，即：L_OB＝L_OC＝b；

由于隧道剖面j所对应的Y轴坐标已知，记为LS；

因此，可计算得到A点坐标为(0,LS,a)；B点坐标为(-b,LS,0)；C点坐标为(b,LS,0)；

S3.3，对于第j探测点，将其位置记为E点，探测雷达在E点测量得到的扫描线记为扫描线j；

扫描线j从E点开始沿隧道法线方向展布，对于扫描线j上任意一个采样点，记为M点，则：

从E点向直线BC作垂线，与直线BC的交点记为F点，可测量得到E点与F点的距离L_EF＝d；

可测量得到F点与B点的距离L_FB＝c；

则：计算得到F点到O点的距离L_FO＝L_FB-L_OB＝c-b；

因此，计算得到E点坐标为：(c-b,LS,d)；

S3.4，读取到采样点M点的双程走时t以及电磁波速度v，根据下式计算得到E点到M点的距离L_EM，记为h；

h＝vt/2；

将B点、A点和C点所确定的圆的圆心记为O'，将O'为圆心的圆半径记为R；则：S3.3中，扫描线j从E点开始沿隧道法线方向展布中，隧道法线方向即为O'到E点的方向；

因此，L_O'B＝L_O'A＝R；

L_O'O＝L_OA-L_O'A＝a-R；

则对直角三角形BOO'，用勾股定理有：

(a-R)²+b²＝R²

解方程求得：

$R=\frac{a^2+b^2}{2a}$

因此，圆心O'点的z轴坐标为：

计算得到圆心O'点的坐标为:

O'(0,LS,)；

又由于L_EP＝L_EF-L_PF＝L_EF-L_O'O＝d-(a-R)；L_O'P＝L_FO＝c-b，L_EO'＝R；

则计算得到：$tan\mathrm{\θ}=\frac{EP}{O^{\′}P}=\frac{d-(a-R)}{c-b};$

因此，M点三维坐标(M_x,M_y,M_z)分别为：

M_x＝L_O'N＝L_O'Mcosθ＝(R+h)cosθ

M_y＝LS

M_z＝L_MN+L_OO'＝L_MN＝L_O'Msinθ+a-R＝(R+h)sinθ+a-R；

通过S3，计算得到每个采样点的三维空间坐标值；

S4，基于三维成像软件，以每个采样点的三维空间坐标值以及进行过数字信号处理后的参数λ值作为输入，得到反映桥墩浇注质量缺陷的雷达检测三维 成像图。

优选的，S4中，在所述雷达检测三维成像图中，通过不同的色度显示各个采样点的λ值。

优选的，还包括：

S5，将所述三维成像图切成垂直切片。

本发明提供的隧道三维成像方法具有以下优点：

(1)在不影响隧道性能的前提下，对隧道质量进行无损检测，并且，可采用简单的方法，快速重建隧道质量缺陷三维成像图，更为直观的反映出隧道内部缺陷的位置、形状及范围，并且具有更高的准确性和可靠性。

(2)具有检测成本低和三维成像速度快的优点，可大范围推广使用。

附图说明

图1为本发明提供的隧道整体的测线布置示意图；

图2为本发明提供的任意一个隧道剖面的计算原理示意图；

图3为本发明提供的任意一个隧道剖面的探测点和采样点分布图；

图4为本发明提供的地质雷达隧道环向探测垂直切片图；

图5为本发明提供的地质雷达隧道环向地质情况探测示意图；

图6为本发明提供的隧道三维成像实际效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

本发明提供一种隧道三维成像方法，主要原理为：将地质雷达每条测线上的每个采样点的坐标均变换到定义的三维坐标系中，再采用专业的三维成像软件实现三维作图，从而实现精细化三维检测和地质探测，达到对隧道施工质量精细化检测或隧道围岩病害探测的目的。

具体包括以下步骤：

S1，对隧道进行质量检测，采集得到原始检测数据记录；

具体方法为：

在隧道的内壁选取n个与隧道轴心线平行的测线；其中，n为自然数；

对于任意一条测线i，均采用以下测量方式：

从测线i的测线起点开始，等间距移动雷达天线扫描至测线终点，其中，雷达天线在测线上的各个位置为探测点；

参考图1，为本发明提供的隧道整体的测线布置示意图，在图1中，H1、H2和H3分别代表3条测线。对于测线H2，K1为测线H2的某一个探测点，K2代表以探测点K1为起点的扫描线。

此处需要说明的是，为达到精细化探测目的，要求所选定的测线间距不大于探测目标体的尺寸。每条测线由多条等间距的扫描线组成，每条扫面线由固定数量的采样点组成。

将任意的第j探测点所在的隧道剖面记为第j隧道剖面；则：雷达天线在第j探测点的探测方式为：使雷达天线与第j探测点紧密接触，雷达天线沿第j隧道剖面的法线方向且朝向隧道内部发射电磁脉冲，并记录不断接收到的反射波的双程走时t和振幅A，由此得到第j探测点所对应的一条扫描线记录；参考图3，为本发明提供的任意一个隧道剖面的探测点和采样点分布图；

S2，对原始检测数据记录中的振幅A进行数字信号处理，得到处理后的检测数据，将处理后的检测数据记作λ；

S3，对处理后的检测数据进行分析，计算得到每个测线所包含的每个扫描线记录中每个采样点的三维空间坐标值；具体分析方法如下：

S3.1，对于任意的测线i所包含的任意第j探测点，将第j探测点所在的隧道剖面记为隧道剖面j，则：

建立三维直角坐标系，参考图2，为本发明提供的任意一个隧道剖面的计算原理示意图；以隧道轴心线方向为Y轴，将隧道剖面j的左拱脚位置记为B点，将隧道剖面j的右拱脚位置记为C点，将隧道剖面j的拱顶位置记为A点；则：将B点和C点连线的中点记为坐标原点O，将原点O指向C点的方向作为X轴正方向，将原点O指向A点的方向作为Z轴正方向；

S3.2，将任意的两个点之间距离表示为L_点1点2；

通过测距仪，测量得到原点O到A点的距离L_OA＝a；原点O到B点的距离L_OB与原点O到C点的距离L_OC相等，即：L_OB＝L_OC＝b；

由于隧道剖面j所对应的Y轴坐标已知，记为LS；

因此，可计算得到A点坐标为(0,LS,a)；B点坐标为(-b,LS,0)；C点坐标为(b,LS,0)；

S3.3，对于第j探测点，将其位置记为E点，探测雷达在E点测量得到的扫描线记为扫描线j；

扫描线j从E点开始沿隧道法线方向展布，对于扫描线j上任意一个采样点，记为M点，则：

从E点向直线BC作垂线，与直线BC的交点记为F点，可测量得到E点与F点的距离L_EF＝d；

可测量得到F点与B点的距离L_FB＝c；

则：计算得到F点到O点的距离L_FO＝L_FB-L_OB＝c-b；

因此，计算得到E点坐标为：(c-b,LS,d)；

S3.4，读取到采样点M点的双程走时t以及电磁波速度v，根据下式计算得到E点到M点的距离L_EM，记为h；

h＝vt/2；

将B点、A点和C点所确定的圆的圆心记为O'，将O'为圆心的圆半径记为R；则：S3.3中，扫描线j从E点开始沿隧道法线方向展布中，隧道法线方向即为O'到E点的方向；

因此，L_O'B＝L_O'A＝R；

L_O'O＝L_OA-L_O'A＝a-R；

则对直角三角形BOO'，用勾股定理有：

(a-R)²+b²＝R²

解方程求得：

$R=\frac{a^2+b^2}{2a}$

因此，圆心O'点的z轴坐标为：

计算得到圆心O'点的坐标为:

O'(0,LS,)；

又由于L_EP＝L_EF-L_PF＝L_EF-L_O'O＝d-(a-R)；L_O'P＝L_FO＝c-b，L_EO'＝R；

则计算得到：$tan\mathrm{\θ}=\frac{EP}{O^{\′}P}=\frac{d-(a-R)}{c-b};$

因此，M点三维坐标(M_x,M_y,M_z)分别为：

M_x＝L_O'N＝L_O'Mcosθ＝(R+h)cosθ

M_y＝LS

M_z＝L_MN+L_OO'＝L_MN＝L_O'Msinθ+a-R＝(R+h)sinθ+a-R；

通过S3，计算得到每个采样点的三维空间坐标值；

S4，基于三维成像软件，以每个采样点的三维空间坐标值以及进行过数字信号处理后的参数λ值作为输入，得到反映桥墩浇注质量缺陷的雷达检测三维成像图。

由隧道地质雷达的三维检测成像图，可分析隧道的地质状况，以便更好地开发、检测、维护管理。对隧道三维图像进行切剖，切剖后的图像可实现在一定范围内地质情况的精细探查，以便可以更直观、更清楚精确地看到隧道全面的状况图，提高了地质异常体三维定位的精度的优点。

上述步骤可简单总结为：

(1)通过测距仪，例如，激光测距仪，测量得到四个值，分别为：a、b、c、d；通过分析地质雷达测线数据记录，得到地质雷达某测点时间t、电磁波在介质中的速度v；

(2)然后，基于上述已知值，最终计算得到每个采样点M的三维坐标M_x、M_y、M_z。

(3)最终，采用三维处理软件对以上采样点的三维坐标进行网格化后，即可三维成像、切片等。

将本发明提供的隧道三维成像方法应用于某个具体的隧道进行检测成像后，可得到图4所示的地质雷达隧道环向探测垂直切片图；得到图5所示的地质雷达隧道环向地质情况探测示意图；还可得到图6所示的隧道三维成像实际效果图。

由此可见，本发明提供的隧道三维成像方法具有以下优点：

(1)在不影响隧道性能的前提下，对隧道质量进行无损检测，并且，可采用简单的方法，快速重建隧道质量缺陷三维成像图，更为直观的反映出隧道内部缺陷的位置、形状及范围，并且具有更高的准确性和可靠性。

(2)具有检测成本低和三维成像速度快的优点，可大范围推广使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。