一种基于雷达波的树木内部结构层位识别的方法与流程

本发明属于树木躯干内部结构探测评价领域，具体涉及一种基于雷达波的树木内部结构层位识别的方法

背景技术：

自然环境下生长的树木易受环境恶化和外界侵害而影响树木健康、稳固，破坏生态环境，补救防范措施不及时易造成经济损失；林区、林场的林木内部缺陷、病虫害影响生长质量；城市绿化树木受侵害在恶劣天气下折断倾倒，危及人员财产和生命安全；古树名木受真菌、虫蛀侵害给国家文化遗产带来不可挽回的损失。树木受到的侵害主要表现为树木内部的开裂、结疤、腐朽和中空。受侵害早期的活立木大多无法采用非破坏性的检测方法从外部对内部物理结构进行准确观测，但树木内部物理组织结构的变化会影响到木质体的电学特性(介电常数、电导率和磁导率等)、物理特性(成分含量、密度和含水率等)以及机械力学性能的分布变化。利用这些性能的变化采用准确有效的无损检测技术，可以在木质体内部发生腐朽的早期对树木的受到的侵害和树木损伤部位进行鉴定识别，从而阻止树木腐朽的传播和提高林分质量，最大限度的保护树木结构的健康和稳固。

雷达波探测技术可以快速、高效地对树木表面进行整体扫描(横向、纵向以及螺旋移动)，大幅增加采集点数和采集效率，同时操作方便，不易受外界干扰，能够实现真正的非介入式、无损、在线连续探测树木内部结构。为了对受侵害早期树木采用非破坏性的检测方法从外部对内部物理结构进行准确观测，可以使用雷达波并采集树木内部不同结构的回波响应，从而实现对树木内部结构及异常的无损探测；通过探测到的截面图像来确定被测对象内部异常的位置和形状大小。

技术实现要素：

一种基于雷达波的树木内部结构层位识别的方法，根据雷达反射波幅值与相邻两界面间的介电常数差值成正比、雷达反射波的时延取决于介质的电性质以及位置的特点，通过分析回波信号的时延和幅度来确定内部异常的位置和形状。

一种基于雷达波的树木内部结构层位识别的方法包括：包括雷达波数据的预处理,层位分析方法,与不同树种数据库的对比。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

步骤1：对所述获取的雷达波回波数据进行初始化与预处理；

步骤2：经预处理过的雷达波信号，采用特征分层识别定位技术希尔伯特积算法获取木质体内部异常的时延信息，进而确定雷达波在介质层内传播的时间；

步骤3：采用逐层反演的方法估计各个层位的介电常数，进而获取当前介质中的雷达波传输波速，根据步骤2获得的回波时延和传播时间，确定层位的厚度；

步骤4将计算得到的木质体内异常层位厚度的信息与不同树木的数据库进行比对，提高 检测精度；

在步骤1中对收到的雷达波回波数据进行初始化与预处理，包括以下内容：在雷达波检测的过程中，收到的回波信号包括收发天线间直达波、目标反射波、外部干扰波等，雷达数据会出现低频漂移、水平道间干扰、杂波信号干扰，需要滤除或压制干扰信号以提取有用信号，对雷达扫描数据进行去除直达波、背景去除、滑动平均滤波等以去除杂波和噪声，提高信噪比，以提高后续的内部异常分析的精度。

进一步地，雷达波接收端采用线性增益处理数据，对回波信号的损耗和衰减的补偿。雷达波接收端数据处理时需要使用增益，用于回波信号的损耗和衰减的补偿，进行信号增益处理要求环境中噪声较少或者先进行滤波处理，否则进行信号增益处理时可能将这些噪声放大。

在步骤2中经预处理过的雷达波信号，采用特征分层识别定位技术希尔伯特积检测法获取木质体内部异常时延，包括以下步骤：

(1)对回波信号做EMD分解，得到相应的N个IMF分量c₁(t)～c_N(t)；

(2)计算所有IMF分量绝对值的点积，记为P(t)：

(3)由于回波信号包含正峰和负峰，使得接收信号由多峰脉冲组成，易造成虚假检测，因此需要对信号进行窗函数的平滑处理。用P(t)和窗函数W_t进行卷积来完成平滑处理：

T(t)＝W(t)*P(t) (2)

(4)判断T(t)与阈值V_t的大小：若T(t)信号中大于阈值的则判定为检测到反射层，并计算相对应的时间延迟；反之则没有检测到反射层。

一种基于雷达波的树木内部结构层位识别的方法，根据雷达波在树木不同介质以及异常分界面反射波的振幅和时延，可以实现树木内部结构及其异常的分层定位，进而展现树木内部缺陷的可视化图像。

附图说明

图1为本发明所述流程图。

图2为希尔伯特积检测法生成层位时延图。

图3为本发明具体的分层示意图1。

图4为本发明具体的分层示意图2。

附图标记说明：1.树木A剖开面树皮 2.树木A木剖开面边材 3.树木A剖开面心材 4.树木A树皮 5.树木A边材 6.树木A心材 7.树木B剖开面树皮 8.树木B剖开面边材 9.树木B剖开面心材 10.树木B剖开面内异常 11.树木B树皮 12.树木B边材 13.树木B心材 14.树木B内异常区域

具体实施方式

下面结合具体附图和实施方式例对本发明作进一步说明。

本发明是一种基于雷达波的树木内部结构层位识别的方法。根据流程图1，本发明步骤如下：

步骤1:用雷达波对木质体内部进行探测，并对所述获取的雷达波回波数据进行初始化与预处理；

步骤2：经预处理过的雷达波信号，采用特征分层识别定位技术希尔伯特积算法获取木质体内部异常的时延信息，进而确定雷达波在介质层内传播的时间；希尔伯特积法通过经验模态分解EMD将信号自适应分解成有限多个内在模分量IMF和一个表征信号趋势变化的残余信号，并且对得到的各个IMF运用希尔伯特变换进行时频分析。

希尔伯特积法是使用IMF分量构造的检测算法，对于非平稳、非线性信号的分析比较直观，且自适应强。图2为采用希尔波特检测方法分析出的每个层位的时间信息，进而计算出时延信息。

希尔伯特积法包括如下具体步骤：

(1)对回波信号做EMD分解，得到相应的N个IMF分量c₁(t)～c_N(t)；

(2)计算所有IMF分量绝对值的点积，记为P(t)：

(3)由于回波信号包含正峰和负峰，使得接收信号由多峰脉冲组成，易造成虚假检测，因此需要对信号进行窗函数的平滑处理。用P(t)和窗函数W_t进行卷积来完成平滑处理：

T(t)＝W(t)*P(t) (2)

(4)判断T(t)与阈值V_t的大小：若T(t)信号中大于阈值的则判定为检测到反射层，并计算相对应的时间延迟；反之则没有检测到反射层。

其中，δ为噪声偏差，P_f为虚警率。本发明所述方法使用的单道波为512个采样点.

(5)将包络峰值与阈值点相比较：若峰值大于阈值点则判定为检测到反射层，并计算相对应的时间延迟；反之则没有检测到反射层。

步骤3:采用逐层反演的方法估计各个层位的介电常数，进而获取当前介质中的雷达波传输波速.对于冲激电磁波，接收到的回波信号模型可以近似认为是各层界面反射波的叠加：

其中，x(t)是入射电磁波脉冲、N是层界面数、A_i是每层界面的反射波幅值、n(t)是所加的高斯白噪声、τ_i是第i层的双程回波时间。

反射波幅值A_i可以运用振幅比的方法求解介电常数；估计介质层间介电常数，第一层介质介电常数的估计公式为：

第二层的介电常数估计公式为：

其中，A₁为第一层与第二层界面间的反射波幅度，A₂为第二层与第三层界面间的反射波幅度，A_m为雷达波对金属板的全反射的回波幅值。

步骤4：回波时延可用于确定雷达波在介质层内传播的时间；进而可以根据这些参数，估计出每层的厚度。

电磁波在介质中的传播速度V_p：

所探测目标所处的深度Z：

其中，ε′是相对介电常数，t是电磁波双程的时间。

步骤5：经预处理过的雷达波信号，采用特征分层识别定位技术希尔伯特积算法获取木质体内部异常的时延信息，进而确定雷达波在介质层内传播的时间。根据雷达反射波幅值与相邻两界面间的介电常数差值成正比、雷达反射波的时延取决于介质的电性质以及位置的特点，通过分析回波信号的时延以及层介质的介电常数，计算得到层介质厚度。将计算得到的木质体内异常层位厚度的信息与不同树木的数据库进行比对，提高检测精度；

如图3(b)所示为树木的分层结构示意图，图3(a)所示为树木剖开面显示的层位图。

如图4(b)所示为内部含有异常的树木分层结构示意图，图4(a)所示为树木剖开面显示的层位图。

以上实施例仅仅是对本发明技术思想的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是在不脱离本发明的构思与原则的前提下，与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。