地下水库坝体损伤探测方法及电子设备与流程

本发明涉及地下水库相关技术领域，特别是一种地下水库坝体损伤探测方法及电子设备。

背景技术：

探地雷达是近几十年发展起来的用于对地下目标进行勘探的一种有效装置，在公路、机场、水利、矿山和隧道等许多领域有着广阔的应用前景。在人工坝体病害探测方面，探地雷达技术也进行了大量的研究。何开胜等(2005)研究了探地雷达水库堤坝渗漏检测；田锋等(2006)年通过探地雷波形特征变化、波形同相轴连续性变化，分析了西北地区水库土石坝渗流隐患；贾永梅等(2012)采用探地雷达法对水库塑性混凝土防渗墙质量检测进行了研究；史新伟等(2015)探讨了探地雷达技术在堤坝空洞探测方法的研究。综上可知，探地雷达技术是一种空洞裂缝等灾害体探测的有效方法，相关技术的研究涉及病害体探测的机理、数值模拟、数据处理算法、信号分析技术和人工智能识别等，但是只解决了空洞裂缝等病害探测的初步问题(王成明，等，2007；张海燕，2000；李萍，等，2003；任月清，2005；张学工，2000；张小蓟，等，2008)。

目前对地下空间病害探测多是依据电磁波信号的绕射波为解释依据，该技术只能给出雷达剖面上信号发生突变的位置和突变能量变换。采用小波分析和模糊神经网络的方法又因其固有缺陷(如结构不易确定，陷入局部极小点等)而无法得到精确的识别结果。因此，传统的地雷达技术在数据处理方面存在着探索性和不足，难以有效解决地下水库坝体的空洞和裂缝探测，对此问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有技术存在难以有效解决地下水库坝体的空洞和裂缝探测的技术问题，提供一种地下水库坝体损伤探测方法及电子设备。

本发明提供一种地下水库坝体损伤探测方法，包括：

获取地下水库坝体的探地雷达信号，所述探地雷达信号携带坝体内部的连续分层界面、以及不连续体的电参数信息；

对获取的探地雷达信号预处理，得到包括反射波与绕射波的探地雷达预处理数据；

分离出所述探地雷达预处理数据中的绕射波；

对分离出的绕射波进行角度域补偿，得到初次探地雷达绕射波成像道集；

拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型；

对分离出的绕射波信号使用所述偏移速度模型再次进行角度域补偿，得到最终的探地雷达的最终绕射波成像道集，并沿着所述最终绕射波成像道集中的角度维度叠加，得到绕射波聚焦成像结果。

进一步的，所述进行角度域补偿，具体包括:

采用如下角度域补偿公式进行补偿：

其中，m为绕射波多路径聚焦结果，x为地下水库坝体内部的任意成像点位置，s为探地雷达激发源数目，α为倾角，td为补偿系数，形式如下:

其中，λ表示探地雷达信号波长；

r(x,α)为角道集成像公式，形式如下：

r(x,α)＝∫∫δ(θ-α)δ(t-t0)u(r,t)drdtdθ，

其中，δ为狄拉克函数，α为角道集设置的角度参数，θ，t0分别为根据速度模型进行射线追踪计算出的角度参数和走时参数，u(r,t)为所述探地雷达预处理数据中的绕射波数据，r,t分别对应于探地雷达接收道的横坐标和采集时间。

更进一步的，所述拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型，具体包括：

扫描多个不同的偏移速度，并对不同的偏移速度所对应的曲线的绕射波信号进行求和，获得最大绕射波求和值；

使用所述最大绕射波求和值对应的偏移速度，代入所述角度域补偿公式的角道集成像公式r(x,α)，拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型。

再进一步的，所述曲线采用如下方式计算：

将所获取的当前偏移位置的横坐标、绕射点真实位置的横坐标、初始绕射点深度、倾角以及预设的初始偏移速度代入角度域绕射波速度分析公式，得到关于绕射波偏移速度与倾角为α时的绕射点深度的关系曲线。

再进一步的，所述角度域绕射波速度分析公式为：

其中，z0为初始绕射点深度，z(α)为倾角为α时的绕射点深度，ρ＝xm-xd，xm为当前偏移位置的横坐标，xd为绕射点真实位置的横坐标，γ＝vm/v0为绕射波偏移速度νm与初始偏移速度ν0的比值。

本发明提供一种用于地下水库坝体损伤探测的电子设备，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够：

获取地下水库坝体的探地雷达信号，所述探地雷达信号携带坝体内部的连续分层界面、以及不连续体的电参数信息；

对获取的探地雷达信号预处理，得到包括反射波与绕射波的探地雷达预处理数据；

分离出所述探地雷达预处理数据中的绕射波；

对分离出的绕射波进行角度域补偿，得到初次探地雷达绕射波成像道集；

拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型；

对分离出的绕射波信号使用所述偏移速度模型再次进行角度域补偿，得到最终的探地雷达的最终绕射波成像道集，并沿着所述最终绕射波成像道集中的角度维度叠加，得到绕射波聚焦成像结果。

进一步的，所述进行角度域补偿，具体包括:

采用如下角度域补偿公式进行补偿：

其中，m为绕射波多路径聚焦结果，x为地下水库坝体内部的任意成像点位置，s为探地雷达激发源数目，α为倾角，r(x,α)为角道集成像公式，td为补偿系数，形式如下:

其中，λ表示探地雷达信号波长；

r(x,α)为角道集成像公式，形式如下：

r(x,α)＝∫∫δ(θ-α)δ(t-t0)u(r,t)drdtdθ，

其中，δ为狄拉克函数，α为角道集设置的角度参数，θ，t0分别为根据速度模型进行射线追踪计算出的角度参数和走时参数，u(r,t)为所述探地雷达预处理数据中的绕射波数据，r,t分别对应于探地雷达接收道的横坐标和采集时间。

更进一步的，所述拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型，具体包括：

扫描多个不同的偏移速度，并对不同的偏移速度所对应的曲线的绕射波信号进行求和，获得最大绕射波求和值；

使用所述最大绕射波求和值对应的偏移速度，代入所述角度域补偿公式的角道集成像公式r(x,α)，拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型。

再进一步的，所述曲线采用如下方式计算：

将所获取的当前偏移位置的横坐标、绕射点真实位置的横坐标、初始绕射点深度、倾角以及预设的初始偏移速度代入角度域绕射波速度分析公式，得到关于绕射波偏移速度与倾角为α时的绕射点深度的关系曲线。

再进一步的，所述角度域绕射波速度分析公式为：

其中，z0为初始绕射点深度，z(α)为倾角为α时的绕射点深度，ρ＝xm-xd，xm为当前偏移位置的横坐标，xd为绕射点真实位置的横坐标，γ＝vm/v0为绕射波偏移速度νm与初始偏移速度ν0的比值。

本发明考虑了绕射波多路径归位和能量衰减规律，同时通过获取准确的偏移速度模型，使得绕射波聚焦性大大增强，从而提高地下水库坝体的病害绕射波信号的识别能力和效率，对地下水库安全隐患的病害及时预警。

附图说明

图1为本发明一种地下水库坝体损伤探测方法的工作流程图；

图2为本发明最佳实施例一种地下水库坝体损伤探测方法的工作流程图；

图3为本发明一种用于地下水库坝体损伤探测的电子设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示为本发明一种地下水库坝体损伤探测方法的工作流程图，包括：

步骤s101，获取地下水库坝体的探地雷达信号，所述探地雷达信号携带坝体内部的连续分层界面、以及不连续体的电参数信息；

步骤s102，对获取的探地雷达信号预处理，得到包括反射波与绕射波的探地雷达预处理数据；

步骤s103，分离出所述探地雷达预处理数据中的绕射波；

步骤s104，对分离出的绕射波进行角度域补偿，得到初次探地雷达绕射波成像道集；

步骤s105，拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型；

步骤s106，对分离出的绕射波信号使用所述偏移速度模型再次进行角度域补偿，得到最终的探地雷达的最终绕射波成像道集，并沿着所述最终绕射波成像道集中的角度维度叠加，得到绕射波聚焦成像结果。

具体来说，本发明的地下水库坝体损伤探测方法，包括：获取地下水库坝体的探地雷达信号，其中，探地雷达信号携带坝体内部的连续分层界面和空洞、裂缝等不连续体的电参数信息；对获取的探地雷达信号预处理，包括去除脉冲干扰和时间增益等，使得预处理后的探地雷达信号中主要包括反射波与绕射波；利用平面波破坏滤波方法，分离出探地雷达预处理数据中的绕射波，绕射波对应于地下水库坝体内部的空洞、裂缝等不连续体；针对分离出的绕射波，由角度域补偿式成像方法，得到探地雷达绕射波成像道集；利用角度域绕射波速度分析公式，通过拉平探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得准确的探地雷达信号偏移速度模型；利用分离出的绕射波和获取的偏移速度模型，再次根据角度域补偿式成像方法，得到最终的探地雷达绕射波成像道集，并沿着绕射波成像道集中的角度维度叠加，得到绕射波聚焦成像结果。

相对于现有技术在检测病害目标体时，没有考虑绕射波多路径传播和偏移速度建模，存在检测精度较差技术问题，本发明实施例通过绕射波分离、角道集速度分析和多路径偏移成像，能够更加准确地对地下水库坝体内部进行检测，缓解了现有技术中在对小尺度空洞和裂缝进行检测时，由于数据处理方式单一导致的检测分辨率有限的技术问题，从而实现了高分辨率探测潜在小尺度病害体的技术效果。

本发明考虑了绕射波多路径归位和能量衰减规律，同时通过获取准确的偏移速度模型，使得绕射波聚焦性大大增强，从而提高地下水库坝体的病害绕射波信号的识别能力和效率，对地下水库安全隐患的病害及时预警。

在其中一个实施例中，所述进行角度域补偿，具体包括:

采用如下角度域补偿公式进行补偿：

其中，m为绕射波多路径聚焦结果，x为地下水库坝体内部的任意成像点位置，s为探地雷达激发源数目，α为倾角，r(x,α)为角道集成像公式，td为补偿系数，形式如下:

其中，λ表示探地雷达信号波长；

r(x,α)为角道集成像公式，形式如下：

r(x,α)＝∫∫δ(θ-α)δ(t-t0)u(r,t)drdtdθ，

其中，δ为狄拉克函数，α为角道集设置的角度参数，θ，t0分别为根据速度模型进行射线追踪计算出的角度参数和走时参数，u(r,t)为所述探地雷达预处理数据中的绕射波数据，r,t分别对应于探地雷达接收道的横坐标和采集时间。

本实施例的角度域补偿公式用于步骤s104和步骤s106中，r(x,α)为现有的角道集成像公式。本实施例通过计算传统角道集成像公式并补偿绕射波能量衰减损失，得到绕射波成像角道集。

在其中一个实施例中，所述拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型，具体包括：

扫描多个不同的偏移速度，并对不同的偏移速度所对应的曲线的绕射波信号进行求和，获得最大绕射波求和值；

使用所述最大绕射波求和值对应的偏移速度，代入所述角度域补偿公式的角道集成像公式r(x,α)，拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型。

在其中一个实施例中，所述曲线采用如下方式计算：

将所获取的当前偏移位置的横坐标、绕射点真实位置的横坐标、初始绕射点深度、倾角以及预设的初始偏移速度代入角度域绕射波速度分析公式，得到关于绕射波偏移速度与倾角为α时的绕射点深度的关系曲线。

在其中一个实施例中，所述角度域绕射波速度分析公式为：

其中，z0为初始绕射点深度，z(α)为倾角为α时的绕射点深度，ρ＝xm-xd，xm为当前偏移位置的横坐标，xd为绕射点真实位置的横坐标，γ＝vm/v0为绕射波偏移速度νm与初始偏移速度ν0的比值。

本实施例根据角度域绕射波速度分析公式，通过拉平探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得准确的探地雷达信号速度模型。

如图2所示为本发明最佳实施例一种地下水库坝体损伤探测方法的工作流程图，包括：

步骤s201，获取地下水库坝体的探地雷达信号；

其中，探地雷达信号携带坝体内部的连续分层界面和空洞、裂缝等不连续体的电参数信息；

步骤s202，对获取的探地雷达信号预处理，得到预处理后的探地雷达信号中主要包括反射波与绕射波；

步骤s203，利用平面波破坏滤波方法，分离出探地雷达预处理数据中的绕射波；

步骤s204，针对分离出的绕射波，由角度域补偿式成像方法，得到探地雷达绕射波成像道集；

具体采用如下角度域补偿公式进行补偿：

其中，m为绕射波多路径聚焦结果，x为地下水库坝体内部的任意成像点位置，s为探地雷达激发源数目，α为倾角，r(x,α)为角道集成像公式，td为补偿系数，形式如下:

其中，λ表示探地雷达信号波长；

步骤s205，利用角度域绕射波速度分析公式，通过拉平探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得准确的探地雷达信号偏移速度模型；

具体来说，扫描多个不同的偏移速度，并对不同的偏移速度所对应的曲线的绕射波信号进行求和，获得最大绕射波求和值；

使用所述最大绕射波求和值对应的偏移速度，代入所述角度域补偿公式的角道集成像公式r(x,α)，拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型，所述曲线采用如下方式计算：

将所获取的当前偏移位置的横坐标、绕射点真实位置的横坐标、初始绕射点深度、倾角以及预设的初始偏移速度代入角度域绕射波速度分析公式，得到关于绕射波偏移速度与倾角为α时的绕射点深度的关系曲线，所述角度域绕射波速度分析公式为：

其中，z0为初始绕射点深度，z(α)为倾角为α时的绕射点深度，ρ＝xm-xd，xm为当前偏移位置的横坐标，xd为绕射点真实位置的横坐标，γ＝vm/v0为绕射波偏移速度νm与初始偏移速度ν0的比值。

步骤s206，利用分离出的绕射波和获取的偏移速度模型，再次根据角度域补偿式成像方法，得到最终的探地雷达绕射波成像道集，即使用已经使用所述最大绕射波求和值对应的偏移速度代入角道集成像公式r(x,α)的角度域补偿公式，通过分离出的绕射波，得到最终的探地雷达绕射波成像道集；

步骤s207，沿着绕射波成像道集中的角度维度叠加，得到绕射波聚焦成像结果。

如图3所示为本发明一种用于地下水库坝体损伤探测的电子设备的硬件结构示意图，包括：

至少一个处理器301；以及，

与所述至少一个处理器301通信连接的存储器302；其中，

所述存储器302存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够：

获取地下水库坝体的探地雷达信号，所述探地雷达信号携带坝体内部的连续分层界面、以及不连续体的电参数信息；

对获取的探地雷达信号预处理，得到包括反射波与绕射波的探地雷达预处理数据；

分离出所述探地雷达预处理数据中的绕射波；

对分离出的绕射波进行角度域补偿，得到初次探地雷达绕射波成像道集；

拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型；

对分离出的绕射波信号使用所述偏移速度模型再次进行角度域补偿，得到最终的探地雷达的最终绕射波成像道集，并沿着所述最终绕射波成像道集中的角度维度叠加，得到绕射波聚焦成像结果。

图3中以一个处理器302为例。

电子设备还可以包括：输入装置303和输出装置304。

处理器301、存储器302、输入装置303及显示装置304可以通过总线或者其他方式连接，图中以通过总线连接为例。

存储器302作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的地下水库坝体损伤探测方法对应的程序指令/模块，例如，图1、图2所示的方法流程。处理器301通过运行存储在存储器302中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的地下水库坝体损伤探测方法。

存储器302可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据地下水库坝体损伤探测方法的使用所创建的数据等。此外，存储器302可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器302可选包括相对于处理器301远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至执行地下水库坝体损伤探测方法的装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置303可接收输入的用户点击，以及产生与地下水库坝体损伤探测方法的用户设置以及功能控制有关的信号输入。显示装置304可包括显示屏等显示设备。

在所述一个或者多个模块存储在所述存储器302中，当被所述一个或者多个处理器301运行时，执行上述任意方法实施例中的地下水库坝体损伤探测方法。

在其中一个实施例中，所述进行角度域补偿，具体包括:

采用如下角度域补偿公式进行补偿：

其中，m为绕射波多路径聚焦结果，x为地下水库坝体内部的任意成像点位置，s为探地雷达激发源数目，α为倾角，r(x,α)为角道集成像公式，td为补偿系数，形式如下:

其中，λ表示探地雷达信号波长；

r(x,α)为角道集成像公式，形式如下：

r(x,α)＝∫∫δ(θ-α)δ(t-t0)u(r,t)drdtdθ，

其中，δ为狄拉克函数，α为角道集设置的角度参数，θ，t0分别为根据速度模型进行射线追踪计算出的角度参数和走时参数，u(r,t)为所述探地雷达预处理数据中的绕射波数据，r,t分别对应于探地雷达接收道的横坐标和采集时间。

在其中一个实施例中，所述拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型，具体包括：

扫描多个不同的偏移速度，并对不同的偏移速度所对应的曲线的绕射波信号进行求和，获得最大绕射波求和值；

使用所述最大绕射波求和值对应的偏移速度，代入所述角度域补偿公式的角道集成像公式r(x,α)，拉平所述初次探地雷达绕射波成像道集中的绕射波信号，获得探地雷达信号的偏移速度模型。

在其中一个实施例中，所述曲线采用如下方式计算：

将所获取的当前偏移位置的横坐标、绕射点真实位置的横坐标、初始绕射点深度、倾角以及预设的初始偏移速度代入角度域绕射波速度分析公式，得到关于绕射波偏移速度与倾角为α时的绕射点深度的关系曲线。

在其中一个实施例中，所述角度域绕射波速度分析公式为：

其中，z0为初始绕射点深度，z(α)为倾角为α时的绕射点深度，ρ＝xm-xd，xm为当前偏移位置的横坐标，xd为绕射点真实位置的横坐标，γ＝vm/v0为绕射波偏移速度νm与初始偏移速度ν0的比值。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。