一种基于3D探地雷达的地下电缆管线成像检测方法与装置与流程

本发明属于电缆管线成像技术领域，特别涉及一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法与装置。

背景技术：

随着科学技术的发展，人们生活越发离不开电力系统，地下电缆是电力系统中重要组成部分，承担着电力传输和电能分配的功能。地下电缆广泛应用于各种情况下的供电系统，例如城市的地下供电网络，工矿企业的大功率输电线路，过江、过海、交通拥挤路段和公园等不易架空线输电场所。相对于使用架空线进行电力传输，敷设地下电缆可充分利用城市地下空间进行电力分配，从而解决了电力网络占地面积过大的问题，同时也保证了市容整洁。由于地下电缆铺设在一定深度的土壤或电缆沟中，其工作环境单一，受雷电、暴风等恶劣天气影响少，可更稳定的进行送电。目前电网大量采用电力电缆输配电线路，但随着社会发展、电网改造、电缆搬迁和故障电缆修复，原有的地貌和地下电缆都有了很大变化，原有的图纸已不能正确反映电缆的敷设路径和埋深，尤其是近几年城市基础建设的加快，使外力破坏电缆的问题日益突出，极大地威胁电网安全，同时给地下电缆的管理和维护带来了很大的麻烦。主要表现在以下几点：一方面由于电缆网络大多直接与人们的生活相关，施工中经常遇到由于不清楚地下电缆走向和深度的具体信息，而出现将电缆挖断的情况，这样就给生产和生活造成了巨大损失和不便；另一方面，当前许多城市都在进行新城市规划、旧城市的改建，迫切需要了解地下电缆网络的分布。如何快速、准确、经济的找到地下电缆埋藏的位置，成为施工和维修的关键一步。若能够使用恰当的仪器对电缆路径进行检测，既可以省去大量的人力、物力，又可以减少因施工不当而造成的损失。因此，有必要发展一种新型的明确电缆位置和深度信息的探测技术，来解决上述问题，为此，本发明提出一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法与装置。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法与装置，该基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法与装置设计合理，采用无载波脉冲探地雷达系统，其无载波冲激体制可以比较容易地除去直达波和地面环境的干扰，并且发射功率低，所需电源功耗低。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置，包括外壳、u型架和无载波脉冲探地雷达系统，所述无载波脉冲探地雷达系统包括上位机、信息采集板、接收电路和发射电路，所述信息采集板上集成安装有网口、fpga核心控制、时基电路和adc采样电路，所述上位机通过网口与信息采集板电性连接，所述接收电路包括时基、取样脉冲发生器、取样门和接收天线，所述发射电路包括前置触发、发射脉冲源和发射天线，所述信息采集板、接收电路和发射电路均集成安装在外壳内，所述u型架的数量为2个，两个所述u型架的两端之间固定安装有横杆，所述横杆两端的顶部均固定安装有安装杆，所述安装杆的一端固定安装有距离传感器，底框架的一侧固定安装有固定杆，所述固定杆与其中一个横杆固定连接，所述底框架的另一侧的边角处开设有伸缩槽，另一个所述横杆的一侧与伸缩槽对应的位置固定安装有伸缩杆，所述伸缩杆的一端处于伸缩槽内，两个所述u型架的顶部之间固定安装有手扶架，所述上位机固定安装在手扶架的顶部，所述u型架包括左弯杆和右弯杆，所述左弯杆的一端开设有安装槽，所述安装槽远离开口端的内侧壁上固定安装有电动推杆，所述右弯杆的一端开设有套槽，所述右弯杆通过套槽套设在左弯杆开设有安装槽的一端，所述电动推杆的输出轴与安装槽远离开口端的内侧壁固定连接，所述外壳的前侧固定安装有语音播放器，所述外壳内安装有位移传感器。

作为本发明的一种优选实施方式，所述上位机分别与距离传感器、位移传感器、语音播放器和电动推杆电性连接。

作为本发明的一种优选实施方式，所述横杆的两端均安装有滚轮。

作为本发明的一种优选实施方式，所述手扶架上安装有把手。

一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法，包括以下步骤：

步骤一：信号获取；推动基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置到需要的地方，启动上位机，根据管道走向推动装置移动，通过上位机输入检测指令，fpga核心控制接收到指令后，通过时基电路传递信号到时基，前置触发接收到信号后触发发射脉冲源并通过发射天线发出探测电磁波，接收电路的接收天线接收反馈电磁波，并通过取样门传递到adc采样电路，最终传递回上位机；

步骤二：图像特征提取；上位机对接收到的信号以图像形式展示，系统采用canny(坎尼)算子提取边缘，其加入了高斯滤波器，减少了对求导非常敏感的噪声的干扰，具体算法步骤如下：

(1)用高斯滤波器平滑处理与图像：

s[i，j]＝g[i，j，σ]*i[i，j]

其中*是卷积运算，g[i，j，σ]是一个二维高斯模板，用像素的加权平均灰度值去替换模板中心像素点的灰度值；

(2)用一阶偏导的有限差分计算梯度的幅值和方向：

p[i，j]≈(s[i，j+1]-s[i，j]+s[i+1，j+1]-s[i+1，j])/2

q[i，j]≈(s[i，j]-s[i+1，j]+s[i，j+1]-s[i+1，j+1])/2

θ[i，j]＝arctan(q[i，j]/p[i，j])

(3)对梯度幅值进行非极大值抑制

将待判断像素与具有相同梯度方向的两个领域像素进行比较，由于梯度方向与边缘方向是垂直的，所以如果这个待判断像素没有沿梯度方向的两个领域像素大，则这个像素点不是边缘点，令m(i，j)＝0，为了找到梯度值相似的两个领域点，采用扇形分区的方法将梯度方向进行离散化，以待判断像素点为中心分成四个扇区，代表梯度方向近似的四个可能角度(0°，45°，90°，135°)，将梯度角离散为这四个角度值，这个角度值相等就认为其梯度方向相等；

(4)用双阈值算法检测和连接边缘；对非极大值抑制后的图像进行双阈值判断：若梯度幅值超过高阈值，则保留该像素点，若低于低阈值，则将该像素点置0，若处于两个阈值之间，则判断领域空间是否存在梯度幅值高于高阈值的点，存在则保留；

步骤三：地下电缆深度确定；探地雷达回波数据按照维数的不同可以分为a扫描、b扫描和c扫描，a扫描是指接收天线和发射天线的位置都是固定的，一次a扫描记录的是一个单一波形，其变量是回波时间，从天线发射到接收回波的时间与探测深度的关系是：

其中，c是光速(约为3×10³m/s)，εc为相对节点常数；

在探地雷达中将一个a扫描的数据记为“一道”，雷达沿着一个方向(设为x方向)水平移动进行多次采集，就得到多个a扫描数据，这些a扫描就能形成一个b扫描，b扫描描述了地下的一个垂直切面，它有三种表现形式：将这些a扫描波形按照测量时的位置紧密排列，就得到一个波形堆积图；将a扫描波形的幅度转换成灰度信息再排列，就得到一个灰度图像，如果将不同的幅度值以不同的亮度来代替，就得到一个堆积图，在灰度图中，信号越强，图像越亮，改变起点位置，重复b扫描的操作就可以得到一系列b扫描图像，这一系列b扫描图像构成了一个三维图像，进行地下管线检测时，只要确定管道走向，然后以垂直与管道的方向作为x方向，进行多点测量得到一个三维图像，根据三维图像就能够检测出该管道的深度。

本发明的有益效果：本发明的一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置，包括外壳、上位机、u型架、横杆、安装杆、距离传感器、底框架、固定杆、伸缩槽、伸缩杆、手扶架、左弯杆、右弯杆、安装槽、电动推杆、套槽、语音播放器、位移传感器、滚轮、信息采集板、接收电路、发射电路、网口、fpga核心控制、时基电路、adc采样电路、时基、取样脉冲发生器、取样门、接收天线、前置触发、发射脉冲源和发射天线。

1、此基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置能够对地下目标的信息进行直观显示，便于人们对地下目标的解译，能够更加快速、方便、准确的检测出地下电缆埋藏的位置、深度等重要信息，从而节约施工成本，加快施工进度，保证施工安全，为城市规划部门提供清晰的地下电缆的分布情况。

2、此基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置能够对地面环境进行自适应，当地面不平整并且外壳底部的部件有可能触碰到地面时，电动推杆能够将u型架向前伸展一部分或者发出警报，从而避免外壳的部件触碰到地面导致损坏，安全性高。

3、此基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置采用无载波脉冲探地雷达系统，其无载波冲激体制可以比较容易地除去直达波和地面环境的干扰，并且发射功率低，所需电源功耗低。

附图说明

图1为一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置的无载波脉冲探地雷达系统示意图；

图2为一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置的结构示意图；

图3为一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置的u型架剖面示意图；

图4为一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置的伸缩杆安装示意图；

图5为一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法的步骤流程图；

图6为一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法的梯度方向离散化示意图；

图7为一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法的b扫描灰度图；

图8为一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法的b扫描波形堆积图；

图9为一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法的b扫描堆积图；

图10为一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法的a扫描波形图；

图中：1、外壳；2、上位机；3、u型架；4、横杆；5、安装杆；6、距离传感器；7、底框架；8、固定杆；9、伸缩槽；10、伸缩杆；11、手扶架；12、左弯杆；13、右弯杆；14、安装槽；15、电动推杆；16、套槽；17、语音播放器；18、位移传感器；19、滚轮；20、信息采集板；21、接收电路；22、发射电路；23、网口；24、fpga核心控制；25、时基电路；26、adc采样电路；27、时基；28、取样脉冲发生器；29、取样门；30、接收天线；31、前置触发；32、发射脉冲源；33、发射天线。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1至图10，本发明提供一种技术方案：一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置，包括外壳1、u型架3和无载波脉冲探地雷达系统，所述无载波脉冲探地雷达系统包括上位机2、信息采集板20、接收电路21和发射电路22，所述信息采集板20上集成安装有网口23、fpga核心控制24、时基电路25和adc采样电路26，所述上位机2通过网口23与信息采集板20电性连接，所述接收电路21包括时基27、取样脉冲发生器28、取样门29和接收天线30，所述发射电路22包括前置触发31、发射脉冲源32和发射天线33，所述信息采集板20、接收电路21和发射电路22均集成安装在外壳1内，所述u型架3的数量为2个，两个所述u型架3的两端之间固定安装有横杆4，所述横杆4两端的顶部均固定安装有安装杆5，所述安装杆5的一端固定安装有距离传感器6，底框架7的一侧固定安装有固定杆8，所述固定杆8与其中一个横杆4固定连接，所述底框架7的另一侧的边角处开设有伸缩槽9，另一个所述横杆4的一侧与伸缩槽9对应的位置固定安装有伸缩杆10，所述伸缩杆10的一端处于伸缩槽9内，两个所述u型架3的顶部之间固定安装有手扶架11，所述上位机2固定安装在手扶架11的顶部，所述u型架3包括左弯杆12和右弯杆13，所述左弯杆12的一端开设有安装槽14，所述安装槽14远离开口端的内侧壁上固定安装有电动推杆15，所述右弯杆13的一端开设有套槽16，所述右弯杆13通过套槽16套设在左弯杆12开设有安装槽14的一端，所述电动推杆15的输出轴与安装槽14远离开口端的内侧壁固定连接，所述外壳1的前侧固定安装有语音播放器17，所述外壳1内安装有位移传感器18。

作为本发明的一种优选实施方式，所述上位机2分别与距离传感器6、位移传感器18、语音播放器17和电动推杆15电性连接。

作为本发明的一种优选实施方式，所述横杆4的两端均安装有滚轮19。

作为本发明的一种优选实施方式，所述手扶架11上安装有把手。

一种基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测方法，包括以下步骤：

步骤一：信号获取；推动基于3d探地雷达的地下电缆管线成像检测装置到需要的地方，启动上位机2，根据管道走向推动装置移动，通过上位机2输入检测指令，fpga核心控制24接收到指令后，通过时基电路25传递信号到时基27，前置触发31接收到信号后触发发射脉冲源32并通过发射天线33发出探测电磁波，接收电路21的接收天线30接收反馈电磁波，并通过取样门29传递到adc采样电路26，最终传递回上位机2，在装置移动的过程中，安装杆5上的距离传感器6时刻监测到地面的距离，位移传感器18监测位移，上位机2根据监测到的数据生成地面波形图，当地面不平时，上位机2根据装置前后滚轮19之间的距离和地面波形图，计算外壳1是否有可能触地，如果前后的滚轮19均处于低洼处，则有可能使外壳1触地，上位机2控制电动推杆15伸缩，将改变前后两个滚轮19之间的距离，使前后的滚轮19不会同时处于低洼处，当前方低洼处较深并有可能使外壳1底部触碰到地面时，上位机2控制语音播放器17发出警报，能够对地面环境进行自适应，从而避免外壳1的部件触碰到地面导致损坏，安全性高；

步骤二：图像特征提取；上位机2对接收到的信号以图像形式展示，系统采用canny(坎尼)算子提取边缘，其加入了高斯滤波器，减少了对求导非常敏感的噪声的干扰，具体算法步骤如下：

(1)用高斯滤波器平滑处理与图像：

s[i，j]＝g[i，j，σ]*i[i，j]

其中*是卷积运算，g[i，j，σ]是一个二维高斯模板，用像素的加权平均灰度值去替换模板中心像素点的灰度值；

(2)用一阶偏导的有限差分计算梯度的幅值和方向：

p[i，j]≈(s[i，j+1]-s[i，j]+s[i+1，j+1]-s[i+1，j])/2

q[i，j]≈(s[i，j]-s[i+1，j]+s[i，j+1]-s[i+1，j+1])/2

θ[i，j]＝arctan(q[i，j]/p[i，j])

(3)对梯度幅值进行非极大值抑制

将待判断像素与具有相同梯度方向的两个领域像素进行比较，由于梯度方向与边缘方向是垂直的，所以如果这个待判断像素没有沿梯度方向的两个领域像素大，则这个像素点不是边缘点，令m(i，j)＝0，为了找到梯度值相似的两个领域点，采用扇形分区的方法将梯度方向进行离散化，以待判断像素点为中心分成四个扇区，代表梯度方向近似的四个可能角度(0°，45°，90°，135°)，将梯度角离散为这四个角度值，这个角度值相等就认为其梯度方向相等；

(4)用双阈值算法检测和连接边缘；对非极大值抑制后的图像进行双阈值判断：若梯度幅值超过高阈值，则保留该像素点，若低于低阈值，则将该像素点置0，若处于两个阈值之间，则判断领域空间是否存在梯度幅值高于高阈值的点，存在则保留；

步骤三：地下电缆深度确定；探地雷达回波数据按照维数的不同可以分为a扫描、b扫描和c扫描，a扫描是指接收天线30和发射天线33的位置都是固定的，一次a扫描记录的是一个单一波形，其变量是回波时间，从天线发射到接收回波的时间与探测深度的关系是：

其中，c是光速(约为3×10³m/s)，εc为相对节点常数；

在探地雷达中将一个a扫描的数据记为“一道”，雷达沿着一个方向(设为x方向)水平移动进行多次采集，就得到多个a扫描数据，这些a扫描就能形成一个b扫描，b扫描描述了地下的一个垂直切面，它有三种表现形式：将这些a扫描波形按照测量时的位置紧密排列，就得到一个波形堆积图；将a扫描波形的幅度转换成灰度信息再排列，就得到一个灰度图像，如果将不同的幅度值以不同的亮度来代替，就得到一个堆积图，在灰度图中，信号越强，图像越亮，改变起点位置，重复b扫描的操作就可以得到一系列b扫描图像，这一系列b扫描图像构成了一个三维图像，进行地下管线检测时，只要确定管道走向，然后以垂直与管道的方向作为x方向，进行多点测量得到一个三维图像，根据三维图像就能够检测出该管道的深度。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。