一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法、系统、终端及介质

1.本发明属于隧道衬砌结构隐伏裂缝检测技术领域，具体公开了一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法、系统、终端及介质。


背景技术：

2.隧道作为具有跨越地形限制、连接不同空间以及快速通过等特点的交通设施，已在交通工程建设中发挥不可替代的作用。然而，受设计方案、施工环境以及循环荷载等因素的影响，隧道衬砌结构在施工期或服役期存在不同程度的开裂与渗漏水等病害，由于裂缝具有尺寸微小且不易识别的特点，若不提前识别定位并采取处治措施将会持续威胁着隧道运营安全。
3.裂缝按位置分类可分为表面裂缝与隐伏裂缝。表面裂缝主要依靠传统的人工巡视肉眼识别，经技术发展后出现了以视觉智能图像识别为核心的识别方法，此类方法可大幅度提升识别表面裂缝的效率，但无法对衬砌结构隐伏裂缝进一步识别。现今，隐伏裂缝识别主要依靠无损检测技术，而探地雷达法因其操作简便、图像直观等优点被广泛应用于隧道衬砌结构质量检测。然而，关于探地雷达检测隐伏裂缝的正演模拟与物理模型实验研究尚少，主要原因是隐伏裂缝具有尺寸小、走向不明确、形状不规则等特点，正演模拟的最小单元格以及模型指令无法满足裂缝尺寸小、不规则特征的设定。此外，探地雷达天线有一定的波瓣宽度，使得探地雷达图谱上的绕射波发散、能量不集中，导致提取裂缝特性信号非常困难。因此，如何利用正演模拟与模型实验相结合的方式准确识别与提取裂缝特征信号，最大程度还原裂缝的真实形态是当前面临的一大技术挑战。
4.当前，有多种偏移方法可实现探地雷达图像偏移归位的效果，如：偏移叠加法、绕射曲线叠加法、逆时偏移法、频率波数偏移法与kirchhoff积分偏移法等。无论采取何种偏移方法，偏移后的图像总会与目标物的真实形态存在一定差异，主要归因于被探测的各项异性介质的介电特性不同，导致电磁波的传播速度是随不同介质介电特性动态变化的，而各种偏移算法是以建立不同速度模型来调整偏移成像的效果。因此，如何在各项异性、非均匀介质中准确获取电磁波传播速度是偏移成像能否成功的关键。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法、系统、终端及介质，以解决探地雷达检测混凝土结构中隐伏裂缝偏移成像不准确的问题。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法，包括如下步骤：
7.s1.隐伏裂缝混凝土模型的浇筑；
8.s2.获取探地雷达时距剖面图：
9.s3.图像信号预处理；
10.s4.推算系列电磁波波速；
11.s5.探地雷达图像熵值分析；
12.s6.求取最优电磁波波速；
13.s7.探地雷达图像偏移成像。
14.进一步，所述步骤s1中，隐伏裂缝混凝土模型的浇筑：运用时域有限差分法(fdtd)，编写制作含有隐伏裂缝的混凝土模型；
15.所述步骤s2中，获取探地雷达时距剖面图：采用探地雷达，获取原始探地雷达时
‑
距剖面图；
16.所述步骤s3中，图像信号预处理包括去直流漂移、静校正、直达波切除、增益以及带通滤波去噪；
17.所述步骤s4中，推算系列电磁波波速：依据常用介质介电常数大致推算出电磁波波速的取值范围，以此设置一系列的电磁波波速作为偏移算法的偏移参数；
18.所述步骤s5中，探地雷达图像熵值分析：根据小波变换分解系数提取不同子图像的频带能量特征向量，并计算各子图像的小波熵；
19.所述步骤s6中，求取最优电磁波波速：选取偏移图像上小波熵的最小值对应的波速作为最优电磁波波速；
20.所述步骤s7中，探地雷达图像偏移成像：将最优电磁波波速作为频率波数域偏移与kirchhoff积分偏移的偏移参数对探地雷达图像进行偏移成像处理。
21.进一步，一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像系统，包括：
22.隐伏裂缝正演模拟模块：用于完成一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法中步骤s1，被配置为包含不规则隐伏裂缝的混凝土地电模型，所属模型由输入的地电参数生成；
23.信号采集模块：用于完成一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法中步骤s2，被配置为探地雷达；
24.图像信号预处理模块：用于完成一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法中步骤s3，被配置为对初始图像进行去直流漂移、静校正、直达波切除、增益以及带通滤波去噪；
25.最优电磁波波速模块：用于完成一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法中步骤s4
‑
s6，被配置为采用一系列传播速度作为频率波数偏移的参数，对正演模拟图像进行偏移处理，然后，用小波熵计算各正演模拟偏移图像的熵，选取偏移图像上小波熵的最小值对应的波速作为最优电磁波波速；
26.探地雷达偏移成像模块：用于完成一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法中步骤s7被配置为利用频率波速域偏移和kirchhoff积分偏移两部分计算得到最终的偏移成像。
27.进一步，一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像终端，包括处理器、显示器和储存器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1
‑
8中任意一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法的所述的步骤。
28.进一步，一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1
‑
8中任意一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法所述的步骤。
29.本技术方案的工作原理在于：
30.依据常用介质介电常数大致推算出电磁波波速的取值范围，以此设置一系列的电磁波波速作为偏移算法的偏移参数，在此基础上对多个偏移图像进行小波分解，根据小波
变换分解系数提取不同子图像的频带能量特征向量，并计算各子图像的小波熵；最后，选取偏移图像上小波熵的最小值对应的波速，将其作为最优偏移波速重新运用到偏移成像方法中。
31.本技术方案的有益效果在于：
32.将小波熵理论与常规偏移算法相结合，提出了一种高效确定最优电磁波波速的方法，该法估算的电磁波速度与真实值误差可控制在4％以内,并且使用最优电磁波波速作为常规偏移成像的参数，可减少相邻信号的干扰，压制回波与绕射波的干扰，显著提升探地雷达图像的分辨率，从而改善探地雷达偏移成像效果。
附图说明
33.图1是本发明所述一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法流程示意图；
34.图2是本发明所述一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像系统运行图；
35.图3为实施例中正演模拟的不同形态裂缝的地电模型图；
36.图4为实施例中三种形态裂缝正演模拟图像；
37.图5为实施例中信号预处理后正演模拟图像；
38.图6为实施例中不同波速下频率波数法偏移成像；
39.图7为实施例中不同波速下kirchhoff积分偏移成像；
40.图8为最小熵值对应的最优波速图；
41.图9为两种偏移方法最优电磁波波速的偏移成像；
42.图10为实施例中模型实验混凝土隐伏裂缝模型设计图；
43.图11为实施例中模型实验混凝土隐伏裂缝模型图；
44.图12为实施例中模型实验的偏移成像图。
具体实施方式
45.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
46.实施例基本如附图1所示，一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法，具体实施过程如下：
47.s1.隐伏裂缝混凝土模型的浇筑:运用时域有限差分法(fdtd)，编写制作含有隐伏裂缝的混凝土模型；
48.s2.获取探地雷达时距剖面图：采用探地雷达，获取原始探地雷达时
‑
距剖面图；
49.s3.图像信号预处理：对原始图像进行去直流漂移、静校正、直达波切除、增益以及带通滤波去噪，得到预处理后的图像；
50.s4.推算系列电磁波波速：依据常用介质介电常数大致推算出电磁波波速的取值范围，以此设置一系列的电磁波波速作为偏移算法的偏移参数。
51.s5.探地雷达图像熵值分析：根据小波变换分解系数提取不同子图像的频带能量特征向量，并计算各子图像的小波熵。
52.s6.求取最优电磁波波速：选取偏移图像上小波熵的最小值对应的波速作为最优电磁波波速。
53.s7.探地雷达图像偏移成像：将最优电磁波波速作为频率波数域偏移与kirchhoff
积分偏移的偏移参数对探地雷达图像进行偏移成像处理。
54.本方案中，如图2所示，一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法的实现基于探地雷达隐伏裂缝偏移成像系统，
55.隐伏裂缝正演模拟模块用于完成一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法中步骤s1：探地雷达正演模拟是探地雷达图像解译的基础，通过预设目标物的几何特征与介电特性，模拟雷达电磁波在目标物介质间电磁波传播特性，然后将正演模拟结果与现场检测的实际结果对比分析，可以有效提高解译人员对目标介质物的雷达反射信号的认识，从而推动探地雷达技术在工程上的应用效果。本方案中采用占用存储空间小、计算效率高的时域有限差分法(fdtd)作为探地雷达正演模拟方法。
56.在无源场区域内，maxwell方程的两个旋度可以表示为：
[0057][0058]
式中：h为磁场强度(a/m)，e为电场强度(v/m)，ε为媒质的介电常数，σ为电导率(s/m)，t为时间(s)，μ为相对磁导率(h/m)，σ
m
为等效磁导率(w/m)。
[0059]
时域有限差分法是利用二阶精度的中心差分形式，将maxwell方程中的两个旋度由微分转成差分，电场与磁场在时间顺序上交替抽样，彼此相差半个时间步长。因此，二维电磁波的时域有限差分方程可以表示为：
[0060][0061][0062][0063]
其中
[0064][0065][0066][0067]
[0068]
式中：e
x
为坐标轴x方向的电场强度，h
x
和h
y
分别为x和y方向上的磁场强度，δx和δy分别为x和y方向上的空间步长，δt为时间步长，n为时间步，(i,j)为节点坐标。
[0069]
为了保证离散后时域有限差分方程组解的稳定收敛性，要求时间步长δt和空间步长δx和δy满足以下关系式：
[0070][0071]
假设二维平面范围内为半无限空间连续的混凝土均匀介质，电磁波反射与折射均在该平面内进行。为了研究混凝土内部裂缝的探地雷达正演模拟信号的反射特征，设计了如图3所示不同形态裂缝的地电模型，对图中各类裂缝进行标记，如“y
1”对应水平裂缝，“y
2”对应s型裂缝，“y
3”对应水平夹角为26.57
°
的斜裂缝。为满足fdtd法最低网格步长的最小分辨率，将裂缝宽度设为5mm，由于s型裂缝、斜裂缝没有现成的模型指令，因此设计了一种由圆形、矩形与三角形组合的模型指令用于模拟不规则裂缝。
[0072]
混凝土模型的地电参数设置：区域范围为2.2m
×
0.3m，空气层厚度为0.01m，左下角为坐标原点，横坐标为混凝土模型的水平距离，纵坐标为探测深度；目标物体为(a)水平裂缝，长度为0.2m，宽度为5mm，裂缝左侧与模拟区域左侧边缘相距0.4m，埋深为0.1m；(b)s型微裂缝，宽度为5mm，水平长度为0.2m，上凸与下凹顶点的埋深分别为0.05m、0.15m；(c)倾斜裂缝，水平长度为0.2m，宽度为5mm，与水平方向呈26.57
°
夹角，埋深为0.05m；混凝土的相对介电常数为6，电导率为0.001s/m，导磁率为1；裂缝中的介质为空气。
[0073]
信号采集模块用于完成一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法中步骤s2：根据探地雷达探测深度与分辨率之间的关系，天线中心频率为1600mhz，边界吸收条件为完全匹配层，激励源采用ricker子波，网格的空间步长与采样步长均为0.0025m，采样道数为880道，总采样时间为10ns。为减少电磁波边界传播效应给信号带来干扰，设置发射天线与接收天线之间的距离为0.1m，因此水平方向实际距离为2.0m，得到的三种形态裂缝正演模拟图像如图4所示。
[0074]
图像信号预处理模块用于完成一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法中步骤s3：被配置为对初始图像进行去直流漂移、静校正、直达波切除、增益以及带通滤波去噪，预处理后的图像如图5所示。
[0075]
最优电磁波波速模块用于完成一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法中步骤s4
‑
s6：采用两种偏移方法对常规信号处理后的三种形态裂缝偏移成像处理，由于无法直接得知偏移算法中电磁波波速，设定不同的速度参数以作参考，常用混凝土介电常数为6，计算的电磁波波速为0.1225m/ns，因此设置5组波速值：0.1、0.11、0.12、0.13、0.14m/ns，偏移图像如图6和图7所示。采取不同电磁波波速偏移成像处理后三种裂缝均呈现不同的形态，一定程度上实现了信号去噪与能量聚集，尤其是水平裂缝与斜裂缝偏移成像效果明显，而对于s型裂缝而言，波速小于或大于最优波速都会导致偏移效果不佳，无法完全还原s型裂缝的真实形态。为此，根据小波能量熵原理，在0.1～0.14m/ns电磁波波速区间内选取40个速度值，并结合频率波速域偏移与kirchhoff积分偏移方法求取最小能量熵值对应的电磁波波速，如图8所示，当图像熵值最低时，频率波速域偏移与kirchhoff积分偏移对应的电磁波波速v分别为0.126m/ns与0.127m/ns，依据小波熵理论确定的电磁波传播速度与真实值的
相对误差分别为2.86％与3.67％，选取最优电磁波波速作为速度参数。
[0076]
探地雷达偏移成像模块用于完成一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法中步骤s7，以最优电磁波波速作为速度参数，通过频率波速域偏移和kirchhoff积分偏移两部分计算得到最终的偏移成像，偏移成像结果如图9所示。两种偏移方法采用各自最优电磁波波速偏移成像后，使得裂缝还原其真实形态效果更优，尤其是对于s型裂缝，上凸与下凸双曲线得以分离且弧度保持相对一致，说明基于小波熵选取的电磁波波速能够作为常规偏移算法的最优偏移速度参数。
[0077]
本方案中，探地雷达偏移成像模块在matlab语言计算平台上编写程序，包括频率波速域偏移计算和kirchhoff积分偏移计算两部分，其中频率波速域偏移原理为设二维信号或图像f(x,z＝0,t)的傅立叶变换为f(k
x
＝0,w)，则
[0078][0079]
式中，x为水平坐标，z为垂直坐标，向下为正，t为时间。在频率波数域内，深度z处的波场可表示为
[0080][0081]
设二维信号f(x,z,t){f(x,t)在z方向的延拓}为f(k
x
,z,w)关于k
x
,w的二维傅立叶逆变换，则
[0082][0083]
然后，根据频散关系式
[0084][0085]
同时令t＝0，经过推导可得
[0086][0087]
其中kirchhoff积分偏移法原理为假设围绕场源存在某一闭合曲面s，已知在曲面s上存在位移函数u(x,y,z,t)及其导数，根据惠更斯—费涅尔原理可计算得到曲面s外的任意一点n(x,y,z,t)上由场源引起的位移u。kirchhoff从波动方程出发推导出了kirchhoff积分公式，可写为：
[0088][0089]
其中r是射线距离，代表点n1(x1,y1,z1,t)到曲面s上u(x,y,z,t)各点的距离；r代表推迟位。若是对于平面衍射波，那么kirchhoff衍射公式为：
[0090][0091]
式中a表示振幅，θ表示传播角度，ω表示波的频率。从kirchhoff衍射公式中看出，衍射波振幅大小与波的传播方向有关。
[0092]
结合fdtd的中心差分可以得到：
[0093][0094]
在正演模拟的网格规则中，若δt为采样时间间隔，δx为采样间距，δz为深度方向采样间隔，那么可令x
p
＝mδx，z
p
＝lδz，x＝αδx，式中m，α，l为正整数。上式可以化为离散形式
[0095][0096]
本方案中还对一种探地雷达隐伏裂缝偏移成像方法进行了模型实验研究，隧道工程中衬砌结构厚度一般为0.3m～0.4m，综合考虑探地雷达探测隐伏裂缝的深度与竖向分辨率的关系，设置模型尺寸长
×
宽
×
高＝2.2m
×
0.3m
×
0.5m。隧道衬砌结构中裂缝缝宽(w)的风险等级分为三种：低风险(0<w<0.2mm)；中风险(0.2≤w<0.5mm)；高风险(0.5mm≤w)，低、中风险处于可监控观察，高风险必须采取相应措施进行处理。本次模型试验以高风险裂缝为参照依据设计缝宽为0.5mm。模型裂缝是采用厚度为0.5mm薄钢片在混凝土试块中插入与拨出的形式制作而成，由于浇筑时混凝土自身的吸附力与粘滞力，当薄铁片拨出时产生的拉拔力易造成裂缝宽度扩展，经测算实际的裂缝宽度为0.5mm
‑
0.8mm。本次试验共设置三种形式的裂缝：水平型、s型、倾斜型，模型示意图如图10所示，模型试块采用c30混凝土浇筑，主要材料有p.o 32.5级水泥、细砂、砾石、水和减水剂等。采用木板模具固定，将三块不同形状的薄钢片用木板固定至模具深度0.2m处，然后一次性浇筑成型，采用振捣棒消除空气使得混凝土内部振捣密实，振捣完毕后将混凝土表面抹平，待标准养护3天后，将薄钢片拔出，接着继续养护至28天，模型试件如图11所示。考虑了天线频率与竖向分辨率之间的关系，采用主频为1600mhz的意大利ris
‑
k2型探地雷达，采样步长为0.0025m，时窗和叠加次数分别为12ns与384次，测线布置为模型侧壁从左至右匀速移动，得到原始探地雷达时
‑
距剖面图，对信号进行预处理，基于小波熵图像估计原理对信号预处理后的探地雷达图像进行熵值分析，选取最小熵值对应的速度值。依据上述求取最优电磁波波速的方法，得到小波熵理论结合频率波数域偏移与kirchhoff积分偏移的最优电磁波波速分别为0.118m/ns与0.116m/ns，利用最优电磁波波速作为偏移参数再次进行偏移处理，结果如图12所示,可以看出，混凝土模型在0.3m厚处的分界线较为明显，偏移后探地雷达绕射波均得到有效收敛，并且水平裂缝与斜裂缝较好地还原了其原本形态，而s型裂缝上凸双曲线的顶部能量能较好的聚集可减少相邻信号的干扰，压制回波与绕射波的干扰，显著提升探地雷达图像的分辨率，从而改善探地雷达偏移成像效果，进一步说明方法的可行性。
[0097]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。