一种基于加伯变换的地质雷达回波多尺度解析处理方法与流程

1.本发明涉及雷达信号处理的技术领域，尤其涉及一种基于加伯变换的地质雷达回波多尺度解析处理方法。


背景技术：

2.最近一二十年，随着我国经济社会快速发展，中国迎来了交通基础设施建设高峰，据报道，截止至2020年底，我国的公路总里程已经达到519万公里，诸如路基、路面、桥梁、涵洞、隧道等公路构造物的竣工验收必须进行填筑质量检测。同时考虑公路构造物随着运营时间的增加，路面和路基常年承受着土地自重、行车荷载、雨水侵蚀以及其它外界刺激，会发生松散、裂缝、坑洞、塌陷等异常病害，成为公路交通安全的重大隐患。
3.目前对于公路路基隐藏病害目标的探测常用探地雷达技术，探地雷达具有高效、连续、快速、高分辨率、无损等特点，已广泛应用于高速公路、城镇道路、隧道等基础建设设施无损探伤检测中，同时也成为重要工程质量评价指标检测技术的发展方向。探地雷达探测技术主要是基于b-scan扫描，通常得到的扫描图像是基于同一场景的多方位多角度测量，并根据周围介电环境重构目标图像从而得到目标的相对位置，但是并不能通过信号幅值或双曲线峰值区分不同材质的目标。而对于道路面层下的各种隐蔽病害如脱空、疏松以及空洞等病害的识别与解释还存在一定的问题，还没有达到完全实用阶段。在实际应用中仅通过采集的b-scan图像很难对目标进行精确的解析，识别难度大，主观因素高。


技术实现要素：

4.为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种基于加伯变换的地质雷达回波多尺度解析处理方法，所述解析处理方法使用解析处理系统，所述解析处理系统包括地质雷达数据预处理平台、加伯变换多尺度处理平台、特征提取平台、输出平台；
5.所述地质雷达数据预处理平台包括回波数据零点矫正模块、回波数据去除直达波模块、剔除坏道数据模块，所述回波数据零点矫正模块用于将输入的地质雷达回波矫正地面对应的零点位置，以使后续处理的图像计算目标深度位置；将所述回波数据零点矫正模块处理后的回波数据输入到所述回波数据去除直达波模块，去除雷达电磁波从发射器直接到达接收器的直达波，以便后续数据处理；将所述回波数据去除直达波模块输出的去除直达波之后的数据输入到所述剔除坏道数据模块，剔除在采集过程中因抖动产生的坏道数据，以便后续数据处理；将剔除坏道数据之后的数据输入到所述加伯变换多尺度处理平台进行多尺度处理，将进行多尺度处理之后的数据输入到所述特征提取平台，所述特征提取平台将进行多尺度处理之后的数据与特征图谱进行匹配识别待检测回波数据的病害类型，所述输出平台显示输出匹配识别结果；
6.所述加伯变换多尺度处理平台包括设置带宽值模块、设置幅型比模块、设置波长模块、设置方向模块，所述加伯变换多尺度处理平台为剔除坏道数据之后的数据设置加伯滤波器的带宽值、幅型比、波长与方向参数，获取特征选择方向上的数据图像局部增强信
息；
7.所述特征提取平台包括管线特征匹配模块、脱空特征匹配模块、疏松特征匹配模块、富含水特征匹配模块，所述管线特征匹配模块、所述脱空特征匹配模块、所述疏松特征匹配模块、所述富含水特征匹配模块的特征图谱为预设的公路病害图谱，将待检测回波数据经过加伯变换多尺度滤波形成的特征与所述公路病害图谱进行匹配识别，根据匹配识别结果判断所述待检测回波数据的病害类型；
8.所述输出平台显示所述待检测回波数据的病害类型识别界面。
9.可选的，使用相位差的弱信号识别方法对所述待检测回波数据进行特征分割，使用特征中心点欧式距离匹配方法将特征分割后的数据分别与所述管线特征匹配模块的管线特征图谱、所述脱空特征匹配模块的脱空特征图谱、所述疏松特征匹配模块的疏松特征图谱、所述富含水特征匹配模块的富含水特征图谱进行相似匹配。
10.可选的，所述加伯变换多尺度处理平台进行多尺度处理的步骤包括：
11.根据预处理后的地质雷达回波图像估计待检测目标特征数目m；
12.设置所述加伯滤波器的带宽值、幅型比、波长与方向值，形成多尺度参数x1；
13.将预处理后的回波数据进行所述多尺度参数x1下的滤波处理，得到所述多尺度参数x1的增强回波数据；
14.设置所述加伯滤波器的带宽值、幅型比、波长与方向值，形成多尺度参数x2；
15.将预处理后的回波数据进行所述多尺度参数x2下的滤波处理，得到所述多尺度参数x2的增强回波数据；
16.继续设置所述加伯滤波器的带宽值、幅型比、波长与方向值，形成多尺度参数xn，将预处理后的回波数据进行所述多尺度参数xn下的滤波处理，得到所述多尺度参数xn的增强回波数据，直到n＝m结束。
17.可选的，所述相位差的弱信号识别方法包括：
18.将预处理后的回波数据转换为相位图像数据；
19.对所述相位图像数据进行横向差分，形成横向相位差，以突出弱目标信号；
20.根据突出的弱目标信号对预处理后的回波数据进行分割。
21.可选的，所述特征中心点欧式距离匹配方法包括：
22.计算特征分割后的数据之中特征的中心位置；
23.分别计算所述管线特征图谱、所述脱空特征图谱、所述疏松特征图谱、所述富含水特征图谱的数据特征中心位置；
24.以特征分割后的数据之中特征的中心位置与所述管线特征图谱、所述脱空特征图谱、所述疏松特征图谱、所述富含水特征图谱的数据特征中心位置为重合点，分别计算分割数据与图谱数据的欧式距离；
25.遍历所述分割数据与所有图谱数据计算平均欧式距离，进行归一化处理得到平均归一化欧式距离值；
26.若所述平均归一化欧式距离值大于0.8，确认所述分割数据与所述图谱数据的特征相似；若所述平均归一化欧式距离值小于或等于0.8，确认所述分割数据与所述图谱数据的特征不相似。
27.本发明具有下述有益效果：
28.本发明提供一种基于加伯变换的地质雷达回波多尺度解析处理方法，所述解析处理方法使用解析处理系统，所述解析处理系统包括地质雷达数据预处理平台、加伯变换多尺度处理平台、特征提取平台及输出平台。地质雷达数据预处理平台由回波数据零点矫正模块、回波数据去除直达波模块、剔除“坏道”数据模块组成，通过将采集的地质雷达回波数据经过各模块处理形成有效的采集数据；加伯变换多尺度处理平台由设置带宽值模块、设置幅型比模块、设置波长模块、设置方向模块组成，将有效采集数据经过多尺度设置与处理形成不同目标增强的雷达数据；特征提取平台由管线特征匹配模块、脱空特征匹配模块、疏松特征匹配模块、富含水特征匹配模块组成，在特征提取平台中输入预制管线特征、脱空特征、疏松特征、富含水特征的典型雷达回波形成特征数据库，将经过加伯变换多尺度处理的雷达回波数据与特征数据库中的不同特征进行匹配，得到待检测目标的特征，通过在加伯变换多尺度处理平台调整设定值，得到不同目标特征；输出平台显示不同目标特征的检测与识别界面。本发明采用基于加伯变换的地质雷达回波多尺度解析技术，通过调整不同带宽、不同幅型比、不同波长、不同方向等参数对雷达回波进行滤波，得到不同参数下的数据增强方法实现了不同特征目标的识别，解决了现有地质雷达回波中目标解析与识别难度大等技术问题。
附图说明
29.图1为本发明实施例一提供的基于加伯变换的地质雷达回波多尺度解析处理方法的流程示意图。
30.图2为本发明实施例一提供的地质雷达地耦合方式采集道路回波数据示意图。
31.图3为本发明实施例一提供的地质雷达地耦合方式采集道路回波数据零点矫正示意图。
32.图4为本发明实施例一提供的地质雷达地耦合方式采集道路回波数据去除直达波示意图。
33.图5为本发明实施例一提供的加伯滤波器的带宽、方向、波长、角度分别为1.15、0.3、1.3、90的图像。
34.图6为本发明实施例一提供的地质雷达空气耦合方式采集道路回波数据零点矫正示意图。
35.图7为本发明实施例一提供的地质雷达空气耦合方式采集道路回波数据去除直达波示意图。
36.图8为本发明实施例一提供的加伯滤波器的带宽、方向、波长、角度分别为4.5、0.1、0.9、180的图像。
37.图9为本发明实施例一提供的加伯滤波器的带宽、方向、波长、角度分别为0.95、0.1、0.9、90的图像。
38.其中，附图标记为：
①
为采集原始数据非地表回波；
②
为采集原始数据直达波回波；
③
为零点矫正与去直达波回波；
④
为管道特征；
⑤
为脱空特征；
⑥
为疏松特征；
⑦
为裂缝特征。
具体实施方式
39.为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的基于加伯变换的地质雷达回波多尺度解析处理方法进行详细描述。
40.实施例一
41.本实施例针对探地雷达回波数据目标解析难度大的问题，结合基于加伯(gabor)变换的多尺度信号检测方法，通过调整gabor滤波器参数获得不同尺度下不同目标的增强图像，再与病害图谱进行匹配从而识别探地雷达回波数据中的目标。
42.本实施例的目的在于解决现有探地雷达检测的回波解析技术中不同病害目标的识别难度大、主观因素高的技术问题，进而提供一种基于加伯变换的地质雷达回波多尺度解析处理方法，利用调整gabor滤波器参数获得不同尺度下不同目标的特征增强图像，再与病害图谱进行匹配从而识别探地雷达回波数据中的目标，具体步骤如下：
43.(1)搭建地质雷达数据预处理平台，此平台由回波数据零点矫正模块、回波数据去除直达波模块、剔除“坏道”数据模块组成，具体过程为：
44.(1-1)将采集到的地质雷达回波数据输入到回波数据零点矫正模块，将雷达回波中的地面地表特征位于回波起点位置，便于后续目标深度计算与显示；
45.(1-2)将回波数据零点矫正模块处理后的回波数据输入回波数据去除直达波模块，将雷达电磁波从发射器直接到达接收器的直达回波去除；
46.(1-3)回波数据去除直达波模块输出的去除直达波数据输入剔除“坏道”数据模块，将在采集过程中因抖动等产生的“坏道”数据剔除。
47.(2)建立gabor变换多尺度处理平台，此平台由设置带宽值模块、设置幅型比模块、设置波长模块、设置方向模块组成，具体过程为：
48.(2-1)根据预处理后的地质雷达回波图像估计待检测目标特征数目m；
49.(2-2)设置gabor滤波器的带宽值、幅型比、波长与方向值，形成第i个多尺度参数；
50.(2-3)将预处理后的回波数据进行多尺度参数i下的滤波处理，得到多尺度参数i的增强回波数据；
51.(2-4)继续设置gabor滤波器的带宽值、幅型比、波长与方向值，形成多尺度参数i+1，将预处理后的回波数据进行多尺度参数i+1下的滤波处理，得到多尺度参数i+1的增强回波数据，直到i+1＝m结束。
52.(3)特征提取平台，此平台由管线特征匹配模块、脱空特征匹配模块、疏松特征匹配模块、富含水特征匹配模块组成，具体过程为：
53.(3-1)将预处理回波数据转换为相位图像数据，对相位图像数据做横向差分，形成横向相位差，能突出弱目标信号，根据突出的目标信号对预处理回波数据进行分割；
54.(3-2)计算特征分割的数据中特征的中心位置以及管线特征图谱、脱空特征图谱、疏松特征图谱、富含水特征图谱的数据特征中心位置；
55.(3-3)以分割数据中心位置与管线特征图谱、脱空特征图谱、疏松特征图谱、富含水特征图谱数据特征中心位置为重合点，分别计算分割数据与图谱数据的2-范数；
56.(3-4)遍历分割数据与所有图谱数据计算平均2-范数并进行归一化处理，若平均归一化2-范数值大于阈值ρ，则认为分割数据与此图谱数据的特征是相似的，否则为不相似。
57.(4)输出平台输出并显示待检测回波数据的病害类型识别界面。进一步的，所述步骤(2)中，二维gabor滤波器的核函数的表达式如下：
[0058][0059]
其中，u为方向，v为尺度，z＝(x,y)是回波数据中各能量点的坐标，||*||表示对*进行取模运算。k
u,v
是滤波器的中心频率，且kv＝k
maxfv
，其中k
max
为最大频率，f是空间因子。k
u,v
描述了gabor滤波器在不同方向不同尺度的响应，通过改变k
u,v
的值，可以获得一组gabor滤波函数。σ是gabor滤波器核函数的半径，||k
u,v
||2/σ2用来补偿由频率决定的能量谱的衰减，exp(-σ2/2)是直流分量。
[0060]
进一步的，所述步骤(3-1)中，使用希尔伯特变换方法对获取回波数据z的相位图像h(x,y)，对相位图像h(x,y)求取相位变化，即相位图像数据做横向差分对应横向差分相位图像差分值大于δ的回波数据进行分割，表达式如下：
[0061]
(x,y)＝{(x,y)d(x,y)＞δ,x＝1,...,p；y＝1,...,q}。
[0062]
进一步的，所述步骤(3-3)中，分割数据与图谱数据相似测量方法如下：将有目标回波分割数据(xi,yi)与图谱数据(pj,qj)中的每个元素做差值并求二范数，即得到||(xi,yi)-(pj,qj)||2，其中x与y分别表示回波中存在目标的横向距离与时间深度坐标，i表示第i个目标，p与q分别表示图谱中目标的横向距离与时间深度坐标，j表示第j个目标图谱。
[0063]
进一步的，所述步骤(3-4)中，确定阈值ρ的方法如下：阈值ρ的值一般为经验值0.65、0.7、0.75、0.8，若测试环境较复杂，数据杂波干扰较大，可选较低经验值0.65、0.7，若测试环境较好，数据杂波干扰较小，可选较高经验值0.75、0.8。
[0064]
图1为本发明实施例一提供的基于加伯变换的地质雷达回波多尺度解析处理方法的流程示意图。本实施例开发地质雷达数据预处理平台，对采集原始地质雷达回波数据进行零点矫正、去除直达波、剔除“坏道”数据等处理；再开发gabor变换多尺度处理平台，通过设置gabor滤波器的带宽值、幅型比、波长与方向参数，获取特征选择方向上的数据图像局部增强信息，将局部增强回波图像输入开发的特征提取平台，与典型公路病害图谱进行匹配，最后识别出病害目标并输出。
[0065]
本实施例采集道路内部构造物与病害目标的地质雷达回波数据进行分析。通过地耦合方式采集道路内部构造物与病害目标的地质雷达回波，对此回波数据进行预处理，采集的原始图像如图2所示，图像中存在直达波与非地表回波，通过零点矫正算法将图像中雷达与地表面之间的回波去除，使得图像中的“0ns”时刻对应实际地表面，以便于后续目标位置定位与识别，零点矫正后的图像如图3所示，再通过去直达波算法去除图像中的直达波，如图4所示，去除了“0ns”时刻地表面直达波。
[0066]
通过调整gabor滤波器的带宽、方向、波长、角度分别为1.15、0.3、1.3、90，本实施例得到此参数下的图像如图5所示，通过与管线特征图谱、脱空特征图谱、疏松特征图谱、富含水特征图谱相匹配，识别出如图5中方框所标识的管道，识别出如图5中三角形框所标识的脱空。
[0067]
通过空气耦合方式采集道路内部构造物与病害目标的地质雷达回波，对此回波数据进行预处理，采集的原始图像如图6所示，图像中除了存在直达波以为，还存在因空气耦合产生的电磁波非地表回波，通过零点矫正算法将图像中雷达与地表面之间的回波去除，使得图像中的“0ns”时刻对应实际地表面，以便于后续目标位置定位与识别，零点矫正后的图像如图7所示，通过去直达波算法去除图像中的直达波，如图8所示，去除了“0ns”时刻地表面直达波。
[0068]
通过调整gabor滤波器的带宽、方向、波长、角度分别为4.5、0.1、0.9、180，本实施例得到此参数下的图像如图8所示，通过与管线特征图谱、脱空特征图谱、疏松特征图谱、富含水特征图谱相匹配，识别出如图8中五边形框所标识的疏松病害。通过调整gabor滤波器的带宽、方向、波长、角度分别为0.95、0.1、0.9、90，本实施例得到此参数下的图像如图9所示，通过与管线特征图谱、脱空特征图谱、疏松特征图谱、富含水特征图谱相匹配，识别出如图9中椭圆形框所标识的裂缝病害，识别出如图9中三角形框所标识的脱空病害。
[0069]
本实施例提供了一种基于加伯变换的地质雷达回波多尺度解析处理方法，包括地质雷达数据预处理平台、gabor变换多尺度处理平台、特征提取平台及输出平台组成。本实施例使用一种基于加伯变换的地质雷达回波多尺度解析处理方法，利用调整gabor滤波器参数获得不同尺度下不同目标的特征增强图像，再与病害图谱进行匹配从而识别探地雷达回波数据中的目标。本实施例有效解决了解决现有探地雷达检测的回波解析技术中不同病害目标的识别难度大、主观因素高的技术问题，有效提取了不同病害目标在不同尺度下的特征。
[0070]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。