一种基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法与流程

本发明涉及雷达信号处理技术，具体涉及一种基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法。

背景技术：

1、随着我国经济社会快速发展，我国交通基础设施迎来了建设高峰，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。由于道路建设错综复杂，且随着道路桥梁运行时间的增加，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，成为道路交通安全的重大隐患，对于长期使用中的已建公路、桥梁交通基础设施，更需要定期检查与养护。道路出现裂缝的情况很常见，而早期裂缝宽度小，深度浅，长度短，对路面的质量影响较小，但是若不能及时加以检测和评估，则会慢慢恶化，对道路质量造成严重的影响。而通常像公路桥梁等发生的病害大多具有隐蔽性，多数情况下并不是人工肉眼能观察到的，如何有效检测和获取隐藏的病害，及时发现与评估隐患，对服务经济社会发展和人民群众安全便捷出行等具有非常重要的意义。

2、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、裂缝以及空洞等病害的几何尺寸计算还存在估算难的问题，还没有达到完全实用阶段。

3、本发明针对探地雷达回波数据目标解析难度大的问题，结合基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法，通过回波数据中的内部谐振与外部谐振直接从时间域计算目标几何参数。

技术实现思路

1、本发明充分挖掘探地雷达回波检测目标产生的多次谐振回波机理，建立了基于内部谐波与外部谐波的目标几何参数获取模型，直接从多次谐振回波的时域图中获得隐藏目标的几何参数信息，为探地雷达目标检测与获取提供一种新方法，有效解决了现有地质雷达回波中目标解析与几何参数获取难度大等技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、(1)采集探地雷达回波数据，并对回波数据进行调整时间深度零点与去除直达波预处理，具体过程为：

4、(1-1)在一列回波数据f0(t)中，寻找使f0(t)幅值能量最大的时刻tmax，即：

5、tmax＝{tf0(t)＝max[abs(f0(t))]}

6、再将原始回波数据中时刻的数据删除，其中δt为雷达发射波形的时间宽度，于是得到调整时间深度零点的回波为

7、(1-2)对调整了时间深度零点的回波数据去除从发射天线直接到接收天线的直达波信息；

8、(2)根据探地雷达回波波峰、波谷的极性与能量值或反射系数的绝对值进行比较，判断电磁波回波中的内部谐振与外部谐振，具体过程为：

9、(2-1)根据探地雷达回波波峰、波谷的极性，若第一次反射波极性与入射波极性相同，则目标体的相对介电常数小于背景相对介电常数，且当后续反射波极性与第一次反射波极性相反，则为内部谐振回波；当后续反射波极性与第一次反射波极性相同，则为外部谐振回波；

10、(2-2)根据探地雷达回波波峰、波谷的极性，若第一次反射波极性与入射波极性相反，则目标体的相对介电常数大于背景相对介电常数，且后续反射波极性与第一次反射波极性相反，考虑到在公路构造物中若内部病害介电常数大于背景介电常数，通常为含水情况，使得电磁波在病害中损耗能量较大，因此回波中的波峰值呈现强弱能量交替的现象，周期性弱能量回波则为内部谐振回波；周期性强能量回波则为外部谐振回波；

11、(3)内部谐振回波的目标几何参数获取模型建模过程为：

12、(3-1)设电磁波在相对介电常数为εbackground的背景中，从直径为d、相对介电常数为εtar的圆柱目标体反射回接收机的时间为t0，电磁波透射到目标体内部并从目标体内部反射回接收机的时间为t1，电磁波在目标体内部传播的距离为d，目标体直径为d，电磁波与地表面之间的夹角为θ；

13、(3-2)电磁波在背景中传播速度为其中c为光速，且c＝3×108m/s；

14、(3-3)电磁波在目标体中传播速度为

15、(3-4)根据电磁波的传播机制可以得到：其中

16、(3-5)将b)和c)的参数带入d)中，得到圆柱目标体的直径计算模型为

17、(3-6)设内部谐振回波峰值出现的时间差为δt内(i)＝ti+1-ti，其中ti表示第i个内部谐振回波峰值的时间，则根据i个峰值时间得到的平均直径计算模型为

18、(4)外部谐振回波的目标几何参数获取模型建模过程为：

19、(4-1)在(3-1)参数定义的基础上，设电磁波绕目标体半圈后返回接收机的时间为t3，根据电磁波传播机制可以得到：其中s为电磁波在目标体绕半圈的路径长度，且

20、(4-2)根据(4-1)得到得到圆柱目标体的直径计算模型为

21、(4-3)设外部谐振回波峰值出现的时间差为δt外(j)＝tj+1-tj，其中tj表示第j个外部谐振回波峰值的时间，则根据j个峰值时间得到的平均直径计算模型为

22、本发明所取得的有益技术效果：

23、本发明提供公开一种基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法，属于雷达信号处理领域。目前常用的探地雷达隐藏目标参数获取多是基于探地雷达回波目标首次散射的成像算法或三维重构方法，算法复杂度较高，本发明充分挖掘探地雷达回波检测目标产生的多次谐振回波机理，建立基于内部谐波与外部谐波的目标几何参数获取模型，直接从多次谐振回波的时域图中能获得隐藏目标的几何参数信息，为探地雷达目标检测与获取提供一种新方法，有效解决了现有地质雷达回波中目标解析与几何参数获取难度大等技术问题。

技术特征：

1.一种基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法，其特征在于，还包括：对公路空洞径向尺寸、对金属管线直径、对公路内部裂缝病害径向尺寸、对窨井内水深度、对暗井盖直径的获取。

3.根据权利要求1所述的基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法，其特征在于，对探地雷达回波数据的预处理包括调整时间深度零点与去除直达波。

4.根据权利要求1所述的基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法，其特征在于，回波数据中的内部谐振与外部谐振判定方法采用回波正负极性与能量联合判定方法。

5.根据权利要求1所述的基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法，其特征在于，分别建立内部谐振回波的目标几何参数获取模型与外部谐振回波的目标几何参数获取模型；分别计算内部谐振回波的峰值时间差序列与外部谐振回波的峰值时间差序列依次获取目标几何参数，再对多个时间差参数计算结果值取均值。

6.根据权利要求3所述的基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法，其特征在于，调整时间深度零点方法为：

7.根据权利要求4所述的基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法，其特征在于，探地雷达电磁波从相对介电常数ε1介质入射到相对介电常数ε2的介质中，在介质面产生的回波反射系数为：

8.根据权利要求5所述的基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法，其特征在于，内部谐振回波的目标几何参数获取模型建模步骤为：

技术总结
本发明提供公开一种基于探地雷达回波多次谐振信息的隐藏目标几何参数获取方法，属于雷达信号处理领域。目前常用的探地雷达隐藏目标参数获取方法多是基于探地雷达回波目标首次散射的成像算法或三维重构方法，算法复杂度较高，本发明充分挖掘探地雷达在探测目标过程中产生的多次谐振回波机理，建立基于内部谐波与外部谐波的目标几何参数获取模型，直接从多次谐振回波的时域图中获得隐藏目标的几何参数信息，为探地雷达目标检测与估计提供一种新方法，有效解决了现有地质雷达回波中目标解析与几何参数估计难度大等技术问题。

技术研发人员：周丽军,周晓旭,刘博,孙贝,孟利强,段英杰,吴宏涛,薛春明,柴辉照,谢昊良,孟颖,岳鹏程,牛秉青
受保护的技术使用者：山西省智慧交通研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13