一种探地雷达单道电磁波谱三维定位方法技术

本发明专利技术提供一种探地雷达单道电磁波谱三维定位方法，包括发射电磁波的探地雷达天线，所述方法包括：步骤(1)获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与位姿信息；步骤(2)通过某一时刻的探地雷达天线的三维位置与位姿信息对所述对应时刻探地雷达发射的电磁波谱进行三维显示校正，获得任意时刻探地雷达发射电磁波的三维空间信息。相对于现有技术，本发明专利技术使探地雷达单道波谱实现了三维空间上的精确显示，能够发映出雷达波谱因雷达天线的位置姿态变化而引起的相应发射角、探测方向等变化信息，使得在显示过程中能够精确体现出雷达天线发射电磁波准确的探测位置，提高了雷达波谱图整体的成像精确度，有利于对地下目标探测物的精确测量。

【技术实现步骤摘要】
一种探地雷达单道电磁波谱三维定位方法
本专利技术涉及探地雷达电磁波谱无损探测
，特别是涉及利用机器视觉获取探地雷达天线位置与位姿信息进而进行准确的单道电磁波三维空间定位和显示的方法。
技术介绍
地球的浅表层是支持众多生物繁衍生息的地质层。它含有丰富的地球资源，如矿物、地下水、土壤及其他沉积物。随着科学技术的进步与发展，人们对自然界的认识日益深化，这使得对地下环境的探索与认识需求不断的增长并更加的迫切。探地雷达作为一种无损对地检测手段，利用多频电磁波谱以脉冲形式对地表之下相关目标进行探测。在土壤、泥炭地探测和植物体监测、地下水资源研究、地下污染物的定量监测、洞穴动物的探测、在风蚀沙丘探测、海岸环境研究、在河流沉积学中应用、冰川和冰层探测、地质灾害预测等方面具有广阔的应用。在探地雷达成像技术中，单道电磁波谱的准确显示对于地下目标的准确判读与雷达波谱图的正确解译具有重要意义。目前，探地雷达的单道波谱形成中，并未有单道电磁波谱图像的三维信息，而事实上探地雷达对地下探测物的探测精度恰恰建立在单道电磁波谱的三维精确定位之上，这对于探地雷达对目标探测物的精确测量具有较大影响。特别是探地雷达天线在行进过程中，由于地表的不平，探地雷达的天线并不能够时时保持同样的姿态对地进行探测，而目前的二维波谱显示方法中却不能显示因探地雷达天线位姿变化所带来的单道波谱信号对应性位姿变化信息，而是假设雷达天线在运动过程中时刻保持相同运行姿态。因而，目前探地雷达形成的二维谱图中时刻认为发射的电磁波一直射向位于雷达天线所在位置的垂直正下方。而事实上，由于地表的不平或者其它因素，探地雷达天线的姿态很难保持一种绝对不变的姿态在运行。特别是当雷达天线在测量过程中，出现较大的姿态变化时，原有方法已不能准确显示因雷达天线姿态发生变化而电磁波发射角发生的相应变化，这对地下探测物的探测带来很大的误差。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的主要目的在于提供一种可以对单道雷达波谱进行准确三维显示的探地雷达单道电磁波谱三维定位方法。一种探地雷达单道电磁波谱三维定位方法，包括发射电磁波的探地雷达天线，所述方法包括如下步骤(1)至步骤(2)：步骤(1)、获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与位姿信息；步骤(2)、通过某一时刻的探地雷达天线的三维位置与位姿信息对所述对应时刻探地雷达发射的电磁波谱进行三维显示校正，获得任意时刻探地雷达发射电磁波的三维空间信息。进一步地，所述步骤(1)获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与位姿信息包括如下步骤(1.1)至步骤(1.3)：(1.1)包括相对位置已经确定的第一图像采集设备和第二图像采集设备，当探地雷达天线在地表运动时，第一图像采集设备和第二图像采集设备保持静止并分别采集探地雷达天线在任意时刻运动的图像信息，每一时刻对应一帧图像；(1.2)根据第一图像采集设备和第二图像采集设备的相对位置信息，以及根据第一图像采集设备和第二图像采集设备分别采集的探地雷达天线在任意时刻运动的图像信息获取的探地雷达天线的二维坐标信息，通过二维坐标与三维坐标的转换关系获取探地雷达天线的三维坐标；(1.3)利用图像处理方法根据所述探地雷达天线的三维坐标确定每一帧图像中探地雷达天线的位置与姿态信息。更进一步地，所述步骤(1.2)具体为：通过第一图像采集设备和第二图像采集设备分别采集的探地雷达天线的运动图像，以同时获得探地雷达某一特征点分别在两个图像采集设备形成图像的对应坐标，并通过这两个坐标，利用二维坐标与三维坐标的转换关系构成两个方程，获得该特征点的三维坐标。步骤(1.2)中获取探地雷达天线三维坐标的转换关系为：其中为探地雷达天线的三维坐标；(u,v)为图像坐标系中的坐标；(xw,yw,zw)为对应点在世界坐标系中的坐标；A为第一图像采集设备或第二图像采集设备的内参数矩阵，为第一图像采集设备或第二图像采集设备的外参数矩阵，由旋转矩阵R和平移向量t组成，内参数矩阵A中的(u0,v0)为第一图像采集设备或第二图像采集设备光轴与图像平面的交点坐标，当图像平面与第一图像采集设备或第二图像采集设备光轴不完全垂直时，用倾斜系数γ来表示图像平面与第一图像采集设备或第二图像采集设备光轴的倾斜程度；若每一个像素在x轴与y轴方向上的物理尺寸计为dx，dy，则fx为第一图像采集设备或第二图像采集设备镜头焦距与dx的比值，fy为第一图像采集设备或第二图像采集设备镜头焦距与dy的比值，kx＝fx，ks＝γfx，ky＝fy。更进一步地，所述步骤(1.3)利用图像处理方法根据所述探地雷达天线的三维坐标确定每一帧图像中探地雷达天线的位置与姿态信息包含如下步骤(1.3.1)至步骤(1.3.3)：(1.3.1)对探地雷达天线进行角点检测，获得探地雷达天线四角上的坐标信息，并通过四角上的坐标信息获取探地雷达天线的边界信息；(1.3.2)通过提取探地雷达天线的边界信息获取探地雷达天线的几何中心位置信息，该中心位置为电磁波发射点的位置；(1.3.3)根据探地雷达天线的中心位置信息，通过几何关系确定探地雷达天线的包括行进偏角、俯仰角、翻滚角的姿态信息。更进一步地，步骤(2)通过某一时刻的探地雷达天线的三维位置与位姿信息对所述对应时刻探地雷达发射的电磁波谱进行三维显示校正，获得任意时刻探地雷达发射电磁波的三维空间信息包括如下步骤(2.1)至步骤(2.2)：(2.1)坐标的原点为第一图像采集设备或第二图像采集设备芯片所在的位置，单道电磁波显示时，按照获取的探地雷达天线的行进偏角、俯仰角、翻滚角以及探地雷达天线的几何中心位置坐标在三维坐标中显示；(2.2)根据步骤(2.1)的信息对探地雷达在该对应时间发出的电磁波谱进行校正，从而获得具有三维空间信息的电磁波的准确发射与返回信息。相对于现有技术，首先，使探地雷达单道波谱实现了三维空间上的精确显示，能够发映出雷达波谱因雷达天线的位置姿态变化而引起的相应发射角、探测方向等变化信息，使得在显示过程中能够精确体现出雷达天线发射电磁波准确的探测位置，提高了雷达波谱图整体的成像精确度，有利于对地下目标探测物的精确测量；其次，克服了以往探地雷达定量探测需要人工设置雷达引导线的问题，可以将探地雷达的电磁波谱与雷达天线走过的每一个空间位置相对应，使得整个测量过程更加精确。附图说明图1是本专利技术探地雷达单道电磁波谱三维定位方法实施例的流程图图2是本专利技术探地雷达单道电磁波谱三维定位方法的原理示意图图3是现有技术中当探地雷达正常运行时雷达波谱显示的示意图图4是当探地雷达发生姿态变化时根据本专利技术的方法对电磁波谱进行矫正后的雷达图谱精确三维显示的示意图具体实施方式下面结合附图，详细说明本专利技术的具体实施方式。如图1、图2所示，为本专利技术探地雷达单道电磁波谱三维定位方法实施例的流程图和原理示意图。包括发射电磁波的探地雷达天线、第一图像采集设备、第二图像采集设备以及图像处理设备。所述方法包括如下步骤S1～S2：S1、获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与位姿信息。位姿信息是指探地雷达天线在运行过程中自身坐标系相对于地面静止坐标系的一种位姿变化关系，位姿包括探地雷达天线行进偏角俯仰角ψ、翻滚角φ等。探地雷达天线行进偏角指在水平XwOwYw平面上探地雷达天线轴线投影绕Yw轴旋转的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种探地雷达单道电磁波谱三维定位方法，包括发射电磁波的探地雷达天线，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤(1)、获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与位姿信息；步骤(2)、通过某一时刻的探地雷达天线的三维位置与位姿信息对所述对应时刻探地雷达发射的电磁波谱进行三维显示校正，获得任意时刻探地雷达发射电磁波的三维空间信息。

【技术特征摘要】
1.一种探地雷达单道电磁波谱三维定位方法，包括发射电磁波的探地雷达天线，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤(1)、获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与位姿信息；步骤(2)、通过某一时刻的探地雷达天线的三维位置与位姿信息对所述对应时刻探地雷达发射的电磁波谱进行三维显示校正，获得任意时刻探地雷达发射电磁波的三维空间信息，所述步骤(1)获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与位姿信息包括如下步骤：(1.1)包括相对位置已经确定的第一图像采集设备和第二图像采集设备，当探地雷达天线在地表运动时，第一图像采集设备和第二图像采集设备保持静止并分别采集探地雷达天线在任意时刻运动的图像信息，每一时刻对应一帧图像；(1.2)根据第一图像采集设备和第二图像采集设备的相对位置信息，以及根据第一图像采集设备和第二图像采集设备分别采集的探地雷达天线在任意时刻运动的图像信息获取的探地雷达天线的二维坐标信息，通过二维坐标与三维坐标的转换关系获取探地雷达天线的三维坐标；(1.3)利用图像处理方法根据所述探地雷达天线的三维坐标确定每一帧图像中探地雷达天线的位置与姿态信息。2.如权利要求1所述的探地雷达单道电磁波谱三维定位方法，其特征在于：所述步骤(1.2)具体为：通过第一图像采集设备和第二图像采集设备分别采集的探地雷达天线的运动图像，以同时获得探地雷达某一特征点分别在两个图像采集设备形成图像的对应坐标，并通过这两个坐标，利用二维坐标与三维坐标的转换关系构成两个方程，获得该特征点的三维坐标。3.如权利要求2所述的探地雷达单道电磁波谱三维定位方法，其特征在于：所述步骤(1.2)中获取探地雷达天线三维坐标的转换关系为：其中为探地雷达天线的三维坐标；(u,v)为图像坐标系中的坐标；(xw,yw,zw)为对应点在世界坐标系中的坐标；A为第一图像采集设备或第二图像采集设备的内参数矩阵，为第一图像采集设备或第二图像采集设备的外参...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋海波，陈建中，李娜，周星梅，胡斌，胡君，
申请(专利权)人：中国科学院成都生物研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51