一种地下目标识别定位与成像方法技术

本发明专利技术公开了一种地下目标识别定位与成像方法，利用原始B扫描回波数据，采用均值法去除地表反射波与天线耦合波；采用图像处理方法将回波图像转化为二值图像；依据发射波形脉冲宽度从二值图像上构建列段集合，根据ricker波主瓣宽度对列段集合进行去噪，得到去噪列段集合；从列段集合中聚类含有不同目标对应的双曲线标签的列段簇；采用受限拟合算法对不同目标双曲线列段簇进行双曲线拟合；根据双曲线参数反演出目标位置、半径和地下介电常数，根据不同目标特征向量的相似度进行聚类；根据二值图与地下介电常数，进行后投影成像，去除伪影得到地下管道图像。本发明专利技术结合双曲线趋势特征，引入了列段趋势的概念，提高聚类目标双曲线的效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种地下目标识别定位与成像方法


[0001]本专利技术属于地下管道探测领域，涉及一种地下目标识别定位与成像方法，特别是一种在多目标回波信息交织情况下地下多目标识别定位与成像方法。

技术介绍

[0002]随着经济高速发展，城市现代化水平越来越高，地下管网建设越来越突出其重要性。目前地下管网包括天然气管道、下水道、电缆、给水管道、通讯电缆、暖气管道、石油管道等，地下管网结构日益复杂，种类也越来越多。但是地下管网管理的相对滞后、城市环境与重心的不断变化导致地下管网需要不断的维修与更新。地下管线已成为城市研究中的热点问题和城市科学管理以及城市生态保护工作的重点内容。
[0003]为了精准探测地下管线，从而为城市内各种施工以及城市的健康、安全运行提供有效的保障，目前一些非开挖技术逐渐被研究和应用开来，其中探地雷达由于其探测速度快、精度高并且对地表无损伤的特点，成为现在主流的地下管道探测手段之一。探地雷达通过发射电磁波并接收地下管道的反射波，并通过处理和分析回波的波形、振幅以及时间等数据来推断地下有关目标的位置、形状、结构、介电常数和埋藏深度等信息。目前最广泛的应用算法是通过移动接收天线，生成B
‑
Scan图像(地下二维剖面图)，并通过相关算法提取回波图像中目标双曲线的点集并进行聚类和拟合，最终反演出地下管道的位置与半径。
[0004]周熙人等在《地球科学与遥感》(2018,56(99):3398
‑
3412.)上发表的“自动GPR B扫描图像解释模型”设计了一种基于行段集合的双曲线开口扫描聚类算法，旨在从二值图像上快速准确的定位双曲线位置，提高了聚类速度与准确度。但是该方法依赖于双曲线开口的识别率，无法适应多目标回波信号相互交织的环境；同时基于开闭操作的预处理会丢失大量回波信息，导致方法最终拟合的偏差较大，无法适应目前日益复杂的地下管网环境。因此研究如何从多目标回波信息中准确、高效的提取目标信息并成功的反演地下管道信息，对未来的管网处理和城市施工非常重要。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种在多目标回波信息交织情况下地下多目标识别定位与成像方法，能够在多目标回波信息交织的情况下准确、快速定位目标位置与地下介质的介电常数，最终对目标进行成像。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的一种地下目标识别定位与成像方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：利用原始的B扫描回波数据，采用均值法去除地表反射波与天线耦合波，突出地下目标的反射信息；
[0008]步骤2：采用图像处理方法，将步骤1得到的回波图像转化为二值图像；
[0009]步骤3：依据发射波形脉冲宽度从二值图像上构建列段集合，并根据ricker波的主瓣宽度，对列段集合进行去噪，得到去噪后的列段集合；
[0010]步骤4：根据目标双曲线的趋势特点，从步骤3得到的列段集合中聚类含有不同目标对应的双曲线标签的列段簇；
[0011]步骤5：根据地面耦合探地雷达探测地下目标的回波双曲线的特点，采用受限的拟合算法对步骤4所得到的不同目标的双曲线列段簇进行双曲线拟合；
[0012]步骤6：根据步骤5得到的双曲线参数反演出目标的位置、半径和地下介电常数，并根据不同目标的特征向量的相似度进一步进行聚类；
[0013]步骤7：根据步骤2和步骤6得到的二值图与地下介电常数，进行后投影成像，并进行伪影去除处理，得到地下目标图像。
[0014]进一步的，采用图像处理方法，将探地雷达B扫描图像转化为二值图像具体为：
[0015]采用canny算法提取图像中目标双曲线的边缘，将回波波形ricker波的旁瓣作为标准，求取回波边缘上大于该标准的回波能量的均值，所述均值作为二值化的阈值，将回波图像二值化：
[0016][0017]式中，S(i,j)表示回波图像中第i行，第j列的幅值，R表示ricker波的旁瓣峰值，Edge表示canny算法提取的边缘点矩阵，num表示满足条件的采样点数，sum(.)表示求和操作，Th表示二值化的阈值。
[0018]进一步的，去噪后的列段集合具体为：
[0019]Col
seg
＝{Col,Row
up
,Row
down
,Row
mid
,Trend,Sort},Col
down
‑
Col
up
≥N
[0020]式中，Col
Seg
代表列段的集中的一个列段，Col代表列段所在列数，Row
up
代表列段所在行数上边界，Row
down
代表列段所在行数下边界，Roe
mid
代表列段中心所在行数，Trend代表相邻列段的双曲线趋势，初始状态为0，Sort代表列段双曲线的聚类标签，N表示接收波形宽度阈值。
[0021]进一步的，步骤4中根据目标双曲线的趋势特点，从步骤3得到的列段集合中聚类不同双曲线的列段簇具体为：
[0022]从左至右开始扫描列段集合中的列段，若当前列段处于初始状态，创建新的双曲线聚类标签，并搜索列段集中当前列段所在列的下一列是否存在满足趋势变化条件的列段，所述趋势变化条件包括：上升转为上升、下降转为下降、上升转为保持与上升转为下降，若存在满足条件的列段，则将当前列段的聚类标签赋值给下一列段，并根据变化趋势更新Trend；若不存在，则终止当前聚类标签扩展，并重新建立双曲线的聚类标签，并判断当前聚类标签的列段数，若低于阈值Num，则删除当前聚类标签；
[0023]若当前列段的下一列段同时存在上升与下降的趋势的列段，则建立新的聚类标签，并复制旧标签至新标签的聚类集合中，形成两个聚类标签集合。
[0024]进一步的，步骤5中采用受限的拟合算法对步骤4所得到的不同目标的双曲线列段簇进行双曲线拟合具体为：
[0025]双曲线为：
[0026]Ay2+Bt+Cx2+Dx+E＝0
[0027]根据步骤3得到的不同目标的列段集中的Row
mid
与Col进行双曲线参数的拟合；
[0028]地面耦合模式下的探地雷达探测的目标双曲线满足：
[0029][0030]式中，(x,y)表示双曲线上点的行列号，(x0,y0)表示目标所在点的行列号，dx表示探地雷达探测间隔，dt表示雷达采样点间隔时间，c表示光速，ε表示地下介质的介电常数，r表示地下管线的半径，通过以下条件限制拟合参数：
[0031][0032]式中，min
y
表示该聚类数据集中最小的y值，使用受限的拟合算法。
[0033]进一步的，步骤6中根据步骤5得到的双曲线参数反演出目标的位置、半径和地下介电常数具体为：
[0034][0035]式中，A、B、D、E是双曲线拟合参数，T
x
是目标横坐标，T
y
是目标纵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下目标识别定位与成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用原始的B扫描回波数据，采用均值法去除地表反射波与天线耦合波，突出地下目标的反射信息；步骤2：采用图像处理方法，将步骤1得到的回波图像转化为二值图像；步骤3：依据发射波形脉冲宽度从二值图像上构建列段集合，并根据ricker波的主瓣宽度，对列段集合进行去噪，得到去噪后的列段集合；步骤4：根据目标双曲线的趋势特点，从步骤3得到的列段集合中聚类含有不同目标对应的双曲线标签的列段簇；步骤5：根据地面耦合探地雷达探测地下目标的回波双曲线的特点，采用受限的拟合算法对步骤4所得到的不同目标的双曲线列段簇进行双曲线拟合；步骤6：根据步骤5得到的双曲线参数反演出目标的位置、半径和地下介电常数，并根据不同目标的特征向量的相似度进一步进行聚类；步骤7：根据步骤2和步骤6得到的二值图与地下介电常数，进行后投影成像，并进行伪影去除处理，得到地下目标图像。2.根据权利要求1所述的一种地下目标识别定位与成像方法，其特征在于：所述采用图像处理方法，将探地雷达B扫描图像转化为二值图像具体为：采用canny算法提取图像中目标双曲线的边缘，将回波波形ricker波的旁瓣作为标准，求取回波边缘上大于该标准的回波能量的均值，所述均值作为二值化的阈值，将回波图像二值化：式中，S(i,j)表示回波图像中第i行，第j列的幅值，R表示ricker波的旁瓣峰值，Edge表示canny算法提取的边缘点矩阵，num表示满足条件的采样点数，sum(.)表示求和操作，Th表示二值化的阈值。3.根据权利要求1所述的一种地下目标识别定位与成像方法，其特征在于：所述去噪后的列段集合具体为：Col
Seg
＝{Col,Row
up
,Row
down
,Row
mid
,Trend,Sort},Col
down
‑
Col
up
≥N式中，Col
Seg
代表列段的集中的一个列段，Col代表列段所在列数，Row
up
代表列段所在行数上边界，Row
down
代表列段所在行数下边界，Row
mid
代表列段中心所在行数，Trend代表相邻列段的双曲线趋势，初始状态为0，Sort代表列段双曲线的聚类标签，N表示接收波形宽度阈值。4.根据权利要求3所述的一种地下目标识别定位与成像方法，其特征在于：步骤4所述根据目标双曲线的趋势特点，从步骤3得到的列段集合中聚类不同双曲线的列段簇具体为：从左至右开始扫描列段集合中的列段，若当前列段处于初始状态，创建新的双曲线聚类标签，并搜索列段集中当前列段所在列的下一列是否存在满足趋势变化条件的列段，所述趋势变化条件包括：上升转为上升、下降转为下降、上升转为保持与上升转为下降，若存在满足条件的列段，则将当前列段的聚类标签赋值给下一列段，并根据变化趋势更新Trend；若不存在，则终止当前聚类标签扩展，并重新建立双曲线的聚类标签，并判断当前聚类标签的列段数，若低于阈值Num，则删除当前聚类标签；
若当前列段的下一列段同时存在上升与下降的趋势的列段，则建立新的聚类标签，并复制旧标签至新标签的聚类集合中，形成两个聚类标签集合。5.根据权利要求1所述的一种地下目标识别定位与成像方法，其特征在于：步骤5所述采用受限的拟合算法对步骤4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙骞，戴乾奇，刘思宇，叶方，田园，汤春瑞，姜弢，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：