技术领域
[0001] 本
发明属于探地雷达测量技术领域，尤其涉及一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法。
背景技术
[0002] 道路工程是指以道路为对象而进行的规划、设计、施工、养护与管理工作的全过程及其所从事的工程实体。同其他任何
门类的
土木工程一样，道路程具有明显的技术、经济和管理等方面的特性。路基既是路线的主体，又是路面的
基础，并与路面共同承受车辆荷载。路基按其断面的填挖情况分为路堤式、路堑式、半填半挖式三类。路肩是路面两侧路基边缘以内地带，用以支护路面、供临时停靠车辆或行人步行之用。路基土石方工程按开挖的难易分为土方工程(松土、普通土、硬土三级)与石方工程(软石、次坚石、坚石三级)。然而，现有探地雷达容易受噪声影响测量数据的准确性；同时现有探地雷达建模忽略了天线对雷达
信号的影响；模型的使用范围受限，主要是被探测目标(分层媒质，例如公路)必须位于探地雷达系统的远场，即离雷达较远，这样增加了雷达信号的扩散损失，降低了
信噪比，从而严重影响了测量
精度。
[0004] 现有探地雷达容易受噪声影响测量数据的准确性；同时现有探地雷达建模忽略了天线对雷达信号的影响；模型的使用范围受限，主要是被探测目标(分层媒质，例如公路)必须位于探地雷达系统的远场，即离雷达较远，这样增加了雷达信号的扩散损失，从而严重影响了测量精度。
[0005] 现有技术的混凝土的
电磁波速度数据获得的数值准确性差。
[0006] 现有技术获得混凝土垫层准确厚度h数据准确性低。
发明内容
[0007] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法。
[0008] 本发明是这样实现的，一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法，包括：
[0009] 通过
数据采集模
块采用剖面法探测项目区道路工程雷达图像，通过现场道路取芯情况对电磁
波速度进行修正，得到特定配比下的混凝土的电磁波速度为v2数据；具体包括：
[0010] 1)探测的项目区道路工程雷达图像时频重叠MASK的信号模型为：
[0011]
[0012] 其中，N为时频重叠信号的信号分量个数，n(t)是加性高斯白噪声，si(t)为时频重叠信号的信号分量，表示为 式中Ai表示信号分量的幅度，ai(m)表示信号分量的码元符号，p(t)表示成型滤波函数，Ti表示信号分量的码元周期，fci表示信号分量的载波
频率， 表示信号分量的
相位；
[0013] 对 进行非线性变换，
[0014] 得到：y(t)为：
[0015] y(t)＝x(t)+n(t)；
[0016] 其中，x(t)为数字调制信号，n(t)为服从标准SαS分布的脉冲噪声，x(t)的解析形式表示为：
[0017]
[0018] 其中，N为
采样点数，an为发送的信息符号，在MASK信号中，an＝0，1，2，…，M-1，M为调制阶数，an＝ej2πε/M，ε＝0,1,2,…,M-1，g(t)表示矩形成型脉冲，Tb表示符号周期，fc表示
载波频率，载波初始相位 是在[0,2π]内均匀分布的随机数；
[0019] 2)构造n个信号的多径空间为：
[0020]
[0021] 其中， Q为采样点数，K为最大时延，由最大探测距离Rmax/c得到，其中xreci(t)为参考信号，Rmax为最大探测距离，c为光速；
[0022] 3)然后利用最小二乘法原理抑制直达波及其多径，将求min||Ssur-Xref·α||2转化为求 得出：
[0023] 代入αestim，解得：
[0024]
[0025] 其中，Ssur为回波通道信号，α为自适应权值，αestim为α的估计值， 为Xref的转置，Sother为回波通道中最终所剩的回波和噪声；
[0026] 主控模块通过数据去噪模块对探地雷达数据进行去噪处理；通过厚度测量模块在EKKO-Project
软件中通过增益减益处理分清项目区道路的表层与垫层，测量在电磁波速度v2下的道路平整度与混凝土垫层厚度h；
[0027] 混凝土垫层厚度h的数据测量中，需对厚度h误差参数进行处理，具体包括：
[0028] 利用傅里叶逆变换，将频域测得的
散射参数变换到时域，得到时域冲击响应，反射参数对应时域反射响应，传输参数对应时域传输响应；
[0029] 根据反射响应和传输响应中前两个脉冲在时间轴上的
位置，分别构造四个时域选通函数；
[0030] 利用选通函数，对时域的反射响应和传输响应进行选通，分别提取出反射响应和传输响应中的前两个脉冲；
[0031] 将时域选通后的时域脉冲分别通过傅里叶变换，得到频域选通数据；
[0032] 频域选通数据中包含EKKO-Project软件中被测混凝土垫层的信息，利用得到的信息，根据公式构造补偿因子Fcf(i)；利用下面的公式，构造补偿因子Fcf(i)：
[0033]
[0034]
[0035] (i＝1,2…)
[0036] G1(i)～G4(i)是在上步中得到的频域选通数据；
[0037] R(i)是比率因子；
[0038] Fcf(i)补偿因子；
[0039] 利用遮蔽补偿公式，得到没有遮蔽误差的反射参数FS11(i)和传输参数FS21(i)；
[0040] 通过建模模块构建探地雷达系统的模型；通过数据存储模块存储探地雷达测量的数据信息；
[0041] 进一步，所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法还包括：
[0042] 通过参数设置模块设置雷达参数：雷达频率250MHz；时窗36ns；电磁波速度v1＝0.1m/ns；
[0043] 通过显示模块显示探地雷达测量的厚度数据信息。
[0044] 进一步，利用下面的遮蔽补偿公式，得到没有遮蔽误差的反射参数FS11(i)和传输参数FS21(i)：
[0045]
[0046]
[0047] (i＝1,2…)。
[0048] 进一步所述数据去噪模块去噪方法包括：
[0049] (1)对于原始探地雷达数据，截取其前k纳秒内的数据并确定数据的标准道，k为大于0的实数；
[0050] (2)对于任一扫描道，计算该扫描道与标准道在前k纳秒内的互相关函数并取其最大值；
[0051] (3)根据步骤(2)遍历所有扫描道，得到由各扫描道互相关函数最大值组成的初至曲线L，进而计算出初至曲线L的均方根高D；
[0052] (4)根据以下公式计算出与相干噪声对应的奇异值个数N；N＝ROUND{0.2634D+1.3086}其中：ROUND{}为向上取整函数；
[0053] (5)对原始探地雷达数据进行奇异值分解，剔除奇异值分解后的前N个数据成分，将剩余数据成分重新合成后即完成去噪过程。
[0054] 进一步，建模模块构建方法包括：
[0055] 对探地雷达系统在近场条件下的工作过程进行抽象，并设置模型参数，描绘出雷达系统的工作
框图；
[0056] 利用雷达系统的工作框图，得到基于模型参数描述的探地雷达工作原理的方程；
[0057] 进行模型参数校准实验，基于探地雷达工作原理的方程，采用不同高度的测量值构建关于模型参数的一组方程组；
[0058] 求解关于模型参数的方程组，得到探地雷达系统的模型；
[0059] 所述模型参数为雷达系统的特性参数，该特性参数包括：发射天线的特性参数、接收天线的特性参数、发射天线和接收天线间相互耦合作用的参数、接收天线与目标之间多次反射作用的参数；
[0060] 所述基于模型参数描述的探地雷达工作原理的方程，满足：
[0061]
[0062] 其中，S(ω)表示发射信号和接收信号的比值；a(ω)表示雷达发射的某一频率的信号；b(ω)表示雷达接收到的该频率的信号；ω表示
角频率；T0(ω)表示发射天线与接收天线间相互耦合作用的参数；Ts表示接收天线的特性参数向量；IN表示单位矩阵；Ti表示发射天线的特性参数向量；G，G0均为电偶极子在分层媒质中的格林函数矩阵，其中，G表示电磁波的发射点与接收点存在偏置，称为单偏置格林函数；G0表示电磁波的发射点与接收点重合，称为零偏置格林函数；Rs表示接收天线与目标之间的多次反射作用的参数矩阵。
[0063] 本发明的另一目的在于提供一种实现所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法的
计算机程序。
[0064] 本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端至少搭载实现所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法的
控制器。
[0065] 本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法。
[0066] 本发明的另一目的在于提供一种探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析系统包括：
[0067] 参数设置模块：与主控模块连接，用于设置雷达参数；
[0068] 数据采集模块：与主控模块连接，用于探测项目区道路工程雷达图像，通过现场道路取芯情况对电磁波速度进行修正，得到特定配比下的混凝土的电磁波速度为v2的数据；
[0069] 主控模块：与参数设置模块、数据采集模块、数据去噪模块、厚度测量模块、建模模块、数据存储模块、显示模块连接，用于控制各个模块正常工作；
[0070] 数据去噪模块：与主控模块连接，用于对探地雷达数据进行去噪处理；
[0071] 厚度测量模块：与主控模块连接，用于在EKKO-Project软件中通过增益减益处理分清项目区道路的表层与垫层，测量在电磁波速度v2下的道路平整度与混凝土垫层厚度h；
[0072] 建模模块：与主控模块连接，用于构建探地雷达系统的模型；
[0073] 数据存储模块：与主控模块连接，用于存储探地雷达测量的数据信息；
[0074] 显示模块：与主控模块连接，用于通过显示屏显示探地雷达测量的厚度数据信息。
[0075] 本发明的另一目的在于提供一种探测道路工程混凝土垫层厚度的设备，所述探测道路工程混凝土垫层厚度的设备至少搭载所述的探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析系统。
[0076] 本发明的优点及积极效果为：
[0077] 本发明通过数据去噪模块将探地雷达数据利用奇异值分解成一系列与不同奇异值对应的数据成分，以便于根据不同信号或噪声类型单独处理数据；然后利用探地雷达数据的初至同相轴近似探测对象表面起伏状况，同时计算初至同相轴的均方根高；最后将均方根高作为自动判断与相干噪声对应的奇异值的依据，从而达到自动去除相干噪声的目的，避免了基于SVD分解方法需要人为判断奇异值的麻烦，直接根据均方根高参数来判断奇异值，既准确又省时；同时通过建模模块将探地雷达系统在近场条件下的工作过程和特点进行抽象，将探地雷达系统的收、发天线采用一组电偶极子表示，天线的增益、损耗、
相位延迟以及收、发天线间的耦合等特性采用一组只与频率有关的函数表示，建立物理参数，并描述雷达系统的工作框图，根据不同高度下测量得到的物理参数关系方程建立用来求解模型参数的目标函数，并采用最优化进行求解，在求解过程中考虑到有些物理参数之间存在约束关系，据此简化了求解的未知物理参数的个数，而且初始值按照电偶极子不同的几何分布采用不同的计算方式，得到的探地雷达模型考虑了天线对雷达信号的影响，能够准确模拟出雷达信号在分层媒质中的传播过程，该模型的适用范围
覆盖远场和近场，为利用探地雷达对分层媒质的特性进行准确的检测提供了有
力的理论模型。
[0078] 通过数据采集模块采用剖面法探测项目区道路工程雷达图像，通过现场道路取芯情况对电磁波速度进行修正，得到特定配比下的混凝土的电磁波速度为v2数据；探测的项目区道路工程雷达图像时频重叠MASK的信号模型为：
[0079]
[0080] 其中，N为时频重叠信号的信号分量个数，n(t)是加性高斯白噪声，si(t)为时频重叠信号的信号分量，表示为 式中Ai表示信号分量的幅度，ai(m)表示信号分量的码元符号，p(t)表示成型滤波函数，Ti表示信号分量的码元周期，fci表示信号分量的载波频率， 表示信号分量的相位；并进行非线性变换后，可获得混凝土的电磁波速度v2准确数据，相比于现有技术提高很多。
[0081] 本发明主控模块通过数据去噪模块对探地雷达数据进行去噪处理；通过厚度测量模块在EKKO-Project软件中通过增益减益处理分清项目区道路的表层与垫层，测量在电磁波速度v2下的道路平整度与混凝土垫层厚度h；
[0082] 混凝土垫层厚度h的数据测量中，需对厚度h误差参数进行处理，利用傅里叶逆变换，将频域测得的散射参数变换到时域，得到时域冲击响应，反射参数对应时域反射响应，传输参数对应时域传输响应；
[0083] 根据反射响应和传输响应中前两个脉冲在时间轴上的位置，分别构造四个时域选通函数；
[0084] 利用选通函数，对时域的反射响应和传输响应进行选通，分别提取出反射响应和传输响应中的前两个脉冲；
[0085] 将时域选通后的时域脉冲分别通过傅里叶变换，得到频域选通数据；上述方法的运行，可获得混凝土垫层准确厚度h，相比于现有技术数据准确性提高很多。
附图说明
[0086] 图1是本发明实施提供的探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法
流程图。
[0087] 图2是本发明实施提供的探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析系统结构框图。
[0088] 图中：1、参数设置模块；2、数据采集模块；3、主控模块；4、数据去噪模块；5、厚度测量模块；6、建模模块；7、数据存储模块；8、显示模块。
具体实施方式
[0089] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0090] 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0091] 如图1所示，本发明实施例提供的探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析系统及分析方法包括以下步骤：
[0092] S101通过参数设置模块设置雷达参数：雷达频率250MHz；时窗36ns；电磁波速度v1＝0.1m/ns；
[0093] S102通过数据采集模块采用剖面法探测项目区道路工程雷达图像，通过现场道路取芯情况对电磁波速度进行修正，得到特定配比下的混凝土的电磁波速度为v2数据；
[0094] S103主控模块通过数据去噪模块对探地雷达数据进行去噪处理；通过厚度测量模块在EKKO-Project软件中通过增益减益处理分清项目区道路的表层与垫层，测量在电磁波速度v2下的道路平整度与混凝土垫层厚度h；
[0095] S104通过建模模块构建探地雷达系统的模型；通过数据存储模块存储探地雷达测量的数据信息；
[0096] S105通过显示模块显示探地雷达测量的厚度数据信息。
[0097] 如图2所示，本发明提供的探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析系统包括：参数设置模块1、数据采集模块2、主控模块3、数据去噪模块4、厚度测量模块5、建模模块6、数据存储模块7、显示模块8。
[0098] 参数设置模块1：与主控模块3连接，用于设置雷达参数。其中，雷达频率250MHz，时窗36ns，电磁波速度v1＝0.1m/ns；
[0099] 数据采集模块2：与主控模块3连接，用于探测项目区道路工程雷达图像，通过现场道路取芯情况对电磁波速度进行修正，得到特定配比下的混凝土的电磁波速度为v2数据；
[0100] 主控模块3：与参数设置模块1、数据采集模块2、数据去噪模块4、厚度测量模块5、建模模块6、数据存储模块7、显示模块8连接，用于控制各个模块正常工作；
[0101] 数据去噪模块4：与主控模块3连接，用于对探地雷达数据进行去噪处理；
[0102] 厚度测量模块5：与主控模块3连接，用于在EKKO-Project软件中通过增益减益处理分清项目区道路的表层与垫层，测量在电磁波速度v2下的道路平整度与混凝土垫层厚度h；
[0103] 建模模块6：与主控模块3连接，用于构建探地雷达系统的模型；
[0104] 数据存储模块7：与主控模块3连接，用于存储探地雷达测量的数据信息；
[0105] 显示模块8：与主控模块3连接，用于通过显示屏显示探地雷达测量的厚度数据信息。
[0106] 本发明提供的数据去噪模块4，去噪方法如下：
[0107] (1)对于原始探地雷达数据，截取其前k纳秒内的数据并确定数据的标准道，k为大于0的实数；
[0108] (2)对于任一扫描道，计算该扫描道与标准道在前k纳秒内的互相关函数并取其最大值；
[0109] (3)根据步骤(2)遍历所有扫描道，得到由各扫描道互相关函数最大值组成的初至曲线L，进而计算出初至曲线L的均方根高D；
[0110] (4)根据以下公式计算出与相干噪声对应的奇异值个数N；N＝ROUND{0.2634D+1.3086}其中：ROUND{}为向上取整函数；
[0111] (5)对原始探地雷达数据进行奇异值分解，剔除奇异值分解后的前N个数据成分，将剩余数据成分重新合成后即完成去噪过程。
[0112] 本发明提供的建模模块6构建方法如下：
[0113] 首先，对探地雷达系统在近场条件下的工作过程进行抽象，并设置模型参数，描绘出雷达系统的工作框图；
[0114] 其次，利用雷达系统的工作框图，得到基于模型参数描述的探地雷达工作原理的方程；
[0115] 然后，进行模型参数校准实验，基于探地雷达工作原理的方程，采用不同高度的测量值构建关于模型参数的一组方程组；
[0116] 最后，求解关于模型参数的方程组，得到探地雷达系统的模型。
[0117] 本发明提供的模型参数为雷达系统的特性参数，该特性参数包括：发射天线的特性参数、接收天线的特性参数、发射天线和接收天线间相互耦合作用的参数、接收天线与目标之间多次反射作用的参数。
[0118] 本发明提供的基于模型参数描述的探地雷达工作原理的方程，满足：
[0119]
[0120] 其中，S(ω)表示发射信号和接收信号的比值；a(ω)表示雷达发射的某一频率的信号；b(ω)表示雷达接收到的该频率的信号；ω表示角频率；T0(ω)表示发射天线与接收天线间相互耦合作用的参数；Ts表示接收天线的特性参数向量；IN表示单位矩阵；Ti表示发射天线的特性参数向量；G，G0均为电偶极子在分层媒质中的格林函数矩阵，其中，G表示电磁波的发射点与接收点存在偏置，称为单偏置格林函数；G0表示电磁波的发射点与接收点重合，称为零偏置格林函数；Rs表示接收天线与目标之间的多次反射作用的参数矩阵。
[0121] 下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
[0122] 本发明实施例提供探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法，包括：
[0123] 通过数据采集模块采用剖面法探测项目区道路工程雷达图像，通过现场道路取芯情况对电磁波速度进行修正，得到特定配比下的混凝土的电磁波速度为v2数据；具体包括：
[0124] 1)探测的项目区道路工程雷达图像时频重叠MASK的信号模型为：
[0125]
[0126] 其中，N为时频重叠信号的信号分量个数，n(t)是加性高斯白噪声，si(t)为时频重叠信号的信号分量，表示为 式中Ai表示信号分量的幅度，ai(m)表示信号分量的码元符号，p(t)表示成型滤波函数，Ti表示信号分量的码元周期，fci表示信号分量的载波频率， 表示信号分量的相位；
[0127] 对 进行非线性变换，
[0128] 得到：y(t)为：
[0129] y(t)＝x(t)+n(t)；
[0130] 其中，x(t)为数字调制信号，n(t)为服从标准SαS分布的脉冲噪声，x(t)的解析形式表示为：
[0131]
[0132] 其中，N为采样点数，an为发送的信息符号，在MASK信号中，an＝0，1，2，…，M-1，M为j2πε/M调制阶数，an＝e ，ε＝0,1,2,…,M-1，g(t)表示矩形成型脉冲，Tb表示符号周期，fc表示载波频率，载波初始相位 是在[0,2π]内均匀分布的随机数；
[0133] 2)构造n个信号的多径空间为：
[0134]
[0135] 其中， Q为采样点数，K为最大时延，由最大探测距离Rmax/c得到，其中xreci(t)为参考信号，Rmax为最大探测距离，c为光速；
[0136] 3)然后利用最小二乘法原理抑制直达波及其多径，将求min||Ssur-Xref·α||2转化为求 得出：
[0137] 代入αestim，解得：
[0138]
[0139] 其中，Ssur为回波通道信号，α为自适应权值，αestim为α的估计值， 为Xref的转置，Sother为回波通道中最终所剩的回波和噪声；
[0140] 主控模块通过数据去噪模块对探地雷达数据进行去噪处理；通过厚度测量模块在EKKO-Project软件中通过增益减益处理分清项目区道路的表层与垫层，测量在电磁波速度v2下的道路平整度与混凝土垫层厚度h；
[0141] 混凝土垫层厚度h的数据测量中，需对厚度h误差参数进行处理，具体包括：
[0142] 利用傅里叶逆变换，将频域测得的散射参数变换到时域，得到时域冲击响应，反射参数对应时域反射响应，传输参数对应时域传输响应；
[0143] 根据反射响应和传输响应中前两个脉冲在时间轴上的位置，分别构造四个时域选通函数；
[0144] 利用选通函数，对时域的反射响应和传输响应进行选通，分别提取出反射响应和传输响应中的前两个脉冲；
[0145] 将时域选通后的时域脉冲分别通过傅里叶变换，得到频域选通数据；
[0146] 频域选通数据中包含EKKO-Project软件中被测混凝土垫层的信息，利用得到的信息，根据公式构造补偿因子Fcf(i)；利用下面的公式，构造补偿因子Fcf(i)：
[0147]
[0148]
[0149] (i＝1,2…)
[0150] G1(i)～G4(i)是在上步中得到的频域选通数据；
[0151] R(i)是比率因子；
[0152] Fcf(i)补偿因子；
[0153] 利用遮蔽补偿公式，得到没有遮蔽误差的反射参数FS11(i)和传输参数FS21(i)；
[0154] 通过建模模块构建探地雷达系统的模型；通过数据存储模块存储探地雷达测量的数据信息；
[0155] 所述探地雷达快速探测道路工程混凝土垫层厚度分析方法还包括：
[0156] 通过参数设置模块设置雷达参数：雷达频率250MHz；时窗36ns；电磁波速度v1＝0.1m/ns；
[0157] 通过显示模块显示探地雷达测量的厚度数据信息。
[0158] 利用下面的遮蔽补偿公式，得到没有遮蔽误差的反射参数FS11(i)和传输参数FS21(i)：
[0159]
[0160]
[0161] (i＝1,2…)。
[0162] 在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、
硬件、
固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、
计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个
网站站点、计算机、
服务器或
数据中心通过有线(例如同轴
电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、
微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是
磁性介质，(例如，
软盘、
硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者
半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
[0163] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
