一種基于雷達波的木質體內部異常無損探測系統的制作方法

本發明屬于木質體內部無損檢測領域，具體涉及一種基于雷達波的能夠對木質體內部結構及異常情況進行無損探測、定位識別，并實現截面成像的系統。

背景技術：

針對自然環境下生長的樹木，尤其是珍貴樹種，以及古建筑木質梁、柱，時有中空、腐朽、蟲蛀等現象發生，一般均從木質體內產生缺陷，難以察覺，長久可能造成無法挽回的損失的問題，因此在樹木及古建筑養護措施中實施快速準確的無損檢測方法尤為重要。在木質體無損探測領域內目前采用的方法主要有阻抗分析儀、超聲波、X射線CT掃描、應力波以及雷達波等。但大多數方法存在效率低、成本高、耗時、非完全無損的缺點。比如：應力波需要將釘子釘在各個測量點上，樹木針需將探針鉆入樹木，均對樹木造成不同程度的損傷，同時也增加檢測過程的繁瑣性；超聲波檢測技術易受外界的干擾，耦合劑可帶來材料污染的問題；計算機斷層掃描法(CT)設備成本過高，安全性上易造成對人體輻射性危害。相較于前述方法，雷達波對樹木內部缺陷檢測是一種真正意義上的無損檢測方法。雷達波檢測法具有非損傷式、無污染、可持續、安全性、檢測方便性的優點。

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)，是一種利用脈沖電磁波探測介質分布特征的地球物理方法，廣泛應用于道路質量檢測、地下埋藏物勘探、土壤研究等諸多領域，并且技術相當成熟。而探地雷達在樹木無損探測領域的研究，主要有對樹根分布的估計和樹根深度的檢測。其次，使用探地雷達對建筑行業中木質結構中的缺陷進行定位和判別；對建筑房梁上的腐朽，損壞探測的研究；對木材內的孔洞、腐朽、嵌入的鐵釘進行位置的測量。上述研究清晰的闡述了雷達波在樹木介質內傳播機理，并對木質結構體內的缺陷進行識別。但是這些研究都存在解釋困難、識別精度不高且無法對樹木內異常進行分層識別的問題。

技術實現要素：

基于上述現有技術所存在的問題，本發明提出了一種基于雷達波的木質體內部異常無損探測系統，能夠適應各種木質體被測對象的要求，對木質體的探測完全無損傷，可以實現對木質體內部異常的定位和成像。

一種基于雷達波的木質體內部異常無損探測系統包括：包括雷達檢測移動平臺、三維激光掃描儀、數據處理系統、成像軟件，技術方案主要包括以下步驟：

S1使用雷達波收發器發射雷達波穿透樹木內部并接收不同介質分層界面的響應回波，實時傳送或離線存儲雷達圖像，進行數據分析并識別成像；雷達波收發器沿樹木設定高度的截面切向運動，保持波形收發平面處于樹木表皮的切線位置，探測樹木平面不同位置的內部結構情況，獲取雷達波回波數據；

S2對所述獲取的雷達波回波數據進行初始化與預處理；

S3經預處理過的雷達波信號，采用特征分層識別定位技術(閾值法、匹配濾波器、希爾伯特積法)獲取木質體內部異常的時延信息，進而確定雷達波在介質層內傳播的時間；

S4采用逐層反演的方法估計各個層位的介電常數，進而獲取當前介質中的雷達波傳輸波速，根據S3獲得的回波時延和傳播時間，確定層位的厚度；

S5將計算得到的木質體內異常層位厚度的信息與不同樹木的數據庫進行比對，提高檢測精度；

S6樹木結構多為不規則柱體狀結構，為了實現樹木內部狀況的準確定位，可以用近似圓柱形和不規則柱體的方法來獲取樹木外部輪廓；

S7根據S5獲取的層位的定位信譽以及S6獲取的外輪廓三維空間信息，采用坐標轉換以及輪廓追蹤技術，實現對木質體內部異常的成像。

進一步地，雷達波頻率為900Mhz-1GHz，分辨率在2cm-2.3cm，探測深度0cm-63cm，適用于絕大多數直徑在35cm-105cm范圍內的樹木探測。

進一步地，對收到的雷達波回波數據進行初始化與預處理，包括以下內容：在雷達波檢測的過程中，收到的回波信號包括收發天線間直達波、目標反射波、外部干擾波等，雷達數據會出現低頻漂移、水平道間干擾、雜波信號干擾，需要濾除或壓制干擾信號以提取有用信號，對雷達掃描數據進行去除直達波、背景去除、滑動平均濾波等以去除雜波和噪聲，提高信噪比，以提高后續的內部異常分析的精度。

進一步地，雷達波接收端采用線性增益處理數據，對回波信號的損耗和衰減的補償。雷達波接收端數據處理時需要使用增益，用于回波信號的損耗和衰減的補償，進行信號增益處理要求環境中噪聲較少或者先進行濾波處理，否則進行信號增益處理時可能將這些噪聲放大。

進一步地，經預處理過的雷達波信號，采用特征分層識別定位技術(閾值法、匹配濾波器、希爾伯特積法)獲取木質體內部異常定位數據，包括以下步驟：

S31閾值法是通過比較所分析信號與固定先驗閾值之間的大小來判斷分目標信號是否存在，當檢測單道信號(A掃描)峰值大于閾值點則判定為檢測到反射層，反之沒有檢測到反射層；

S32匹配濾波器可以使雷達波信號輸出信噪比最大，利用匹配濾波器的脈沖響應對雷達回波信號進行匹配濾波，獲得濾波信號，尋找濾波信號中的最大值以及所對應的時間延遲；比較濾波信號中的最大值與閾值的關系，并記錄信號中大于閾值的點所對應的時間延遲，然后減去在帶寬內的初始信號；根據最大的時間延遲，可以推出層位每個層位的時間延遲；把被檢測到的探測波段回波信號內置為0，重復以上步驟，進而推斷出每個反射層位的信息；

S33希爾伯特積檢測法主要是對雷達回波信號做EMD分解，得到相應的IMF分量，對所有的IMF分量計算其點積，記作Pt，由于雷達回波信號包含正峰和負峰，使得接收信號由多峰脈沖組成，易造成虛假檢測；對信號進行窗函數的平滑處理，經過平滑處理后的信號記作Pt，比較Pt與閾值的大小；若信號中大于閾值的則判定為檢測到反射層，并計算相對應的時間延遲，反之沒有檢測到反射層。

進一步地，回波時延可用于確定雷達波在介質層內傳播的時間；介電常數用于獲取電磁波在層位間的傳播速度，根據速度和時間計算層厚Z：

其中，V_p是電磁波在介質中傳播速度，t是電磁波雙程的時間，ε′是相對介電常數，c是電磁波在真空中的傳播速度。

進一步地，根據反演的介電常數，與當前樹種的介電常數范圍進行比對，從而對當前層位進行識別和判斷異常。

進一步地，根據樹種和生長環境的區別，建立不同樹木的數據庫，對木質體內部的異常位置的定位與判斷采取自適應閾值的方式，提高檢測精度。

進一步地，采用三維激光掃描系統進行樹木輪廓定位以獲取樹木外部輪廓。

有益效果，本發明具有的優點包括：

1、采用本發明的層波反演方法，推算出木質體內部每層的介電常數，與樹木介電常數數據庫進行比對，使對內部異常區域的定位和識別更加準確；

2、采用本發明的雷達波分層定位和三維激光外輪廓掃描相結合的方法，可以有效實現樹木內部異常的檢測和定位，生成可視化圖像，解譯性強；

3、采用本發明的系統對存在于古樹或古建筑結構中的木構件進行完全無損壞現場的檢測，可保持文物現狀；

4、采用本發明的系統探測木構件內部缺陷，不會影響該構件的力學強度，準確性高、速度快；

5、采用本發明的系統可對古建筑木構件內部空洞、裂縫、腐朽等異常進行準確檢測，為古樹或木結構古建筑的保護和修繕方案的制定提供可靠的數據支持。

附圖說明

圖1是本發明的系統流程圖。

圖2是本發明所述雷達檢測移動平臺的示意圖。

圖3是本發明所述三維激光掃描儀的示意圖。

圖4是本發明所述成像軟件的界面圖。

圖5是本發明對木質體內部探測成像的效果圖。

圖1至圖4中：1.被測對象 2.雷達波收發器 3.可移動探測平臺 4.探測支架 5.三維激光掃描儀 6.顯示樹皮位置標記 7.顯示樹木內腐朽標記

圖5中：(a)頤和園古柳1(b)頤和園古柳2(c)頤和園古柳3(d)古柳1內部腐朽二維成像圖(e)古柳2內部腐朽二維成像圖(f)古柳3內部腐朽二維成像圖

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

本發明提出的基于雷達波的木質體內部異常識別方法，參照流程圖1，包括以下步驟：

結合附圖2對雷達波數據采集進行說明。雷達波收發器為介質耦合式探地雷達時，需要在設定高度貼緊樹皮進行掃描。首先通過計算機或手柄控制可移動探測平臺靠近被測對象，選擇一起點，將雷達波收發器平面垂直于某一圓周位置的切線，控制調節鎖緊裝置使雷達波收發器平面貼緊樹皮表面。掃描開始后，可移動探測平臺會沿樹木的圓周運動，每隔5mm發射一次雷達檢測波。產生的雷達波回波信號會存儲在車載控制板中，或者通過通訊系統實時發送到計算機上。

采集到的回波數據進行數據的預處理。雷達回波數據前期預處理主要采用：振幅增益，零點校正，噪聲去除。

振幅增益對于雷達回波信號是很有必要的。在探地雷達接收端數據處理時需要使用增益用于回波信號的損耗和衰減的補償。在進行信號增益處理前需要對A-Scan數據進行直流分量去除，以保證A-Scan數據是零均值的，防止接收時間較晚的數據產生明顯的直流偏移。進行信號增益處理要求環境中噪聲較少或者先進行濾波處理，否則進行信號增益處理時可能將這些噪聲放大。本發明采用的是線性增益處理，使來自樹木表皮和樹木內異常的回波信號變得更加明顯。衰減模型的函數形式如下：

雷達反射波信號的時間計算影響深度計算的精度，而探地雷達是根據反射波信號來確定目標的深度的。所以零點校正對于樹木樹皮位置的定位很必要。對于標定樹皮，即是判斷回波信號子波的相位和極性。本發明樹皮初至波定位于四分之一波長處。

雷達回波信號中噪聲將影響真實反射表面的判斷。噪聲干擾使用垂直高通濾波，垂直低通濾波進行去除。水平干擾信號具有低頻特性，使用垂直高通濾波器進行相應的處理。垂直高通濾波器的截止頻率設定為三分之一雷達天線的頻率(1/3×900MHz＝300MHz)。垂直低通濾波器可以降低高頻“雪花狀態”噪聲，該濾波器的值通常設定在兩倍的頻率天線(1800MHz)。濾波的過程也會增加一些非原始數據信號并造成部分原始信號失真。在濾波過程中，研究濾波后數據和原始數據，調整濾波參數盡量做到在去除雷達波原始數據中的雜波分量和環境噪聲信號的同時,保持雷達波數據中的界面反射信號波形不失真,提高原始信號的信噪比。

經預處理過的雷達波信號，采用特征分層識別定位技術(閾值法、匹配濾波器、希爾伯特積法)獲取木質體內部異常的時延信息；

閾值法是最常用的層介面檢測方法。閾值法是通過比較所分析信號與固定先驗閾值之間的大小來判斷分目標信號是否存在。當檢測單道信號(A掃描)峰值大于閾值點則判定為檢測到反射層，反之，沒有檢測到反射層。

匹配濾波器可以使雷達波信號輸出信噪比最大。匹配濾波器算法中，利用匹配濾波器的脈沖響應對雷達回波信號進行匹配濾波，獲得濾波信號。尋找濾波信號中的最大值以及所對應的時間延遲。比較濾波信號中的最大值與閾值的關系，并記錄信號中大于閾值的點所對應的時間延遲，然后減去在帶寬內的初始信號。根據最大的時間延遲，可以推出層位每個層位的時間延遲。把被檢測到的探測波段回波信號內置為0，重復以上步驟，進而推斷出每個反射層位的信息。

希爾伯特積檢測法主要是對雷達回波信號做經驗模態分解，得到相應的IMF分量，對所有 的IMF分量計算其點積，記作Pt.由于雷達回波信號包含正峰和負峰，使得接收信號由多峰脈沖組成，易造成虛假檢測。需要對信號進行窗函數的平滑處理。經過平滑處理后的信號記作Pt，比較Pt與閾值的大小。若信號中大于閾值的則判定為檢測到反射層，并計算相對應的時間延遲。反之，沒有檢測到反射層

以上三種檢測算法，都可以成功檢測出出木質體內部的不同層位所在的時間延遲信息。回波時延可用于確定雷達波在介質層內傳播的時間。木質體及其木質體內異常的介電常數與其含水率、紋理、密度的相互關系。木質體內部不同層位的介電常數都不相同，介電常數的精確性直接影響層位厚度估計的精準度。本發明采用逐層反演的方法估計各個層位的介電常數，來精確估計層位的厚度。

反射層位的厚度計算公式為

其中，V_p是電磁波在介質中傳播速度t是電磁波雙程的時間。

其中，ε′是相對介電常數。

附圖4(雷達波B掃描灰度圖)是軟件對木質體內部異常定位識別圖。

逐層反演法流程如下：對于沖激電磁波而言，接收到的回波信號模型，可以近似認為是各層界面反射波的疊加：

其中，x(t)是入射GPR脈沖，N是層界面數，A_i是每層界面的反射波幅值，n(t)是所加的高斯白噪聲，τ_i是第i層的雙程回波時間。反射波幅值A_i可以運用振幅比的方法求解介電常數。

對介質層間介電常數進行估計，第一層介質介電常數的估計公式：

第二層的介電常數估計公式為：

其中，A₁為第一層與第二層界面間的反射波幅度，A₂正第二層與第三層界面間的反射波幅度，A_m為雷達波對金屬板的全反射的回波幅值。

結合附圖3對木質體外輪廓信息的獲取進行解釋。本系統采用三維激光掃描系統進行樹木輪廓定位。三維激光掃描儀內部有激光發射裝置和激光探測裝置,兩個步進電機控制激光光束在水平方向和垂直方向的移動。掃描儀發射一束激光,該光束遇到障礙物則發生反射,掃描儀中的激光探測器探測到反射光,完成一個掃描點的測量。通過測出激光發射與接收之間的時間差T，計算出激光傳播的距離，即可獲得空間物體的表面三維坐標。樹木通過激光掃描測量的方法，可以快速地獲取被測目標表面的三維坐標數據，從而得到樹木外輪廓數據。

結合附圖5實現木質體內部異常結構成像進行說明。根據獲取的層位的定位信息以及獲取的外輪廓三維空間信息，采用坐標轉換以及輪廓追蹤技術，實現對木質體內部結構異常的成像。