1.一种基于探地雷达原始数据的路面病害区域判断方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一,雷达数据采集:选取存在脱空病害的路段作为采样路段,使用探地雷达对采样路段进行GPR数据采集,获取数据集S,采集过程中在GPR数据采集软件里面对路面中发生脱空的路段进行标记;
步骤二,GPR信号重采样处理,将数据集S的行数重采样为数据集矩阵A;
步骤三,GPR数据A预处理:对GPR数据A进行处理,包括静矫正,Z‑score标准化和背景去除;
步骤四,将经过步骤三预处理后的GPR数据导出为矩阵X,矩阵元素为雷达波形数据,矩阵维数为m×n,m为GPR数据处理后每道A‑scan波形的采样点数,n为GPR采集的数据中包含的A‑scan样本的数量;
步骤五,设置卷积核C:卷积核C为u×v矩阵,u为步骤四中GPR数据矩阵中一道A‑scan数据中单个雷克子波的占据采样点数,v为卷积核一次判定A‑scan的道数,卷积核C各列向量设置为雷克子波主峰及旁瓣区域的等间距采样数据,雷克子波表达式为f0为天线发射频率,t为时间,t∈[‑q,q],对 若一个雷克子波采样
点为3,卷积核每次卷积3道A‑scan,即u=3,v=3,则卷积核内数据为
在卷积核的各行乘以分布权重系数G(x),此时卷积核C中
的数据为
步骤六,卷积计算:将步骤四获得的GPR数据矩阵X与步骤五中设计的卷积核C进行卷积运算,步长取p,将循环中每次卷积结果输出至判别矩阵F;
步骤七,设定脱空临界阈值:分析对比步骤六中获得的判别矩阵F的全局数据分布情况,设定脱空临界阈值;
步骤八,GPR脱空数据判别:将步骤六中获得的判别矩阵F每一列的绝对值最大值与步骤七中设定的阈值进行比较,若小于等于该阈值则将该列对应A‑scan设定为正常,对应列的A‑scan给出0的判断结果,大于阈值则将该列对应A‑scan设定为脱空,对应列的A‑scan给出1的判断结果,并返回判断矩阵F中该列A‑scan的最大值对应的索引,换算为深度信息,该索引所对应的判断矩阵中的数值为正时,将该列A‑scan数据标记为空气脱空,为负则标记为含水区域。
2.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达原始数据的路面病害区域判断方法,其特征在于,步骤一中,采用地面耦合天线雷达进行路面的无损检测,探地雷达的天线频率≥
500MHz,采样间距≤50mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达原始数据的路面病害区域判断方法,其特征在于,步骤二中,对不同设备、不同天线频率采集的GPR信号进行重采样处理,重采样后获得的数据矩阵具有统一的行数。
4.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达原始数据的路面病害区域判断方法,其特征在于,步骤三中,对雷达数据进行静矫正和Z‑score标准化处理:静矫正将地面位置对应到B‑scan第一行数据,后续病害对应的采样点可以更准确的映射到实际位置;
Z‑score标准化将B‑scan每列的数据进行标准化,消除探地雷达电子元器件在正常工作时静态工作点偏离零点的影响,并且对于不同厂家及天线的GPR数据,其处理后的数据范围被缩放至(‑10,10),有助于后续识别方法的统一,Z‑score标准化的公式如式(1)所示:式中,i为A‑scan的第i个采样点,Xi为标准化前单道A‑scan各采样值,μ为样本均值,σ为样本标准差,Yi为标准化后数据;
背景去除:使用公式(2),将B‑scan每行的数据减去该行数据的平均值,用于提高雷达数据中的病害区域的特征,去除雷达信号的背景干扰,可以对直达波以及其他杂波进行抑制,凸显目标信号:X[i,:]=B[i,:]‑mean(B[i,:]) (2)
式中,B为背景去除前的GPR数据矩阵,X为背景去除后的GPR数据矩阵,mean为求取矩阵的平均值函数。
5.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达原始数据的路面病害区域判断方法,其特征在于,步骤六中,判别矩阵F的维度为 其中m为GPR数据处理后每道A‑scan波形的采样点数,n为GPR采集的数据中包含的A‑scan样本的数量,其中u为步骤四中GPR数据矩阵中一道A‑scan数据中单个雷克子波占据采样点数,其中v为卷积核卷积运算一次需要判定的A‑scan数量,其中p为卷积计算的步长。
6.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达原始数据的路面病害区域判断方法,其特征在于,步骤七中,根据步骤六卷积计算得到的判断矩阵F中数据的绝对值数据矩阵,人工选择脱空区域,并根据卷积结果设定脱空临界阈值。
7.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达原始数据的路面病害区域判断方法,其特征在于,步骤八中,将判断矩阵每一列A‑scan数据与阈值对比判断得到的结果0和1按照雷达图谱的原采样点坐标,以雷达图谱为背景基础,进行绘图,其中1代表脱空病害区域,0代表正常区域,最终在雷达图谱上表现为若干线框,线框区域与脱空病害区域重合部分越多,则阈值设定的可行性以及准确性越高。
8.根据权利要求4所述的一种基于探地雷达原始数据的路面病害区域判断方法,其特征在于,步骤五中,卷积核C的各行数据相乘的分布权重系数,以高斯权重系数为例,也可以为其他可以改变卷积核各行数据分布情况的分布系数。