一種探地雷達單道電磁波譜三維定位方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種探地雷達單道電磁波譜三維定位方法，包括發(fā)射電磁波的探地雷達天線，所述方法包括：步驟(1)獲取任意時刻探地雷達天線的三維位置與位姿信息；步驟(2)通過某一時刻的探地雷達天線的三維位置與位姿信息對所述對應(yīng)時刻探地雷達發(fā)射的電磁波譜進行三維顯示校正，獲得任意時刻探地雷達發(fā)射電磁波的三維空間信息。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明使探地雷達單道波譜實現(xiàn)了三維空間上的精確顯示，能夠發(fā)映出雷達波譜因雷達天線的位置姿態(tài)變化而引起的相應(yīng)發(fā)射角、探測方向等變化信息，使得在顯示過程中能夠精確體現(xiàn)出雷達天線發(fā)射電磁波準(zhǔn)確的探測位置，提高了雷達波譜圖整體的成像精確度，有利于對地下目標(biāo)探測物的精確測量。
【專利說明】一種探地雷達單道電磁波譜三維定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及探地雷達電磁波譜無損探測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及利用機器視覺獲取 探地雷達天線位置與位姿信息進而進行準(zhǔn)確的單道電磁波三維空間定位和顯示的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 地球的淺表層是支持眾多生物繁衍生息的地質(zhì)層。它含有豐富的地球資源，如礦 物、地下水、土壤及其他沉積物。隨著科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)展，人們對自然界的認(rèn)識日益深 化，這使得對地下環(huán)境的探索與認(rèn)識需求不斷的增長并更加的迫切。探地雷達作為一種無 損對地檢測手段，利用多頻電磁波譜以脈沖形式對地表之下相關(guān)目標(biāo)進行探測。在土壤、泥 炭地探測和植物體監(jiān)測、地下水資源研究、地下污染物的定量監(jiān)測、洞穴動物的探測、在風(fēng) 蝕沙丘探測、海岸環(huán)境研究、在河流沉積學(xué)中應(yīng)用、冰川和冰層探測、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測等方面 具有廣闊的應(yīng)用。
[0003] 在探地雷達成像技術(shù)中，單道電磁波譜的準(zhǔn)確顯示對于地下目標(biāo)的準(zhǔn)確判讀與雷 達波譜圖的正確解譯具有重要意義。目前，探地雷達的單道波譜形成中，并未有單道電磁波 譜圖像的三維信息，而事實上探地雷達對地下探測物的探測精度恰恰建立在單道電磁波譜 的三維精確定位之上，這對于探地雷達對目標(biāo)探測物的精確測量具有較大影響。特別是探 地雷達天線在行進過程中，由于地表的不平，探地雷達的天線并不能夠時時保持同樣的姿 態(tài)對地進行探測，而目前的二維波譜顯示方法中卻不能顯示因探地雷達天線位姿變化所帶 來的單道波譜信號對應(yīng)性位姿變化信息，而是假設(shè)雷達天線在運動過程中時刻保持相同運 行姿態(tài)。因而，目前探地雷達形成的二維譜圖中時刻認(rèn)為發(fā)射的電磁波一直射向位于雷達 天線所在位置的垂直正下方。而事實上，由于地表的不平或者其它因素，探地雷達天線的姿 態(tài)很難保持一種絕對不變的姿態(tài)在運行。特別是當(dāng)雷達天線在測量過程中，出現(xiàn)較大的姿 態(tài)變化時，原有方法已不能準(zhǔn)確顯示因雷達天線姿態(tài)發(fā)生變化而電磁波發(fā)射角發(fā)生的相應(yīng) 變化，這對地下探測物的探測帶來很大的誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種可以對單道雷達波譜 進行準(zhǔn)確三維顯示的探地雷達單道電磁波譜三維定位方法。
[0005] -種探地雷達單道電磁波譜三維定位方法，包括發(fā)射電磁波的探地雷達天線，所 述方法包括如下步驟（1)至步驟（2) :
[0006] 步驟（1)、獲取任意時刻探地雷達天線的三維位置與位姿信息；
[0007] 步驟（2)、通過某一時刻的探地雷達天線的三維位置與位姿信息對所述對應(yīng)時刻 探地雷達發(fā)射的電磁波譜進行三維顯示校正，獲得任意時刻探地雷達發(fā)射電磁波的三維空 間信息。
[0008] 進一步地，所述步驟（1)獲取任意時刻探地雷達天線的三維位置與位姿信息包括 如下步驟（1. 1)至步驟（1. 3):
[0009] (1. 1)包括相對位置已經(jīng)確定的第一圖像采集設(shè)備和第二圖像采集設(shè)備，當(dāng)探地 雷達天線在地表運動時，第一圖像采集設(shè)備和第二圖像采集設(shè)備保持靜止并分別采集探地 雷達天線在任意時刻運動的圖像信息，每一時刻對應(yīng)一幀圖像；
[0010] (1. 2)根據(jù)第一圖像采集設(shè)備和第二圖像采集設(shè)備的相對位置信息，以及根據(jù)第 一圖像采集設(shè)備和第二圖像采集設(shè)備分別采集的探地雷達天線在任意時刻運動的圖像信 息獲取的探地雷達天線的二維坐標(biāo)信息，通過二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系獲取探地雷 達天線的三維坐標(biāo)；
[0011] (1. 3)利用圖像處理方法根據(jù)所述探地雷達天線的三維坐標(biāo)確定每一幀圖像中探 地雷達天線的位置與姿態(tài)信息。
[0012] 更進一步地，所述步驟（1. 2)具體為：通過第一圖像采集設(shè)備和第二圖像采集設(shè) 備分別采集的探地雷達天線的運動圖像，以同時獲得探地雷達某一特征點分別在兩個圖像 采集設(shè)備形成圖像的對應(yīng)坐標(biāo)，并通過這兩個坐標(biāo)，利用二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系 構(gòu)成兩個方程，獲得該特征點的三維坐標(biāo)。步驟（1.2)中獲取探地雷達天線三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn) 換關(guān)系為：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種探地雷達單道電磁波譜三維定位方法，包括發(fā)射電磁波的探地雷達天線，其特 征在于，所述方法包括如下步驟： 步驟（1)、獲取任意時刻探地雷達天線的三維位置與位姿信息； 步驟（2)、通過某一時刻的探地雷達天線的三維位置與位姿信息對所述對應(yīng)時刻探地 雷達發(fā)射的電磁波譜進行三維顯示校正，獲得任意時刻探地雷達發(fā)射電磁波的三維空間信 肩、。
2. 如權(quán)利要求1所述的探地雷達單道電磁波譜三維定位方法，其特征在于：所述步驟 (1)獲取任意時刻探地雷達天線的三維位置與位姿信息包括如下步驟： (1. 1)包括相對位置已經(jīng)確定的第一圖像采集設(shè)備和第二圖像采集設(shè)備，當(dāng)探地雷達 天線在地表運動時，第一圖像采集設(shè)備和第二圖像采集設(shè)備保持靜止并分別采集探地雷達 天線在任意時刻運動的圖像信息，每一時刻對應(yīng)一幀圖像； (1. 2)根據(jù)第一圖像采集設(shè)備和第二圖像采集設(shè)備的相對位置信息，以及根據(jù)第一圖 像采集設(shè)備和第二圖像采集設(shè)備分別采集的探地雷達天線在任意時刻運動的圖像信息獲 取的探地雷達天線的二維坐標(biāo)信息，通過二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系獲取探地雷達天 線的三維坐標(biāo)； (1. 3)利用圖像處理方法根據(jù)所述探地雷達天線的三維坐標(biāo)確定每一幀圖像中探地雷 達天線的位置與姿態(tài)信息。
3. 如權(quán)利要求2所述的探地雷達單道電磁波譜三維定位方法，其特征在于：所述步驟 (1.2)具體為：通過第一圖像采集設(shè)備和第二圖像采集設(shè)備分別采集的探地雷達天線的運 動圖像，以同時獲得探地雷達某一特征點分別在兩個圖像采集設(shè)備形成圖像的對應(yīng)坐標(biāo)， 并通過這兩個坐標(biāo)，利用二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系構(gòu)成兩個方程，獲得該特征點的 三維坐標(biāo)。
4. 如權(quán)利要求3所述的探地雷達單道電磁波譜三維定位方法，其特征在于：所述步驟 (1. 2)中獲取探地雷達天線三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
，其中
為探地雷達天線的三維坐標(biāo)；(u，v)為圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；(x w，yw，zw)為對應(yīng)點在 世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；A為第一圖像采集設(shè)備或第二圖像采集設(shè)備的內(nèi)參數(shù)矩陣，f j 為第一圖像采集設(shè)備或第二圖像采集設(shè)備的外參數(shù)矩陣，由旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量t組成， 內(nèi)參數(shù)矩陣A中的（U(I，V(I)為第一圖像采集設(shè)備或第二圖像采集設(shè)備光軸與圖像平面的交 點坐標(biāo)，當(dāng)圖像平面與第一圖像采集設(shè)備或第二圖像采集設(shè)備光軸不完全垂直時，用傾斜 系數(shù)Y來表示圖像平面與第一圖像采集設(shè)備或第二圖像采集設(shè)備光軸的傾斜程度；若每 一個像素在X軸與y軸方向上的物理尺寸計為dx，dy，則fx為第一圖像采集設(shè)備或第二圖像 采集設(shè)備鏡頭焦距與dx的比值，fy為第一圖像采集設(shè)備或第二圖像采集設(shè)備鏡頭焦距與d y 的比值，kx = fx，ks = γ fx，ky = fy。
5. 如權(quán)利要求2-4任一所述的探地雷達單道電磁波譜三維定位方法，其特征在于：所 述步驟（1.3)利用圖像處理方法根據(jù)所述探地雷達天線的三維坐標(biāo)確定每一幀圖像中探 地雷達天線的位置與姿態(tài)信息包含如下步驟： (1. 3. 1)對探地雷達天線進行角點檢測，獲得探地雷達天線四角上的坐標(biāo)信息，并通過 四角上的坐標(biāo)信息獲取探地雷達天線的邊界信息； (1. 3. 2)通過提取探地雷達天線的邊界信息獲取探地雷達天線的幾何中心位置信息， 該中心位置為電磁波發(fā)射點的位置； (1. 3. 3)根據(jù)探地雷達天線的中心位置信息，通過幾何關(guān)系確定探地雷達天線的包括 行進偏角、俯仰角、翻滾角的姿態(tài)信息。
6. 如權(quán)利要求5所述的探地雷達單道電磁波譜三維定位方法，其特征在于：步驟（2) 通過某一時刻的探地雷達天線的三維位置與位姿信息對所述對應(yīng)時刻探地雷達發(fā)射的電 磁波譜進行三維顯示校正，獲得任意時刻探地雷達發(fā)射電磁波的三維空間信息包括如下步 驟： (2. 1)坐標(biāo)的原點為第一圖像采集設(shè)備或第二圖像采集設(shè)備芯片所在的位置，單道電 磁波顯示時，按照獲取的探地雷達天線的行進偏角、俯仰角、翻滾角以及探地雷達天線的幾 何中心位置坐標(biāo)在三維坐標(biāo)中顯示； (2.2)根據(jù)步驟（2. 1)的信息對探地雷達天線在該時刻發(fā)射出的天線進行校正，從而 獲得具有三維空間信息的電磁波的準(zhǔn)確發(fā)射與返回信息。
【文檔編號】G01S7/40GK104155635SQ201410419396
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月23日
【發(fā)明者】蔣海波, 陳建中, 李娜, 周星梅, 胡斌, 胡君 申請人:中國科學(xué)院成都生物研究所