基于高分辨率雷达波成像的树木内部异常检测

发布时间：2020-04-10 00:18

【摘要】：内部腐朽中空的活立木会发生倒塌或死亡,造成经济损失甚至人身伤害,带来难以挽回的损失。为了评估活立木的健康状况,使用探地雷达(GPR)检测其内部结构异常。活立木内部结构复杂,雷达波图像解译困难,为了提高成像效果,本文从纵向分辨率和横向分辨率两方面对高分辨率成像技术进行研究。在纵向分辨率上,应用希尔伯特积层位识别、基于反射振幅的相对介电常数估计等技术,对异常区域的相对位置进行定位;应用多重信号分类(MUSIC)算法,结合反卷积、空间平滑处理(SSP)等技术,对重叠雷达回波进行时延估计。在横向分辨率上,活立木的外轮廓多为不规则形状,使用点云数据技术构建树干三维模型,用以获取横截面的不规则外轮廓线及坐标信息,对内部结构及异常进行绝对定位。基于上述技术,开发适用于活立木无损检测的内部异常成像软件。通过数值模拟、原木试件与实地检测,验证上述技术的可行性和准确性。结果表明,应用的方法可以准确地表征内部的不均匀性,高分辨率雷达波成像技术可对树干内部异常位置准确定位,并复现横截面层析图像,古树复壮作业时的内部实际结构与成像结果相一致。本文为探测活立木内部结构提供理论和技术基础,使用的方法可为雷达波断层图像的三维重建提供应用基础。
【图文】：

无损检测技术,林业,手段,应力波

传统的野外树千异常采用岩心钻探法进行评价。为了避免对珍贵树木的破坏，，非逡逑侵入性的方法被广泛用于评估树干状态。目前在林业研宄中采用的无损检测技术和评逡逑估手段主要有电阻率、应力波、超声波、Ｘ射线ＣＴ扫描以及雷达波等，如图１－１所逡逑W■W逡逑ａ逦ｂ逦ｃ逦ｄ逡逑ａ．电阻率；ｂ．应力波；ｃ．Ｘ射线；ｄ．雷达波逡逑图１－１林业常用的无损检测技术手段逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ邋ｔｅｓｔｉｎｇ邋ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｆｏｒｅｓｔｒｙ邋ｆｉｅｌｄ逡逑电阻层析成像技术是利用树木内部腐朽中真菌、水分增加导致电阻率的变化，通逡逑过对相对阻抗进行原位检测，从而内部腐朽进行识别，在检测较大腐朽时有很高的准逡逑确度（岳小泉，２０１６），但由于腐朽木材阻抗变化范围很大，在实际对活立木检测时逡逑图像解译存在困难，并且对活立木树干产生一定破坏。应力波层析成像是目前应用相逡逑对较广、较为成熟的树木无损检测方法，通过射线理论，利用波速走时成像原理进行逡逑检测，应力波在介质中的吸收系数、速度等参数会受介质特性影响，基于此分析测定逡逑２逡逑

反射波形,雷达波,交界面,异常区域

探地雷达的基本原理是通过发射天线Ｔｘ输出纳秒级宽频带信号，在传播路径上逡逑穿过不同层位、异常区域的交界面，产生反射与透射，叠加的反射波形成回波信号，逡逑被接收天线Ｒｘ接收，如图２－１所示。根据电磁波理论，雷达波在介质内传播时，如逡逑果遇到介质常数、磁导率、电导率等介电特性参数存在差异的分界面时，振幅、传播逡逑方向会发生变化。因此，可以对接收到的雷达回波信号波形的峰值位置、幅值，进行逡逑相应的数据分析，再结合实际目标情况以及其他相关参数，可以推测树干内的结构分逡逑布、异常区域位置和形状。逡逑＜逦Ｘ逦？逡逑——Ｉ——空气R噺界面逡逑目标逡逑图２－１雷达原理不意图逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｆｏｒＧＰＲ逡逑图２－１中ｘ表示天线Ｔｘ与Ｒｘ之间的距离（ｍ），邋ｈ表示不同介质的交界面与表逡逑面之间的距离（ｍ）。雷达波双程走时／邋（ｓ）为：逡逑ｔＪ４ｈ２＋Ｘ’—逦（２－１）逡逑Ｖ逡逑式中，Ｖ表示雷达波在介质中的传播速度（ｍ／ｓ）。逡逑由式（２－１）可以计算出不同介质的交界面与表面之间的距离／２邋（ｍ）：逡逑８逡逑
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S712;TN957.52

【相似文献】