双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法及系统与流程

1.本发明涉及双线隧道检测领域，具体涉及双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法及系统。


背景技术：

2.随着我国隧道大规模的兴建，运营隧道数量逐年增多，隧道质量问题愈发凸显。衬砌作为隧道的重要组成部分，在日常使用过程中，由于隧道结构的外部环境改变以及结构自身材料的性能逐渐弱化容易产生隐伏病害，隧道衬砌结构的快速普查成为当前亟需解决的问题。
3.目前，采用车载探地雷达检测技术利用电磁波脉冲在隧道衬砌结构中的传播原理，对混凝土衬砌与围岩结合部出现的脱空、回填欠实、富水区圈定、衬砌厚度等进行无损检测，及时发现问题。但是，传统的雷达检测方法需要由专业技术人员完成雷达探测数据的采集，以及后期需要对原始数据进行逐条处理分析，数据分析任务较重、周期较长，对于待测区段长度较长的隧道的检测需要大量人力物力，识别效率较低。传统隧道人工检测方式利用液压系统支撑探地雷达天线紧贴隧道壁方式检测，存在隧道设备结构阻挡而使检测速度降低的缺点。
4.专利号为cn202020288729.4的一种地质雷达检测隧道衬砌背后病害模型试验装置利用紧贴隧道衬砌内侧的滑动支架承载雷达进行数据采集，代替人工操作，减少了人力成本。但并没有涉及对收集到的数据进行实时分析和处理。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中检测隧道衬砌隐伏病害时人工成本高、检测效率较低的技术问题，提供了双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法及系统。
6.根据本发明第一方面，本发明请求保护双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法，包括：对拟测区段的隧道衬砌表面发送脉冲信号，并获取第一数据，其中，所述第一数据为所述脉冲信号经过反射后，信号接收装置获取的信号数据；对所述第一数据进行数据预处理，得到第二数据；获取所述第二数据的特征向量，其中，所述特征向量为所述第二数据的二维信号特征，包括振幅、相位和同相轴；将所述第二数据的所述特征向量与病害特征模型进行对比，根据对比结果判断所述第二数据中是否存在病害区域，其中，所述病害区域为所述脉冲信号经过所述隧道衬砌中可能造成安全隐患的区域反射后出现异常的所述特征向量的数据区域，当所述第二数据中存在所述病害区域时，对所述病害区域进行标记。
7.在本技术一实施例中，对所述拟测区段的所述隧道衬砌表面发送所述脉冲信号之前，所述方法还包括通过位姿调整模型实现雷达天线的透射面与所述隧道衬砌表面的自动
对齐，所述位姿调整模型的建立方法如下：根据隧道衬砌的断面设计图建立坐标系；获取所述隧道衬砌表面的检测位置，得到第一坐标；根据所述第一坐标得到所述雷达天线的耦合位置及透射角度；获取所述雷达天线的转轴的实时位置，得到第二坐标，其中，所述转轴为所述雷达天线在调整透射角度时转动所围绕的中心轴；获取所述雷达天线的所述透射面中心的位置，得到第三坐标；根据所述耦合位置和所述透射角度调整所述第二坐标和所述第三坐标。
8.在本技术一实施例中，根据所述耦合位置和所述透射角度调整所述第二坐标和所述第三坐标，还包括：以所述转轴为极点建立极坐标系；根据所述第二坐标和所述第三坐标的相对位置，获取所述第三坐标在所述极坐标系中的位置，得到第四坐标；根据所述透射角度调整所述第四坐标。
9.在本技术一实施例中，对所述第一数据进行数据预处理，所述数据预处理还包括对所述第一数据在数据缓存区域采用fifo环形缓存的方式进行数据缓存，其中，所述数据缓存区域用于对所述第一区域进行缓存。
10.在本技术一实施例中，对所述第一数据在所述数据缓存区域采用fifo环形缓存的方式进行数据缓存的步骤之前，所述方法还包括：获取所述数据缓存区域的数据存储状态，所述数据存储状态用于判断所述数据缓存区域是否正在执行数据存储任务，当所述数据缓存区域正在执行数据存储任务时，创建新的存储线程，所述存储线程用于对所述第一数据进行数据缓存，当所述数据缓存区域没有正在执行的数据存储任务时，所述数据缓存区域直接对所述第一数据进行存储。
11.在本技术一实施例中，对所述拟测区段的所述隧道衬砌表面发送所述脉冲信号，所述方法还包括所述脉冲信号为距离脉冲信号，所述距离脉冲信号为在连续采集过程中，按照预设间隔距离发射所述脉冲信号。
12.在本技术一实施例中，所述病害特征模型的建立方法如下：采集常见隧道衬砌隐伏病害的所述第一数据，并对所述第一数据进行人工分类和标注，得到对应的病害类别标签；对所述第一数据进行数据预处理后，得到所述第二数据；获取所述第二数据的所述特征向量，分析所述病害类别标签与所述特征向量之间的联系，得到各个所述病害类别标签对应的分类依据；整合所有所述病害类别标签和所述分类依据，得到所述病害特征模型。
13.在本技术一实施例中，对所述病害区域进行标记之后，所述方法还包括对所述对比结果和所述病害区域进行人工校验，当人工校验的结果与所述对比结果和/或所述病害区域不一致时，采用人工干预的方式进行矫正，并将矫正后的所述对比结果和/所述病害区域反馈给所述病害特征模型。
14.根据本发明第二方面，本发明请求保护双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查系统，包括：
数据采集模块，用于对拟测区段的隧道衬砌表面发送脉冲信号，并获取第一数据，其中，所述第一数据为所述脉冲信号经过反射后，信号接收装置获取的信号数据；数据预处理模块，用于对所述第一数据进行数据预处理，得到第二数据；特征识别模块，用于获取所述第二数据的特征向量，其中，所述特征向量为所述第二数据的二维信号特征，包括振幅、相位和同相轴；将所述第二数据的所述特征向量与病害特征模型进行对比，根据对比结果判断所述第二数据中是否存在病害区域，其中，所述病害区域为所述脉冲信号经过所述隧道衬砌中可能造成安全隐患的区域反射后出现异常的所述特征向量的数据区域，当所述第二数据中存在所述病害区域时，对所述病害区域进行标记。
15.在本技术一实施例中，所述系统还包括天线位姿调整模块，所述天线位姿调整模块包括若干个纵臂、横臂和若干个雷达天线，相邻两个所述纵臂之间活动连接，使所述纵臂可产生纵向的位移，所有所述纵臂形成纵臂组，所述纵臂组的一端与检测车可分离连接，另一端与所述横臂的一端通过第一转动部件活动连接，所述第一转动部件用于调整所述横臂和所述纵臂之间的角度，所述纵臂组中还设置有传动装置，所述传动装置使若干个所述纵臂同速升降，若干个所述雷达天线通过第二转动部件与所述纵臂和所述横臂活动连接，所述第二转动部件用于改变所述雷达天线与所述纵臂或所述横臂之间的角度。
16.在本技术一实施例中，对所述拟测区段的所述隧道衬砌表面发送所述脉冲信号之前，所述系统还包括通过位姿调整模型实现雷达天线的透射面与所述隧道衬砌表面的自动对齐，所述位姿调整模型包括如下：根据隧道衬砌的断面设计图建立坐标系；获取所述隧道衬砌表面的检测位置，得到第一坐标；根据所述第一坐标得到所述雷达天线的耦合位置及透射角度；获取所述雷达天线的转轴的实时位置，得到第二坐标，其中，所述转轴为所述雷达天线在调整透射角度时转动所围绕的中心轴；获取所述雷达天线的所述透射面中心的位置，得到第三坐标；根据所述耦合位置和所述透射角度调整所述第二坐标和所述第三坐标。
17.在本技术一实施例中，根据所述耦合位置和所述透射角度调整所述第二坐标和所述第三坐标，还包括：以所述转轴为极点建立极坐标系；根据所述第二坐标和所述第三坐标的相对位置，获取所述第三坐标在所述极坐标系中的位置，得到第四坐标；根据所述透射角度调整所述第四坐标。
18.在本技术一实施例中，对所述第一数据进行数据预处理，所述数据预处理还包括对所述第一数据在数据缓存区域采用fifo环形缓存的方式进行数据缓存，其中，所述数据缓存区域用于对所述第一区域进行缓存。
19.在本技术一实施例中，对所述第一数据在所述数据缓存区域采用fifo环形缓存的方式进行数据缓存的步骤之前，所述系统还包括：获取所述数据缓存区域的数据存储状态，所述数据存储状态用于判断所述数据缓存区域是否正在执行数据存储任务，当所述数据缓存区域正在执行数据存储任务时，创建
新的存储线程，所述存储线程用于对所述第一数据进行数据缓存，当所述数据缓存区域没有正在执行的数据存储任务时，所述数据缓存区域直接对所述第一数据进行存储。
20.在本技术一实施例中，对所述拟测区段的所述隧道衬砌表面发送所述脉冲信号，所述系统还包括所述脉冲信号为距离脉冲信号，所述距离脉冲信号为在连续采集过程中，按照预设间隔距离发射所述脉冲信号。
21.在本技术一实施例中，所述病害特征模型的建立包括如下：采集常见隧道衬砌隐伏病害的所述第一数据，并对所述第一数据进行人工分类和标注，得到对应的病害类别标签；对所述第一数据进行数据预处理后，得到所述第二数据；获取所述第二数据的所述特征向量，分析所述病害类别标签与所述特征向量之间的联系，得到各个所述病害类别标签对应的分类依据；整合所有所述病害类别标签和所述分类依据，得到所述病害特征模型。
22.在本技术一实施例中，对所述病害区域进行标记之后，所述系统还包括对所述对比结果和所述病害区域进行人工校验，当人工校验的结果与所述对比结果和/或所述病害区域不一致时，采用人工干预的方式进行矫正，并将矫正后的所述对比结果和/所述病害区域反馈给所述病害特征模型。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果：1、通过所述数据预处理实现所述第一数据的滤波和增强信号特征，抑制所述干扰噪声数据和随机噪声的影响，最大限度的提高雷达信号特征的分辨能力，凸显雷达数据中的病害特征，去除接触网及吊柱的干扰，提高了后续信号特征提取的识别准确率。通过对病害区域的自动识别和标记能够快速对隧道衬砌进行检测，实现铁路隧道病害的数据的快速采集，减少专业技术人员对雷达数据分析排查的工作量，提高检测效率的同时降低了人工工作量。
24.2、采用位姿调整模型实现雷达天线的透射面与所述隧道衬砌表面的自动对齐能够与不同类型的雷达探测装置搭配使用，根据不同类型雷达的使用方法匹配该雷达的最佳耦合位置和最佳投射角度。
25.3、采用fifo环形缓存的方式对所述第一数据进行缓存，有利于避免计算机资源泄露。
26.4、在实际应用场景中，对所述隧道衬砌表面通常需要进行多次连续测量，获取所述第一数据后，获取当前所述数据缓存区域的数据存储状态，即、判断所述数据缓存区域是否已经完成对上一条雷达探测数据的存储，避免了数据存储速度与数据采集速度之间的差异导致数据丢失或数据不完整等情况的出现，同时减少存储速度对数据采集速度的影响。
27.5、多线程存储的方式能够更好地适配同时对多条所述第一数据进行采集，进一步提高普查效率。
28.6、根据预先设定的间隔距离沿着测线连续发射多个所述脉冲信号，一方面可以降低检测车运行速度对所述第一数据影响，另一方面可以根据所述间隔距离、测线和数据采集次数，快速定位病害区域在所述待测区段的位置，消除了检测前期由于人工标记检测里程所产生的工作量，进一步提高检测自动化程度。
29.7、利用图像数据，对所述病害区域进行人工校验，并将所述人工校验的结果反馈
给所述病害特征模型，提高了对所述隧道衬砌表面的识别准确度。
30.8、在数据采集之前，通过所述人工干预对所述病害特征模型进行修改或添加，实现了适应不同的应用场景。
31.9、对所述雷达天线进行不同自由度的调节，实现所述透射面与所述隧道衬砌表面的自动对齐，实现了所述雷达天线对所述隧道衬砌曲面的自适应，进一步扩大了所述雷达天线的位姿调整范围。
32.10、通过升降调节、角度调节将雷达天线固定于指定位置，能够实现雷达天线在车辆限界内的快速检测，同时又能在重点区段进行精检，对疑似病害进行多角度全面的数据采集和检测。
33.11、可以根据实际适用场景，可以选择在检测车上同时安装2个所述天线位姿调整模块，同时对多条侧线进行同步检测，实现隧道拱顶、拱腰、边墙全断面检测。
34.12、利用所述纵臂个数的增加或减少，适应不同大小的隧道断面。
35.13、所述天线位姿调整模块也可直接应用和搭载在公路或者铁路平板车，作为公路或铁路隧道检测设备的关键装置集成形成综合检测车，拓展了所述天线位姿调整模块的应用场景。
36.附图说明：图1为本技术的双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法流程图；图2为本技术的雷达数据中病害区域标记示例图；图3为本技术的天线位姿调整模型建立方法示意图；图4为本技术的双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查系统结构示意图；图5为本技术的天线位姿调整模块示意图（一）；图6为本技术的天线位姿调整模块示意图（二）；图7为本技术的天线位姿调整模块主视图；图中标示：1-安装架，2-一级纵臂，3-二级纵臂，4-三级纵臂，5-雷达天线，6-转动关节，7-顶部俯仰装置，8-钢索滑轮举升机构，9-丝杠升降机构，10-一二级导轨滑块机构，11-二三级导轨滑块机构，12-钢索滑轮收缩机构，13-横臂。
具体实施方式
37.本发明旨在建立双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法，利用车载探地雷达检测技术，通过提取雷达天线数据特征向量的方式，将其与病害特征模型进行对比，判别当前隧道衬砌是否存在隐伏病害，并对隐伏病害进行标记。同时，通过自动获取雷达天线位姿自动获取，根据天线位姿调整模型，自动调整天线位姿，使雷达天线透射面与隧道衬砌表面自动对齐，降低人工成本，提高了隧道衬砌检测的自动化程度。
38.为使本发明的上述目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
39.因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表
示结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，对于描述的具体特征、结构、材料或者特点，在不冲突的情况下，可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，这类术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.根据本发明的第一方面，参照附图1，本发明请求保护双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法，包括：对拟测区段的隧道衬砌表面发送脉冲信号，并获取第一数据，其中，所述第一数据为所述脉冲信号经过反射后，信号接收装置获取的信号数据；需要说明的是，在雷达检测方法中，电磁波脉冲信号在经过不同传播介质时传播路径、点磁场强度与波形等会发生变化，在介质分布不均匀的结构中，所述脉冲信号也会发生散射、反射与透射，根据雷达发射的所述脉冲信号和雷达接收的所述第一数据之间的特征差异，可以进一步判断所述隧道衬砌是否存在隐伏病害，所述第一数据能够准确地反映出所述隧道衬砌表面几何形态的变化及衬砌背后围岩状态。
43.对所述第一数据进行数据预处理，得到第二数据；需要说明的是，所述数据预处理包括一维算法处理和二维算法处理。其中，所述一维算法处理包括去直流、垂直滤波、增益放大等一维运算，所述二维算法处理包括水平滤波、fk滤波、聚焦、偏移等二维运算。在实际应用场景中，所述第一数据中可能包含干扰噪声数据，例如外界环境的电缆信号干扰、汽车干扰等，雷达仪器内部如天线盒震荡信号干扰、天线控制电路之间的干扰、发射与接收天线的直接干扰等，数据采集过程中出现的信号抖动干扰等，以及随机噪声干扰。通过所述数据预处理实现所述第一数据的滤波和增强信号特征，抑制所述干扰噪声数据的影响，最大限度地提高雷达信号特征的分辨能力，凸显雷达数据中的病害特征，去除接触网及吊柱的干扰，提高了后续信号特征提取的识别准确率。同时，所述二维算法处理还能够对所述第一数据进行元素重置，其目的在于补偿由于不同方向接收到的回波信号产生的空间畸变。
44.另外，可以对所述第二数据进行进一步地尺度归一化、灰度化等操作，利用图像绘制算法，更加直观地将所述第二数据表示为图像数据，便于专业技术人员对后续信号特征提取和标记进行校验，进一步提高了识别准确率。
45.获取所述第二数据的特征向量，其中，所述特征向量为所述第二数据的二维信号特征，包括振幅、相位和同相轴；需要说明的是，传播介质对所述脉冲信号不同程度的吸收以及介质的不均匀性
质，使得雷达发射出去的脉冲信号在到达接收天线时，所述第一数据相较于所述脉冲信号波幅减小，并且所述第一数据波形也发生变化，根据所述第一数据的波形特征，能够判断所述隧道衬砌是否存在病害，例如所述隧道衬砌层内空洞现象在所述第二数据的所述特征向量中表现出振幅不衰减的特征。
46.将所述第二数据的所述特征向量与病害特征模型进行对比，根据对比结果判断所述第二数据中是否存在病害区域，其中，所述病害区域为所述脉冲信号经过所述隧道衬砌中可能造成安全隐患的区域反射后出现异常的所述特征向量的数据区域，当所述第二数据中存在所述病害区域时，对所述病害区域进行标记。
47.在本实施方式中，将所述第二数据的所述特征向量反映出的二维信号特征，与所述病害特征模型进行对比，分析得到所述隧道衬砌中是否存在病害，对所述病害区域进行数据标记和储存，并在所述图像数据中标记所述病害区域，参照附图2。所述检测方法能够在夜间快速对隧道衬砌进行检测，实现铁路隧道病害的数据的快速采集，病害识别和标记方法使专业技术人员只需对自动标识段的雷达数据进行进一步分析排查，在提高检测效率的同时降低了人工工作量。
48.在本技术一实施例中，参照附图3，对所述拟测区段的所述隧道衬砌表面发送所述脉冲信号之前，所述方法还包括通过位姿调整模型实现雷达天线的透射面与所述隧道衬砌表面的自动对齐，所述位姿调整模型的建立方法如下：根据隧道衬砌的断面设计图建立坐标系；获取所述隧道衬砌表面的检测位置，得到第一坐标；根据所述第一坐标得到所述雷达天线的耦合位置及透射角度；获取所述雷达天线的转轴的实时位置，得到第二坐标，其中，所述转轴为所述雷达天线在调整透射角度时转动所围绕的中心轴；获取所述雷达天线的所述透射面中心的位置，得到第三坐标；根据所述耦合位置和所述透射角度调整所述第二坐标和所述第三坐标，其中，所述耦合位置为所述雷达天线的所述透射面向所述隧道衬砌表面发射所述脉冲信号时所述转轴的位置，所述透射角度为所述雷达天线对齐所述隧道衬砌表面时需要转动的角度，根据不同类型雷达的使用方法匹配该雷达的最佳耦合位置和最佳投射角度。
49.在本实施方式中，以所述隧道衬砌内轮廓横向最大跨度的中点为原点，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴建立直角坐标系，根据所述隧道衬砌的断面设计图可以得到所述检测位置距离对应的所述第一坐标。根据所述第一坐标和所述原点坐标计算得到两点所在直线的直线方程表达式。在完成雷达天线的安装后，获取所述第二坐标和所述第三坐标的初始位置，根据所述第二坐标的横坐标、所述第三坐标的横坐标在所述直线方程表达式的拟合，计算得到所述耦合位置，调整所述第二坐标和所述第三坐标的位置，当所述第二坐标和第三坐标同时位于所述直线上即可，调整过程中所述雷达天线的所述透射面转动的角度即为所述透射角度。
50.在本技术一实施例中，根据所述耦合位置和所述透射角度调整所述第二坐标和所述第三坐标，还包括：以所述转轴为极点建立极坐标系；根据所述第二坐标和所述第三坐标的相对位置，获取所述第三坐标在所述极坐标
系中的位置，得到第四坐标；根据所述透射角度调整所述第四坐标。
51.在本实施方式中，在根据所述第二坐标的横坐标和所述直线方程表达式调整所述第二坐标后，以当前的所述第二坐标为极点，以所述第二坐标与所述第一坐标连线为极轴建立所述极坐标系，根据所述第二坐标和所述第三坐标的相对位置得到所述第四坐标，所述第四坐标的极角即为所述透射角度。
52.在本技术一实施例中，对所述第一数据进行数据预处理，所述数据预处理还包括对所述第一数据在数据缓存区域采用fifo环形缓存的方式进行数据缓存，其中，所述数据缓存区域用于对所述第一区域进行缓存。
53.在本实施方式中，采用fifo环形缓存的方式对所述第一数据进行缓存，所述fifo环形缓存采用先进先出原则，即当所述数据缓存区域的存储空间已满时，此后需要缓存的所述第一数据对所述数据缓存区域中最早存入的数据进行冲刷覆盖，有利于避免计算机资源泄露。fifo缓存大小可以根据所述第一数据的长度进行测算，在本实施方式中，选择1000~2000组雷达数据大小作为所述数据缓存区域的存储大小。
54.在本技术一实施例中，对所述第一数据在所述数据缓存区域采用fifo环形缓存的方式进行数据缓存的步骤之前，所述方法还包括：获取所述数据缓存区域的数据存储状态，所述数据存储状态用于判断所述数据缓存区域是否正在执行数据存储任务，当所述数据缓存区域正在执行数据存储任务时，创建新的存储线程，所述存储线程用于对所述第一数据进行数据缓存，当所述数据缓存区域没有正在执行的数据存储任务时，所述数据缓存区域直接对所述第一数据进行存储。
55.在本实施方式中，在实际应用场景中，对所述隧道衬砌表面通常需要进行多次连续测量，获取所述第一数据后，获取当前所述数据缓存区域的数据存储状态，即所述数据缓存区域是否已经完成对上一条雷达探测数据的存储，若在下一组数据采集完成后，上一组数据未完成存储，创建新的存储线程，在存储空间中重新划分存储空间对当前数据进行存储，从而避免数据存储速度与数据采集速度之间的差异导致数据丢失或数据不完整等情况，并且减少存储速度对数据采集速度的影响。同时，多线程存储的方式能够更好地适配同时对多条所述第一数据进行采集，进一步提高了普查效率。
56.在本技术一实施例中，对所述拟测区段的所述隧道衬砌表面发送所述脉冲信号，所述方法还包括所述脉冲信号为距离脉冲信号，所述距离脉冲信号为在连续采集过程中，按照预设间隔距离发射所述脉冲信号。
57.在本实施方式中，可以选用多普勒测距雷达或距离编码器对脉冲间隔距离进行限定。根据预先设定的间隔距离沿着测线连续发射多个所述脉冲信号，一方面可以降低检测车运行速度对所述第一数据影响，另一方面可以根据所述间隔距离、测线和数据采集次数，快速定位病害区域在所述待测区段的位置，消除了检测前期由于人工标记检测里程所产生的工作量，进一步提高检测自动化程度。
58.在本技术一实施例中，所述病害特征模型的建立方法如下：采集常见隧道衬砌隐伏病害的所述第一数据，并对所述第一数据进行人工分类和标注，得到对应的病害类别标签；对所述第一数据进行数据预处理后，得到所述第二数据；
获取所述第二数据的所述特征向量，分析所述病害类别标签与所述特征向量之间的联系，得到各个所述病害类别标签对应的分类依据；整合所有所述病害类别标签和所述分类依据，得到所述病害特征模型。
59.在本实施方式中，可以采用人工分析的方式对各个所述病害类别对应的所述特征向量进行分析，得到各个类别的分类依据，从而建立所述病害特征模型。
60.另外，也可以利用感知机对所述第二数据的所述特征向量进行学习，从而得到病害特征模型。将提前采集的所述第二数据分为训练集和验证集，所述训练集用于训练所述病害特征模型，所述验证集用于验证训练好的所述病害特征模型的结果和各项性能参数是否符合预期，如计算时间等。根据所述验证集的验证结果，对所述病害特征模型进行结构和/或参数的调整，使所述结果和所述各项性能指标符合预期。将所述所述第二数据的所述特征向量输入到所述病害特征模型，所述病害特征模型包括输入层、输出层和隐藏层，使用relu函数作为所述输出层的激活函数，以交叉熵函数作为所述病害特征模型的损失函数，求解所述交叉熵函数的最小值。所述病害特征模型的输出为所述第二数据属于各个所述病害类别标签的概率向量。在所述病害特征模型中设置预设值，所述预设值用于判断所述第二数据中是否包含所述病害区域，当所述概率向量的各个分量之和大于或等于预设值时，所述第二数据中存在所述病害区域，取所述概率向量中的最大值所对应的病害类别，作为所述病害区域的所述病害类别标签，并在所述第二数据中对所述病害区域进行提取和标记所述病害区域的位置；当所述概率向量的各个分量之和小于所述预设值时，所述第二数据中不存在所述病害区域。
61.在本技术一实施例中，对所述病害区域进行标记之后，所述方法还包括对所述对比结果和所述病害区域进行人工校验，当人工校验的结果与所述对比结果和/或所述病害区域不一致时，采用人工干预的方式进行矫正，并将矫正后的所述对比结果和/所述病害区域反馈给所述病害特征模型。
62.在本实施方式中，可以利用图像绘制算法绘制的所述图像数据，对所述病害区域进行人工校验，所述人工校验进一步保证了对所述隧道衬砌表面的识别准确度。所述人工校验可以采用抽检和普检相结合的方式进行，所述抽检为针对自动识别对比结果为不存在所述病害区域的数据，进行抽样检查，降低了所述自动识别的漏检率和误判率，所述普检为针对所述自动识别对比结果为不存在所述病害区域的数据，进行普查，对自动标记的区域进行二次校验，当所述校验结果与所述对比结果和/或所述病害区域不一致时，采用人工干预的方式进行矫正，并将矫正后的所述对比结果和/所述病害区域反馈给所述病害特征模型。另外，所述人工校验不影响数据采集、存储、特征提取和识别过程，在数据采集之前，能够通过所述人工干预对所述病害特征模型进行修改或添加，从而适应不同的应用场景。
63.根据本发明第二方面，参照附图4，本发明请求保护双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查系统，包括：数据采集模块，用于对拟测区段的隧道衬砌表面发送脉冲信号，并获取第一数据，其中，所述第一数据为所述脉冲信号经过反射后，信号接收装置获取的信号数据；数据预处理模块，用于对所述第一数据进行数据预处理，得到第二数据；特征识别模块，用于获取所述第二数据的特征向量，其中，所述特征向量为所述第二数据的二维信号特征，包括振幅、相位和同相轴；将所述第二数据的所述特征向量与病害
特征模型进行对比，根据对比结果判断所述第二数据中是否存在病害区域，其中，所述病害区域为所述脉冲信号经过所述隧道衬砌中可能造成安全隐患的区域反射后出现异常的所述特征向量的数据区域，当所述第二数据中存在所述病害区域时，对所述病害区域进行标记。
64.在本实施方式中，参照附图4，所述系统包括数据采集模块，数据预处理模块和特征识别模块。所述系统还包括数据存储模块和图形绘制模块，其中，所述数据存储模块包括数据缓存区域和其他存储区域。所述第一数据在进行所述数据预处理时，由于需要对所述第一数据进行多维度的数据处理，如一维算法处理和二维算法处理，其计算和处理速度之间存在差异，所述缓存区域可以实现数据缓存过渡的效果。所述其他存储区域用于对所述系统中产生的数据进行长时间存储，如所述第一数据和所述第二数据，当出现数据丢失等意外情况，便于进行数据和处理过程的溯源。
65.在本技术一实施例中，所述系统还包括天线位姿调整模块，所述天线位姿调整模块包括若干个纵臂、横臂13和若干个雷达天线5，相邻两个所述纵臂之间活动连接，使所述纵臂可产生纵向的位移，所有所述纵臂形成纵臂组，所述纵臂组的一端与检测车可分离连接，另一端与所述横臂13的一端通过第一转动部件活动连接，所述第一转动部件用于调整所述横臂13和所述纵臂之间的角度，所述纵臂组中还设置有传动装置，所述传动装置使若干个所述纵臂同速升降，若干个所述雷达天线5通过第二转动部件与所述纵臂和所述横臂13活动连接，所述第二转动部件用于改变所述雷达天线5与所述纵臂或所述横臂13之间的角度。
66.在本实施方式中，参照附图5、6和7，所述天线位姿调整模块包括安装架1、一级纵臂2、二级纵臂3、三级纵臂4、雷达天线5、横臂13、钢索滑轮举升机构8、钢索滑轮收缩机构12和丝杠升降机构9。所述一级纵臂2与所述安装架1固定连接，所述安装架1用于将所述天线位姿调整模块安装在检测车上，使所述天线位姿调整模块跟随检测车在待测区段隧道中移动，从而实现所述第一数据的采集。所述一级纵臂2与所述二级纵臂3通过一二级导轨滑块机构10连接，所述二级纵臂3与所述三级纵臂4通过二三级导轨滑块机构11连接。所述钢索滑轮举升机构8中钢索一端与所述一级纵臂2底部固定，另一端与所述三级纵臂4的底部固定，滑轮固定于所述二级纵臂3的顶部。所述钢索滑轮收缩机构12中钢索一端与所述一级纵臂2的顶部固定，另一端与所述三级纵臂4的顶部固定，滑轮固定于所述二级纵臂3底部。所述丝杠升降机构9一端与安装架1的底部固定，另一端与所述二级纵臂3固定。雷达天线5通过转动关节6与所述一级纵臂2、所述二级纵臂3、所述三级纵臂4和所述横臂13相连，所述横臂13通过顶部俯仰装置7与所述三级纵臂4相连。
67.在使用过程中，可以通过闭环伺服控制系统对所述雷达天线5进行不同的自由度调节，从而实现所述透射面与所述隧道衬砌表面的自动对齐。所述安装架1固定在检测车上，通过所述丝杠升降机构9控制所述二级纵臂3沿着所述一级纵臂2升降，同时所述钢索滑轮举升机构8与所述钢索滑轮收缩机构12带动所述三级纵臂4沿着所述二级纵臂3做相同的升降，从而实现对所述雷达天线5距离轨面的高度进行调整；所述雷达天线5通过所述转动关节6实现对所述透射角度的调整，所述顶部俯仰装置7用于调整所述横臂13与所述三级纵臂4之间的角度，实现了所述雷达天线5对所述隧道衬砌曲面的适应，进一步扩大了所述雷达天线5的位姿调整范围。另外，通过升降调节、角度调节将雷达天线5固定于指定位置，能
够实现雷达天线5在车辆限界内的快速检测，同时又能在重点区段进行精检，对疑似病害进行多角度全面的数据采集和检测。
68.在本实施例中，参照附图3，可以根据实际适用场景，可以选择在检测车上同时安装2个所述天线位姿调整模块，同时对多条侧线进行同步检测，实现隧道拱顶、拱腰、边墙全断面检测。另外，可以增加或减少所述纵臂的个数，从而适应不同大小的隧道断面，所述天线位姿调整模块也可直接应用和搭载在公路或者铁路平板车，作为公路或铁路隧道检测设备的关键装置集成形成综合检测车。通过车载雷达天线，远距离快速完成对所述隧道衬砌的快速实时普查和病害定位，通过上下行配合的方式，提高了隧道衬砌隐伏病害检测的效率，实现对检测区段内隧道衬砌状况的实时检测，降低后期数据分析工作量。
69.在本技术一实施例中，对所述拟测区段的所述隧道衬砌表面发送所述脉冲信号之前，所述系统还包括通过位姿调整模型实现雷达天线的透射面与所述隧道衬砌表面的自动对齐，所述位姿调整模型包括如下：根据隧道衬砌的断面设计图建立坐标系；获取所述隧道衬砌表面的检测位置，得到第一坐标；根据所述第一坐标得到所述雷达天线的耦合位置及透射角度；获取所述雷达天线的转轴的实时位置，得到第二坐标，其中，所述转轴为所述雷达天线在调整透射角度时转动所围绕的中心轴；获取所述雷达天线的所述透射面中心的位置，得到第三坐标；根据所述耦合位置和所述透射角度调整所述第二坐标和所述第三坐标。
70.在本技术一实施例中，根据所述耦合位置和所述透射角度调整所述第二坐标和所述第三坐标，还包括：以所述转轴为极点建立极坐标系；根据所述第二坐标和所述第三坐标的相对位置，获取所述第三坐标在所述极坐标系中的位置，得到第四坐标；根据所述透射角度调整所述第四坐标。
71.在本技术一实施例中，对所述第一数据进行数据预处理，所述数据预处理还包括对所述第一数据在数据缓存区域采用fifo环形缓存的方式进行数据缓存，其中，所述数据缓存区域用于对所述第一区域进行缓存。
72.在本技术一实施例中，对所述第一数据在所述数据缓存区域采用fifo环形缓存的方式进行数据缓存的步骤之前，所述系统还包括：获取所述数据缓存区域的数据存储状态，所述数据存储状态用于判断所述数据缓存区域是否正在执行数据存储任务，当所述数据缓存区域正在执行数据存储任务时，创建新的存储线程，所述存储线程用于对所述第一数据进行数据缓存，当所述数据缓存区域没有正在执行的数据存储任务时，所述数据缓存区域直接对所述第一数据进行存储。
73.在本技术一实施例中，对所述拟测区段的所述隧道衬砌表面发送所述脉冲信号，所述系统还包括所述脉冲信号为距离脉冲信号，所述距离脉冲信号为在连续采集过程中，按照预设间隔距离发射所述脉冲信号。
74.在本技术一实施例中，所述病害特征模型的建立包括如下：采集常见隧道衬砌隐伏病害的所述第一数据，并对所述第一数据进行人工分类和
标注，得到对应的病害类别标签；对所述第一数据进行数据预处理后，得到所述第二数据；获取所述第二数据的所述特征向量，分析所述病害类别标签与所述特征向量之间的联系，得到各个所述病害类别标签对应的分类依据；整合所有所述病害类别标签和所述分类依据，得到所述病害特征模型。
75.在本技术一实施例中，对所述病害区域进行标记之后，所述系统还包括对所述对比结果和所述病害区域进行人工校验，当人工校验的结果与所述对比结果和/或所述病害区域不一致时，采用人工干预的方式进行矫正，并将矫正后的所述对比结果和/所述病害区域反馈给所述病害特征模型。
76.需要说明的是，本领域内的技术人员应理解，本发明的实施例所披露的内容可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或软件和硬件相结合的实施例的形式实现。
77.本领域内普通技术人员可以理解，上述方法中的全部或部分步骤中可通过计算机程序指令相关硬件完成，这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
78.本公开中使用了流程图用来说明通过本公开的实施例的方法的步骤。应当理解的是，前面或后面的步骤不一定按照顺序来精确的进行。相反，可以按照倒序或同时评价各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中。
79.除非另有定义，这里使用的所有术语具有与本公开所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
80.以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法，其特征在于：对拟测区段的隧道衬砌表面发送脉冲信号，并获取第一数据，其中，所述第一数据为所述脉冲信号经过反射后，信号接收装置获取的信号数据；对所述第一数据进行数据预处理，得到第二数据；获取所述第二数据的特征向量，其中，所述特征向量为所述第二数据的二维信号特征，包括振幅、相位和同相轴；将所述第二数据的所述特征向量与病害特征模型进行对比，根据对比结果判断所述第二数据中是否存在病害区域，其中，所述病害区域为所述脉冲信号经过所述隧道衬砌中可能造成安全隐患的区域反射后出现异常的所述特征向量的数据区域，当所述第二数据中存在所述病害区域时，对所述病害区域进行标记。2.如权利要求1所述的双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法，其特征在于，对所述拟测区段的所述隧道衬砌表面发送所述脉冲信号之前，所述方法还包括通过位姿调整模型实现雷达天线的透射面与所述隧道衬砌表面的自动对齐，所述位姿调整模型的建立方法如下：根据隧道衬砌的断面设计图建立坐标系；获取所述隧道衬砌表面的检测位置，得到第一坐标；根据所述第一坐标得到所述雷达天线的耦合位置及透射角度；获取所述雷达天线的转轴的实时位置，得到第二坐标，其中，所述转轴为所述雷达天线在调整透射角度时转动所围绕的中心轴；获取所述雷达天线的所述透射面中心的位置，得到第三坐标；根据所述耦合位置和所述透射角度调整所述第二坐标和所述第三坐标。3.如权利要求2所述的双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法，其特征在于，根据所述耦合位置和所述透射角度调整所述第二坐标和所述第三坐标，还包括：以所述转轴为极点建立极坐标系；根据所述第二坐标和所述第三坐标的相对位置，获取所述第三坐标在所述极坐标系中的位置，得到第四坐标；根据所述透射角度调整所述第四坐标。4.如权利要求1-3任意一项所述的双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法，其特征在于，对所述第一数据进行数据预处理，所述数据预处理还包括对所述第一数据在数据缓存区域采用fifo环形缓存的方式进行数据缓存，其中，所述数据缓存区域用于对所述第一区域进行缓存。5.如权利要求4所述的双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法，其特征在于，对所述第一数据在所述数据缓存区域采用fifo环形缓存的方式进行数据缓存的步骤之前，所述方法还包括：获取所述数据缓存区域的数据存储状态，所述数据存储状态用于判断所述数据缓存区域是否正在执行数据存储任务，当所述数据缓存区域正在执行数据存储任务时，创建新的存储线程，所述存储线程用于对所述第一数据进行数据缓存，当所述数据缓存区域没有正在执行的数据存储任务时，所述数据缓存区域直接对所述第一数据进行存储。6.如权利要求5所述的双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法，其特征在于，
对所述拟测区段的所述隧道衬砌表面发送所述脉冲信号，所述方法还包括所述脉冲信号为距离脉冲信号，所述距离脉冲信号为在连续采集过程中，按照预设间隔距离发射所述脉冲信号。7.如权利要求6所述的双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法，其特征在于，所述病害特征模型的建立方法如下：采集常见隧道衬砌隐伏病害的所述第一数据，并对所述第一数据进行人工分类和标注，得到对应的病害类别标签；对所述第一数据进行数据预处理后，得到所述第二数据；获取所述第二数据的所述特征向量，分析所述病害类别标签与所述特征向量之间的联系，得到各个所述病害类别标签对应的分类依据；整合所有所述病害类别标签和所述分类依据，得到所述病害特征模型。8.如权利要求1所述的双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法，其特征在于，对所述病害区域进行标记之后，所述方法还包括对所述对比结果和所述病害区域进行人工校验，当人工校验的结果与所述对比结果和/或所述病害区域不一致时，采用人工干预的方式进行矫正，并将矫正后的所述对比结果和/所述病害区域反馈给所述病害特征模型。9.双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查系统，其特征在于，包括：数据采集模块，用于对拟测区段的隧道衬砌表面发送脉冲信号，并获取第一数据，其中，所述第一数据为所述脉冲信号经过反射后，信号接收装置获取的信号数据；数据预处理模块，用于对所述第一数据进行数据预处理，得到第二数据；特征识别模块，用于获取所述第二数据的特征向量，其中，所述特征向量为所述第二数据的二维信号特征，包括振幅、相位和同相轴；将所述第二数据的所述特征向量与病害特征模型进行对比，根据对比结果判断所述第二数据中是否存在病害区域，其中，所述病害区域为所述脉冲信号经过所述隧道衬砌中可能造成安全隐患的区域反射后出现异常的所述特征向量的数据区域，当所述第二数据中存在所述病害区域时，对所述病害区域进行标记。10.如权利要求9所述的双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查系统，其特征在于，所述系统还包括天线位姿调整模块，所述天线位姿调整模块包括若干个纵臂、横臂和若干个雷达天线，相邻两个所述纵臂之间活动连接，使所述纵臂可产生纵向的位移，所有所述纵臂形成纵臂组，所述纵臂组的一端与检测车可分离连接，另一端与所述横臂的一端通过第一转动部件活动连接，所述第一转动部件用于调整所述横臂和所述纵臂之间的角度，所述纵臂组中还设置有传动装置，所述传动装置使若干个所述纵臂同速升降，若干个所述雷达天线通过第二转动部件与所述纵臂和所述横臂活动连接，所述第二转动部件用于改变所述雷达天线与所述纵臂或所述横臂之间的角度。

技术总结
本发明请求保护双线隧道衬砌隐伏病害远距离快速实时普查方法及系统，利用车载探地雷达检测技术，通过提取脉冲信号数据特征向量的方式，将其与病害特征模型进行对比，判别当前隧道衬砌是否存在隐伏病害，并对隐伏病害进行标记，降低了雷达数据现场采集及后续处理的工作强度，缩短了隧道衬砌隐伏病害大范围快速普查数据周期。同时，通过自动获取雷达天线位姿自动获取，根据天线位姿调整模型，自动调整天线位姿，使雷达天线透射面与隧道衬砌表面自动对齐，实现了对隧道衬砌隐伏病害的自动化检测。测。测。


技术研发人员：李保庆 苏国锋 魏文涛 林文兴 韩林缘 李猛 景鹏飞
受保护的技术使用者：成都天佑智检科技合伙企业（有限合伙）
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/20