探地雷達(dá)信號(hào)后處理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在淺地表下的目標(biāo)探測(cè)中，探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)被認(rèn)為是最有前途的遙感技術(shù)之一，它是利用高頻超寬帶信號(hào)來(lái)探測(cè)淺層地下介質(zhì)分布規(guī)律的無(wú)損勘探方法。GPR技術(shù)由于具有施工方便、探測(cè)效率高、探測(cè)結(jié)果分辨率高等特性，使得該技術(shù)的應(yīng)用呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)。盡管GPR技術(shù)及其應(yīng)用取得了令人矚目的發(fā)展，但是其發(fā)展主要得益于GPR系統(tǒng)硬件的逐步完善，而GPR信號(hào)后處理技術(shù)僅發(fā)生了量變，沒(méi)有根本性的發(fā)展。通過(guò)GPR信號(hào)后處理技術(shù)對(duì)待測(cè)目標(biāo)體的屬性進(jìn)行定量分析

2、一直是該領(lǐng)域科研人員追求的目標(biāo)，但是由于探測(cè)環(huán)境復(fù)雜，以及待測(cè)目標(biāo)體本身的幾何形狀和介電屬性分布具有多樣性，再加上各種噪聲的干擾，使得現(xiàn)有的技術(shù)還不能實(shí)現(xiàn)對(duì)任意待測(cè)目標(biāo)體進(jìn)行精確地定量分析。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴GPR回波信號(hào)中包含多次回波、雜波以及各種噪聲干擾信號(hào)，嚴(yán)重影響其對(duì)淺地表構(gòu)造信息的解釋精度。為了更好地分析GPR回波信號(hào)的特性，在分析GPR發(fā)射的脈沖信號(hào)在地電介質(zhì)中的傳播特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種新的適用于GPR回

3、波信號(hào)分解的本征分量分解（ICD）模型，該模型首先構(gòu)造一個(gè)本征向量庫(kù)，庫(kù)中元素是通過(guò)對(duì)脈沖源信號(hào)分別進(jìn)行1至360度的相移得到，將該本征向量庫(kù)作為字典實(shí)現(xiàn)了GPR回波信號(hào)的稀疏表示；然后，通過(guò)自適應(yīng)選取相關(guān)性閾值，將GPR回波信號(hào)分解為多個(gè)本征分量函數(shù)（ICF）分量和一個(gè)余量，每個(gè)ICF分量是由基于本征分量庫(kù)的稀疏系數(shù)重建得到，各個(gè)ICF分量與本征分量庫(kù)中元素的相關(guān)性依次降低。最后，分別在層狀隨機(jī)介質(zhì)模型和實(shí)測(cè)環(huán)境對(duì)應(yīng)的GPR回波信號(hào)上

4、研究和驗(yàn)證了ICD分解方法的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ICD分解方法具有很強(qiáng)的降噪能力，能對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行波形修正；通過(guò)對(duì)各個(gè)ICF分量對(duì)應(yīng)的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有利于解釋地電系統(tǒng)的內(nèi)部特征。⑵為了實(shí)現(xiàn)對(duì)具有復(fù)雜幾何形狀的異質(zhì)體進(jìn)行高分辨率成像，提出了一種自相關(guān)反向投影（SBP）成像方法，該方法不但成像速度快，而且成像結(jié)果中能分辨出異質(zhì)體的幾何輪廓信息。SBP成像算法在現(xiàn)有的反向投影（BP）成像算法基礎(chǔ)上做了如下改進(jìn)：根據(jù)待成像點(diǎn)在距離其最近

5、的測(cè)道上與其臨近測(cè)道上的反射回波信號(hào)具有相關(guān)性，通過(guò)設(shè)定相關(guān)性閾值自適應(yīng)的選取有效回波信息序列，使得SBP成像算法有較快的運(yùn)算速度和較高的成像分辨率；設(shè)計(jì)了深度能量補(bǔ)償算法對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行修正，增強(qiáng)了深層異質(zhì)體在成像結(jié)果中的分辨率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SBP成像算法在運(yùn)算速度和成像結(jié)果分辨率上都優(yōu)于現(xiàn)有的BP成像算法及其改進(jìn)算法，能對(duì)探測(cè)區(qū)域中具有復(fù)雜幾何形狀的異質(zhì)體進(jìn)行快速且高分辨率成像。⑶在淺地表下管線(xiàn)探測(cè)、球體探測(cè)、地雷探測(cè)等民用和軍用領(lǐng)

6、域中，待測(cè)目標(biāo)體具有一個(gè)共性特征，即：目標(biāo)體在探測(cè)剖面上都為一個(gè)“圓”形或者近似為“圓”形。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)“圓”形目標(biāo)體進(jìn)行有效重建，推導(dǎo)了“圓”形目標(biāo)體各個(gè)參數(shù)與B-Scan中目標(biāo)回波信號(hào)曲線(xiàn)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，在此基礎(chǔ)上，提出了“圓”形目標(biāo)體重建方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法能重建出“圓”形目標(biāo)體的位置、埋深、大小和介電屬性參數(shù)值，而且能計(jì)算出目標(biāo)體附近探測(cè)背景的平均相對(duì)介電常數(shù)值，突破了傳統(tǒng)成像方法只適用

7、于探測(cè)背景的介電屬性為已知的瓶頸；此外，該方法具有重建精度高、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。⑷采用現(xiàn)有的方法對(duì)層狀構(gòu)造進(jìn)行波形反演時(shí)，存在三個(gè)難題，分別為：誤差分析函數(shù)收斂性差、求解過(guò)程容易陷入局部最優(yōu)解、反演結(jié)果穩(wěn)定性差。為了解決這些問(wèn)題，提出一種基于首達(dá)時(shí)約束的波形反演方法，并建立了多級(jí)細(xì)化搜索模型，以求解反演過(guò)程中誤差分析函數(shù)的最優(yōu)解。改進(jìn)后的波形反演方法以各層介質(zhì)分界面處對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)的首達(dá)時(shí)為先驗(yàn)信息，以降低算法求解過(guò)程的復(fù)雜度；采用多級(jí)

8、細(xì)化搜索法求解誤差分析函數(shù)的最優(yōu)解，既能保證問(wèn)題求解速度，又能保證反演結(jié)果的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：針對(duì)層狀構(gòu)造反演問(wèn)題，改進(jìn)后的波形反演方法能有效重建出各層介質(zhì)的厚度和介電常數(shù)信息；同時(shí)，該方法還具有時(shí)間復(fù)雜度低和反演結(jié)果精度高而且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。⑸經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)表明：GPR回波信號(hào)與地下空間介質(zhì)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)之間具有復(fù)雜的非線(xiàn)性的隱式表達(dá)式，根據(jù)GPR回波信號(hào)不能推導(dǎo)出地電構(gòu)造空間分布信息的表達(dá)式。為了智能分析地下空間介質(zhì)分部信息，以統(tǒng)計(jì)編

9、碼分析為基礎(chǔ)，提出了一種新的頻帶介電譜特征向量提取方法。首先，根據(jù)脈沖源功率譜分布信息，選取GPR信號(hào)的主能量譜所在頻段區(qū)間；然后，設(shè)計(jì)帶通濾波器組將GPR信號(hào)主能量譜所在頻段區(qū)間進(jìn)行子頻帶劃分，并提取各個(gè)子頻帶區(qū)間GPR信號(hào)功率譜曲線(xiàn)的“慢衰減點(diǎn)”和“快衰減點(diǎn)”特征信息；最后，對(duì)“慢衰減點(diǎn)”和“快衰減點(diǎn)”特征信息進(jìn)行編碼得到特征向量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法提取的特征向量能較好的表征GPR回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的地電信息，適用于GPR回波信號(hào)中的目