探地雷達信號后處理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在淺地表下的目標探測中，探地雷達（GPR）技術(shù)被認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來探測淺層地下介質(zhì)分布規(guī)律的無損勘探方法。GPR技術(shù)由于具有施工方便、探測效率高、探測結(jié)果分辨率高等特性，使得該技術(shù)的應用呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。盡管GPR技術(shù)及其應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信號后處理技術(shù)僅發(fā)生了量變，沒有根本性的發(fā)展。通過GPR信號后處理技術(shù)對待測目標體的屬性進行定量分析

2、一直是該領(lǐng)域科研人員追求的目標，但是由于探測環(huán)境復雜，以及待測目標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)還不能實現(xiàn)對任意待測目標體進行精確地定量分析。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴GPR回波信號中包含多次回波、雜波以及各種噪聲干擾信號，嚴重影響其對淺地表構(gòu)造信息的解釋精度。為了更好地分析GPR回波信號的特性，在分析GPR發(fā)射的脈沖信號在地電介質(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、波信號分解的本征分量分解（ICD）模型，該模型首先構(gòu)造一個本征向量庫，庫中元素是通過對脈沖源信號分別進行1至360度的相移得到，將該本征向量庫作為字典實現(xiàn)了GPR回波信號的稀疏表示；然后，通過自適應選取相關(guān)性閾值，將GPR回波信號分解為多個本征分量函數(shù)（ICF）分量和一個余量，每個ICF分量是由基于本征分量庫的稀疏系數(shù)重建得到，各個ICF分量與本征分量庫中元素的相關(guān)性依次降低。最后，分別在層狀隨機介質(zhì)模型和實測環(huán)境對應的GPR回波信號上

4、研究和驗證了ICD分解方法的性能，實驗結(jié)果表明：ICD分解方法具有很強的降噪能力，能對目標回波信號進行波形修正；通過對各個ICF分量對應的剖面數(shù)據(jù)進行分析，有利于解釋地電系統(tǒng)的內(nèi)部特征。⑵為了實現(xiàn)對具有復雜幾何形狀的異質(zhì)體進行高分辨率成像，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：根據(jù)待成像點在距離其最近

5、的測道上與其臨近測道上的反射回波信號具有相關(guān)性，通過設定相關(guān)性閾值自適應的選取有效回波信息序列，使得SBP成像算法有較快的運算速度和較高的成像分辨率；設計了深度能量補償算法對成像結(jié)果進行修正，增強了深層異質(zhì)體在成像結(jié)果中的分辨率。實驗結(jié)果表明：SBP成像算法在運算速度和成像結(jié)果分辨率上都優(yōu)于現(xiàn)有的BP成像算法及其改進算法，能對探測區(qū)域中具有復雜幾何形狀的異質(zhì)體進行快速且高分辨率成像。⑶在淺地表下管線探測、球體探測、地雷探測等民用和軍用領(lǐng)

6、域中，待測目標體具有一個共性特征，即：目標體在探測剖面上都為一個“圓”形或者近似為“圓”形。為了實現(xiàn)對“圓”形目標體進行有效重建，推導了“圓”形目標體各個參數(shù)與B-Scan中目標回波信號曲線參數(shù)之間的數(shù)學關(guān)系式，在此基礎(chǔ)上，提出了“圓”形目標體重建方法，并通過實驗驗證了該方法的實用性。實驗結(jié)果表明：該方法能重建出“圓”形目標體的位置、埋深、大小和介電屬性參數(shù)值，而且能計算出目標體附近探測背景的平均相對介電常數(shù)值，突破了傳統(tǒng)成像方法只適用

7、于探測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、運算速度快等優(yōu)點。⑷采用現(xiàn)有的方法對層狀構(gòu)造進行波形反演時，存在三個難題，分別為：誤差分析函數(shù)收斂性差、求解過程容易陷入局部最優(yōu)解、反演結(jié)果穩(wěn)定性差。為了解決這些問題，提出一種基于首達時約束的波形反演方法，并建立了多級細化搜索模型，以求解反演過程中誤差分析函數(shù)的最優(yōu)解。改進后的波形反演方法以各層介質(zhì)分界面處對應的回波信號的首達時為先驗信息，以降低算法求解過程的復雜度；采用多級

8、細化搜索法求解誤差分析函數(shù)的最優(yōu)解，既能保證問題求解速度，又能保證反演結(jié)果的穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明：針對層狀構(gòu)造反演問題，改進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，該方法還具有時間復雜度低和反演結(jié)果精度高而且穩(wěn)定等優(yōu)點。⑸經(jīng)過理論推導表明：GPR回波信號與地下空間介質(zhì)對應的系統(tǒng)函數(shù)之間具有復雜的非線性的隱式表達式，根據(jù)GPR回波信號不能推導出地電構(gòu)造空間分布信息的表達式。為了智能分析地下空間介質(zhì)分部信息，以統(tǒng)計編

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信號的主能量譜所在頻段區(qū)間；然后，設計帶通濾波器組將GPR信號主能量譜所在頻段區(qū)間進行子頻帶劃分，并提取各個子頻帶區(qū)間GPR信號功率譜曲線的“慢衰減點”和“快衰減點”特征信息；最后，對“慢衰減點”和“快衰減點”特征信息進行編碼得到特征向量。實驗結(jié)果表明：該方法提取的特征向量能較好的表征GPR回波信號對應的地電信息，適用于GPR回波信號中的目