探地雷達三維高分辨成像與樹根參數估計.pdf

1、探地雷達(Ground Penetrating Radar, GPR)是一種利用電磁波對地下目標進行無損探測的技術。隨著應用領域的不斷拓展，GPR被越來越頻繁地用于地下目標三維重構以及目標特征分析，這對GPR三維成像技術的發(fā)展以及數據解譯能力的提高提出了迫切的要求。樹根生物量的估計屬于生態(tài)學領域的研究范疇，而 GPR在樹根無損探測及生物量估計方面已顯現出巨大的潛力。本文以地下根系為研究對象，從GPR數據的三維高分辨成像和樹根生物量估計兩

2、方面切入，進行了深入的研究。
　　首先研究了基于矩形網格采樣GPR數據的三維高分辨成像算法。高分辨成像的意義在于成像結果能無失真地恢復地下目標的三維結構，因此，本文提出了矩形網格采樣的Nyquist空間采樣定理以及兩種采樣間隔的預估方法。針對傳統矩形網格采樣測量時間長，精度不高的缺點，本文使用具有精確定位裝置的3D-GPR系統來完成二維掃描，顯著地克服了傳統方法的缺點。由于樹根這類圓柱體目標在電磁波探測中具有明顯的去極化效應，而商

3、用GPR設備多采用線極化天線，矩形網格采樣GPR數據的成像結果受到了嚴重影響。針對這一問題，本文提出了GPR圓周掃描方式，有效地去除去極化效應對根系成像結果的影響。
　　其次提出了基于GPR圓掃的極坐標采樣方式，定義了新的采樣幾何模型，并理論推導了新采樣方式應滿足的Nyquist空間采樣條件。對于極坐標采樣GPR數據，本文提出了四種不同的實現三維高分辨成像的技術路線，并逐一進行了理論研究和公式推導。根據仿真實驗的結果，所提的波數域

4、FBP(Filtered Back Projection)三維成像算法兼具較高的運算效率和較好的成像精度。此外，本文設計開發(fā)了圓周掃描GPR系統，利用樹根實測數據檢驗了所提的極坐標采樣方式和波數域FBP成像算法的有效性。
　　在利用GPR進行樹根生物量估計方面，本文依據根直徑與生物量的正相關性，提出利用樹根回波雙曲線來估計根直徑，從而間接地估計生物量。根直徑的估計建立在收發(fā)天線分置的回波雙曲線模型基礎之上，利用改進的Levenbe

5、rg-Marquardt算法，以最小二乘為最優(yōu)化求解準則，依次估計出模型中四個未知參量，最終得到樹根直徑的最優(yōu)化估計值。此外，本文提出利用逆 Q濾波來校正因土壤有耗色散特性導致的波形畸變，以提高雙曲線樣本點提取的精度，從而減小根直徑最優(yōu)化估計結果的誤差。
　　最后研究了3D-GPR系統獲得的野外松樹根系的三維高分辨GPR數據。根據實際樹根GPR數據的特點，本文提出了基于迭代搜索的三維粗根檢測方法。粗根檢測的起始位置定在了主根位置，