土壤分層信息,特別是表土層結(jié)構(gòu),對(duì)土地生產(chǎn)力具有重要影響,是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。為了快速、準(zhǔn)確地獲取土壤分層信息,本文利用探地雷達(dá)對(duì)分層土壤進(jìn)行了回波信號(hào)采集,并分別在時(shí)域和頻域分析土壤層位置和層厚信息。首先在信號(hào)預(yù)處理的基礎(chǔ)上,借助包絡(luò)檢波方法確定在土壤分層界面在時(shí)域上的位置;然后獲取電磁波速度,得到土壤分層厚度�？紤]到土壤介電常數(shù)與電磁波在土壤中傳播速度的相關(guān)性,采用短時(shí)傅里葉變換方法（Short-time Fourier Transform,STFT）獲取各土壤層時(shí)頻域特征值,并利用回歸分析建立特征值與介電常數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)各土壤層的介電常數(shù)估算,從而計(jì)算出電磁波傳播速度,進(jìn)而確定土壤各層厚度。為驗(yàn)證算法的有效性,分別對(duì)理想模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和農(nóng)田環(huán)境進(jìn)行了探地雷達(dá)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明利用包絡(luò)檢波對(duì)探地雷達(dá)回波信息進(jìn)行分析,土壤層檢出率達(dá)到94.5%,借助STFT譜分析進(jìn)行探地雷達(dá)回波速度估計(jì),對(duì)于70 cm深度以上土層厚度計(jì)算誤差大都保持在10%以下,但隨著土壤深度的增加,誤差變大�？傮w來(lái)說(shuō),本方法能有效識(shí)別淺層土壤的分層信息,可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中耕層厚度的估測(cè)。 

【文章來(lái)源】：地球信息科學(xué)學(xué)報(bào). 2020,22(02)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：12 頁(yè)

【部分圖文】：

北京通州實(shí)驗(yàn)站模擬環(huán)境搭建及測(cè)線分布

由于電磁波在土壤介質(zhì)中傳播將發(fā)生衰減，并且由于地面坡度、粗糙度等幾何特性的不均一性，以及地表植被散射影響，接收機(jī)接收到的回波信號(hào)往往具有復(fù)雜的散射過(guò)程[15]，包含各種各樣的雜波干擾，使得土層識(shí)別十分困難，故首先對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行增益處理來(lái)彌補(bǔ)信號(hào)在傳播過(guò)程中的能量損失，并進(jìn)行濾波與降噪處理以降低噪聲，從而提高回波信號(hào)信噪比。本文所涉及的濾波處理過(guò)程主要包括：通過(guò)均值法進(jìn)行去除背景的影響；通過(guò)帶通濾波去除外界射頻信號(hào)的干擾；通過(guò)中值法去除來(lái)自地面反射的直達(dá)波。然后，分別在時(shí)域和頻域?qū)夭ㄐ盘?hào)進(jìn)行處理以獲取時(shí)域分層信息和估計(jì)各層電磁波傳播速度：(1)采用包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行土層分界面的時(shí)域確定，進(jìn)而確定土層分界面對(duì)應(yīng)傳播時(shí)間信息；(2)采用短時(shí)傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析，計(jì)算基于時(shí)域分層的各土壤層的頻域振幅峰值加權(quán)值，利用建立的頻域振幅峰值加權(quán)值與土壤介電常數(shù)的線性回歸關(guān)系計(jì)算各層的土壤介電常數(shù)，從而確定電磁波在各土層的傳播速度，最后結(jié)合土層界面時(shí)間信息確定各土層厚度信息。圖3 基于包絡(luò)檢波和STFT譜分析的探地雷達(dá)土壤分層信息識(shí)別方法流程

基于包絡(luò)檢波和STFT譜分析的探地雷達(dá)土壤分層信息識(shí)別方法流程

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]聯(lián)合瞬時(shí)參數(shù)分析用于探地雷達(dá)目標(biāo)增強(qiáng)[J]. 張海如,王國(guó)富,張法全.  微波學(xué)報(bào). 2017(01)
[2]短時(shí)傅里葉變換在GPR數(shù)據(jù)解釋中的應(yīng)用[J]. 戴前偉,吳鎧均,張彬.  物探與化探. 2016(06)
[3]探地雷達(dá)在地下考古遺存探測(cè)中的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用[J]. 宗鑫,王心源,劉傳勝,駱磊.  地球信息科學(xué)學(xué)報(bào). 2016(02)
[4]基于電阻率斷層掃描技術(shù)探測(cè)林地土層厚度[J]. 解迎革,李霞,張風(fēng)寶,王永吉.  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào). 2015(04)
[5]Hilbert譜分析在探地雷達(dá)薄層識(shí)別中的應(yīng)用[J]. 張先武,高云澤,方廣有.  地球物理學(xué)報(bào). 2013(08)
[6]不同水分條件下探地雷達(dá)電磁波波速估算方法與對(duì)比分析[J]. 王新靜,趙艷玲,胡振琪,王培俊,楊耀淇.  煤炭學(xué)報(bào). 2013(S1)
[7]采用短時(shí)傅里葉變換的鐵路車載探地雷達(dá)數(shù)據(jù)解譯方法[J]. 朱軍濤,廖紅建,謝勇勇,昝月穩(wěn).  西安交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2012(07)
[8]探地雷達(dá)在土層厚度調(diào)查中的試驗(yàn)研究[J]. 于秀秀,馬興旺,迪力夏提,劉驊,徐詠梅,李保國(guó).  土壤學(xué)報(bào). 2011(04)
[9]利用探地雷達(dá)檢測(cè)土壤質(zhì)量的研究進(jìn)展[J]. 何瑞珍,胡振琪,王金,王萍.  地球物理學(xué)進(jìn)展. 2009(04)
[10]應(yīng)用低頻微波波段GPR測(cè)量土壤結(jié)構(gòu)[J]. 彭亮,徐清,朱忠禮,余瀚.  北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2007(03)



本文編號(hào)：3607433