本文關(guān)鍵詞： 全極化探地雷達(dá) H-α分解 分類 極化 成像 噪音 雜波　出處：《吉林大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在很多科學(xué)探勘及工程應(yīng)用領(lǐng)域中如果能夠迅速準(zhǔn)確的知道地下的結(jié)構(gòu)將會對增加安全性和經(jīng)濟(jì)效益等方面有極大的幫助。例如在工程建筑方面,眾所周知的“豆腐渣工程”就是使用一些劣質(zhì)的材料或偷工減料所致,那么如果能夠?qū)Σ牧系馁|(zhì)量進(jìn)行檢測就會避免此現(xiàn)象進(jìn)而提高工程質(zhì)量。在考古方面,如果采用鉆孔或到處挖掘的方法即缺乏效率又容易造成不必要的破壞。在農(nóng)田灌溉排水方面,地下土壤排水不好將會導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量降低,如果知道地下土壤的濕度分布及排水情況就可用作改善根據(jù)進(jìn)而會提高農(nóng)作物的產(chǎn)量等等。諸如此類的實(shí)際例子不勝枚舉。目前常用地下結(jié)構(gòu)探測的科學(xué)方式有基于重力變化、地磁場變化、電磁感應(yīng)、導(dǎo)電系數(shù)分布、聲波傳播、鉆孔及探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar)等�？墒沁@些方法中有一些是破壞性的,有些設(shè)備操作復(fù)雜,效率低,需要經(jīng)過特殊訓(xùn)練的專業(yè)人員才可以解釋數(shù)據(jù)。只有探地雷達(dá)(GPR)是一種及方便的非破壞性的淺層地球物理探測技術(shù)。因此本論文主要是針對進(jìn)一步改進(jìn)GPR地下目標(biāo)體辨識技術(shù)所做的研究發(fā)展。GPR是一種利用高頻無線電波在地下傳播及反射的物理現(xiàn)象來確定介質(zhì)內(nèi)部電磁波參數(shù)分布的探測技術(shù)。GPR是一種非破壞性的地下穿透探測方式,具有數(shù)據(jù)采集速度快、便于攜帶、容易操作、適應(yīng)場地能力強(qiáng)、價(jià)格合理、抗干擾能力強(qiáng)和探測分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。近年來GPR已被廣泛的應(yīng)用在工程建筑、環(huán)境檢測、考古研究、地質(zhì)勘探、水文地質(zhì)調(diào)查、基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、農(nóng)地灌溉排水系統(tǒng)、地下坑道定位、地塹發(fā)現(xiàn)、礦產(chǎn)勘查以及地雷和未爆彈物探測、及星球探測等領(lǐng)域,并已廣泛達(dá)到良好的成效。可是目前的GPR系統(tǒng)絕大多數(shù)為單極化系統(tǒng),所以在對不同極化散射類型的目標(biāo)體辨識僅僅依賴于觀察在不同深度的二維散射剖面圖。單極化系統(tǒng)只能得到單極化數(shù)據(jù),這對于有些常見的重要線性地下目標(biāo)體如管道、纜線和未爆炸物等無法有效的將其與其他類目標(biāo)體進(jìn)行迅速有效的分類。雖然全極化雷達(dá)及其相關(guān)的信號處理技術(shù)已經(jīng)在微波遙感領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。然而,全極化系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理技術(shù)至今還很少被應(yīng)用在地表探地雷達(dá)領(lǐng)域。全極化在地下目標(biāo)體分類中應(yīng)有很大益處,。因?yàn)椴煌叵履繕?biāo)體常有不同的散射極化特性,比如管道,纜線等會產(chǎn)生線性極化的散射;地層產(chǎn)生的散射無特殊極化方向;墻角和地塹產(chǎn)生的散射有不同于地層和管道的特殊偏極化特性。這些有不同極化特性的目標(biāo)物可以通過全極化GPR進(jìn)一步辨識。全極化探地雷達(dá)數(shù)據(jù)可以推導(dǎo)出目標(biāo)體的散射矩陣,通過散射矩陣能夠進(jìn)一步提取目標(biāo)體在每一個(gè)觀測點(diǎn)上的極化屬性然后又加以分類。雖然這種全極化目標(biāo)體的分類能力應(yīng)該能夠提高GPR測量的準(zhǔn)確性和有效性,但是這種全極化GPR系統(tǒng)和技術(shù)至今還沒有被完全的應(yīng)用與探討,以至于全極化GPR系統(tǒng)及其信號處理技術(shù)還未被廣泛的使用。本作者的主要研究貢獻(xiàn)列舉如下:(1)以實(shí)驗(yàn)方式證明了基于熵的全極化目標(biāo)辨識方法(即H-分解方法)對GPR目標(biāo)體辨識的有效性。雖然H-全極化目標(biāo)辨識方法已經(jīng)被應(yīng)用在了遙感領(lǐng)域和井中雷達(dá),可是還未被用于地表GPR中。為了證明H-全極化目標(biāo)分類會有助于地下目標(biāo)體的辨識,本作者選擇了四種不同散射極化類型的目標(biāo)體:金屬球,金屬平面板,金屬二面體和具有多個(gè)線性分支的雜亂散射體。首先將這四種目標(biāo)體埋在了實(shí)驗(yàn)室各向同性的干沙下面,用實(shí)驗(yàn)室中的自動化全極化數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)分別得到了這四種目標(biāo)體的全極化雷達(dá)數(shù)據(jù)。接著用在這種低雜波環(huán)境下得到目標(biāo)體的全極化數(shù)據(jù)處理后驗(yàn)證了H-極化分解方法在地表GPR應(yīng)用中的可行性,并且得到了良好的分類效果。(2)發(fā)展出適用于GPR高噪音高雜波情況下有效的改進(jìn)H-全極化地下目標(biāo)體目標(biāo)辨識方法。原始用于遙感領(lǐng)域的H-目標(biāo)辨識方法可以在理論上將不同類型的目標(biāo)體例如球形對稱目標(biāo)體(地層),二面體(墻角、斷層),線性目標(biāo)體(管道、纜線和未爆炸物等)加以分類。但這只限于低噪音低雜波的情況,并不適用于全極化GPR數(shù)據(jù)中,這是因?yàn)閺?fù)雜的地下介質(zhì)成分及分布使得GPR數(shù)據(jù)中含有較多雜波,且其強(qiáng)度并不一定比信號弱很多�；诖讼拗�,本作者經(jīng)過對不同噪音、雜波強(qiáng)度對H-值影響的研究后,發(fā)展出了一套新的H-目標(biāo)辨識圖。此辨識圖可適用于較廣泛的噪音及雜波環(huán)境下將二面體目標(biāo)體、線性目標(biāo)體和球形對稱目標(biāo)體加以有效的分類。(3)推導(dǎo)出由單極化雷達(dá)系統(tǒng)得到全極化GPR數(shù)據(jù)的理論及方法。本論文及其他學(xué)者的研究已證實(shí)全極化目標(biāo)辨識應(yīng)該對地下目標(biāo)體辨識會有極大幫助,尤其是線性目標(biāo)體如管道、纜線和未爆炸物等僅僅用單極化數(shù)據(jù)很難將其進(jìn)行分類。但是目前絕大多數(shù)GPR使用者使用的是單極化雷達(dá),只能得到單極化數(shù)據(jù),為了能幫助這些使用者能夠用單極化系統(tǒng)進(jìn)行全極化目標(biāo)體辨識,本論文發(fā)展了一套新的用單極化雷達(dá)得到全極化數(shù)據(jù)的方法。(4)以實(shí)際測量的單極化和全極化GPR數(shù)據(jù)示范并驗(yàn)證了全極化辨識方法對不同地下目標(biāo)體辨識的有效性。本論文將改進(jìn)的H-目標(biāo)體辨識方法應(yīng)用到了未爆彈物(UXO)和農(nóng)田排水管的全極化數(shù)據(jù)中,最終實(shí)現(xiàn)了將未爆彈物和農(nóng)田排水管的分類,并且得到了良好的分類效果。本論文還利用單極化商業(yè)雷達(dá)(SensorSoftware)得到全極化數(shù)據(jù)的方法對排水管道進(jìn)行了測量并且得到了排水管道的全極化數(shù)據(jù),最終將此全極化數(shù)據(jù)應(yīng)用到了改進(jìn)的H-目標(biāo)辨識方法中得到了較好的分類效果。
[Abstract]:GPR is a kind of non - destructive underground penetrating detection method . In order to prove that H - polarimetric target classification can improve the accuracy and effectiveness of GPR measurement , it is proved that H - polarimetric target classification can improve the accuracy and effectiveness of GPR measurement .

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P631.3

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本文編號：1445885