本文關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)信號后處理關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：在淺地表下的目標(biāo)探測中,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(yīng)用呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。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(biāo)體的屬性進(jìn)行定量分析一直是該領(lǐng)域科研人員追求的目標(biāo),但是由于探測環(huán)境復(fù)雜,以及待測目標(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)對任意待測目標(biāo)體進(jìn)行精確地定量分析。為了進(jìn)一步提高GPR系統(tǒng)對待測目標(biāo)體的定量或者半定量分析的能力,本論文對GPR信號后處理中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了深入研究,包括:GPR回波信號特性分析、信號增強(qiáng)、目標(biāo)成像、目標(biāo)重建、波形反演和目標(biāo)識別等,論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和研究成果如下:1、GPR回波信號中包含多次回波、雜波以及各種噪聲干擾信號,嚴(yán)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(gè)本征向量庫,庫中元素是通過對脈沖源信號分別進(jìn)行1至360度的相移得到,將該本征向量庫作為字典實(shí)現(xiàn)了GPR回波信號的稀疏表示;然后,通過自適應(yīng)選取相關(guān)性閾值,將GPR回波信號分解為多個(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的稀疏系數(shù)重建得到,各個(gè)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(jī)介質(zhì)模型和實(shí)測環(huán)境對應(yīng)的GPR回波信號上研究和驗(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,能對目標(biāo)回波信號進(jìn)行波形修正;通過對各個(gè)ICF分量對應(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。2、為了實(shí)現(xiàn)對具有復(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(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,能對探測區(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。3、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)域中,待測目標(biāo)體具有一個(gè)共性特征,即:目標(biāo)體在探測剖面上都為一個(gè)“圓”形或者近似為“圓”形。為了實(shí)現(xiàn)對“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)回波信號曲線參數(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(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。4、采用現(xiàn)有的方法對層狀構(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(dá)時(shí)約束的波形反演方法,并建立了多級細(xì)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(jìn)后的波形反演方法以各層介質(zhì)分界面處對應(yīng)的回波信號的首達(dá)時(shí)為先驗(yàn)信息,以降低算法求解過程的復(fù)雜度;采用多級細(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:針對層狀構(gòu)造反演問題,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)。5、經(jīng)過理論推導(dǎo)表明:GPR回波信號與地下空間介質(zhì)對應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)之間具有復(fù)雜的非線性的隱式表達(dá)式,根據(jù)GPR回波信號不能推導(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(shè)計(jì)帶通濾波器組將GPR信號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信號功率譜曲線的“慢衰減點(diǎn)”和“快衰減點(diǎn)”特征信息;最后,對“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回波信號對應(yīng)的地電信息,適用于GPR回波信號中的目標(biāo)分類和識別;同時(shí),該算法還具有時(shí)間復(fù)雜度低和抗噪能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN957.51

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本文編號：1292824