一种基于探地雷达方位各向异性裂缝探测与识别方法技术

本发明专利技术涉及一种基于探地雷达方位各向异性裂缝探测与识别方法，包括以下步骤：将发射天线与接收天线分别与探地雷达系统中的第一通道和第二通道相连，所述第一通道为发射通道，所述第二通道为接收通道；共极化探测：以裂缝走向为0°方向，发射天线与接收天线平行放置，以固定偏移距旋转180°；交叉极化探测：以裂缝走向为0°方向，发射天线与接收天线垂直放置，以固定偏移距旋转180°。通过共极化探测的横波分裂现象及交叉极化探测的横波旅行时特征为基于探地雷达方法的裂缝识别提供了一种全新的方法，并且根据分裂现象可以精确判断裂缝或可等效为裂缝介质的走向。

A method for detecting and identifying cracks based on orientation anisotropy of ground penetrating radar

The invention relates to a method of detecting and identifying the azimuthal anisotropy crack of ground penetrating radar, including the following steps: the transmitting antenna and the receiving antenna are connected to the first channel and the second channel in the ground penetrating radar system respectively. The first channel is the transmitting channel, the second channel is the receiving channel, and the common polarization detection is: With the orientation of the crack in the direction of 0 degrees, the transmitting antenna and the receiving antenna are placed in parallel to rotate 180 degrees with fixed offset; cross polarization detection: the direction of the crack direction is 0 degrees, the transmitting antenna is vertically placed with the receiving antenna and rotates 180 degrees with the fixed offset. The cross polarization detection of transverse wave splitting and cross polarization detection of transverse wave travel time feature provides a new method for crack identification based on ground penetrating radar method, and it can accurately judge the crack or the direction of the fractured medium according to the splitting phenomenon.

【技术实现步骤摘要】
一种基于探地雷达方位各向异性裂缝探测与识别方法
本专利技术涉及一种基于探地雷达方位各向异性的裂缝探测及识别方法，属于地球物理中探测方法及目标识别的

技术介绍
探地雷达（GroundPenetratingRadar,GPR）的历史最早可追溯到20世纪初，其通过电磁波来探测地下介质的分布，具有无损、抗干扰能力强、准确及高效的特点。基本原理是宽频带短脉冲电磁波通过发射天线向地下辐射，由于不同介质物理特性（主要指介电常数、导电率和磁导率）存在差异，当电磁波穿过地下各地层或某一目标体时，若界面两侧电磁波物性参数不同，电磁波将在界面上发生反射和透射，反射回地面的电磁波脉冲被接收天线所接收；接收信号中的电磁波波形、电磁场强度及传播路径均受到所通过介质电性质及几何形态的影响，即接收信号中包含地下地层和目标体的信息。因此，通过分析接收到的反射波走时、幅度及相位等波形参数，可对地下地层和目标体的性状做出一定程度的判断。目前商用探地雷达系统中较常见天线类型有水平杆状/板状偶极天线、领结型天线（又称蝶形天线）及喇叭天线，根据发射天线与接收天线之间的相对位置，可以进行共偏移距、共发射点及共中心点三种方式的探测。极化是电磁波共有的一种性质，根据电场强度矢量终端端点在波前平面内随时间变化的轨迹，可将其分为线极化、圆极化及椭圆极化，探地雷达采用的偶极振子天线为线极化。传统的探地雷达天线只接收与发射天线相同极化方向的反射波，但当电磁波入射到具有多种电磁波视角的目标体后，反射回来的电磁波的极化将产生不同程度的旋转，这就造成目标体反射信息的丢失，为了获取极化信息，可以采用改变探地雷达天线的方向进行极化探测，根据极化方向与测线方向的位置关系可以分为H极化（与测线平行）及V极化（与测线垂直），因此，发射天线与接收天线可以组合成HH、VV、HV及VH四种极化方式，其中，HH、VV为共极化，HV、VH为交叉极化。高频电磁波在介质中的传播服从麦克斯韦方程组，根据麦克斯韦方程组、本构关系，利用矢量相乘法则可以得到电磁场的亥姆霍兹（Helmholtz）方程，通过该方程可知，电场E和磁场H以波动形式传播，且电场与磁场的方向与电磁波的运动方向垂直，是一种横波。根据物理性质与方向的相关性，可将介质分为各向同性及各向异性介质，裂（缝）隙诱导的各向异性就是重要的一类各向异性，并且在该类方位各向异性介质中，会产生速度方位异性，即对于既不平行也不垂直于裂（缝）隙方向的电磁波，会分裂成两个横波，该方向在探地雷达方法中尚无研究。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中无法对各向异性裂缝进行雷达探测和识别的问题，提供一种基于探地雷达方位各向异性裂缝探测与识别的方法，该方法通过极化探测及横波分裂现象来研究各向异性特征。本专利技术为了解决上述问题，所采取的技术方案为：一种基于探地雷达方位各向异性裂缝探测与识别方法，包括以下步骤：步骤1将发射天线与接收天线分别与探地雷达系统中的第一通道和第二通道相连，所述第一通道为发射通道，所述第二通道为接收通道；步骤2共极化探测：以裂缝走向为0°方向，发射天线与接收天线平行放置，以固定偏移距旋转180°，根据横波分裂现象分析裂缝的走向；步骤3交叉极化探测：以裂缝走向为0°方向，发射天线与接收天线垂直放置，以固定偏移距旋转180°，根据旅行时规律来判断裂缝走向。进一步的，所述步骤2中以固定偏移距顺时针旋转，每10°探测一次，至旋转180°。进一步的，所述步骤3中以固定偏移距顺时针旋转，每10°探测一次，至旋转180°。进一步的，将共极化探测和交叉极化探测数据作变面积剖面图，所述变面积剖面图为以方位角为横坐标，旅行时为纵坐标，并用变面积填充显示。进一步的，所述共极化探测中，极化方式为HH极化或VV极化。进一步的，所述交叉极化探测中，极化方式为HV极化或VH极化。本专利技术所产生的有益效果包括：本专利技术通过基于探地雷达各方位角的共极化及交叉极化探测，获得了各方位角裂缝在共极化及交叉极化下的探地雷达响应特征，研究了电磁波的横波分裂现象，通过共极化探测的横波分裂现象及交叉极化探测的横波旅行时特征为基于探地雷达方法的裂缝识别提供了一种全新的方法，并且根据分裂现象可以精确判断裂缝或可等效为裂缝介质（如地下管线）的走向。附图说明图1为本专利技术的基于探地雷达方位各向异性裂缝探测及识别方法共极化观测系统图。图2为本专利技术的基于探地雷达方位各向异性裂缝探测及识别方法交叉极化观测系统图。图3为收发距40cm共极化探测响应特征。图4为收发距40cm交叉极化探测响应特征。图5为收发距60cm共极化探测响应特征。图6为收发距60cm交叉极化探测响应特征。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细的解释说明，但应当理解为本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。本专利技术提出的基于探地雷达方位各向异性裂缝探测及识别方法，主要包含共极化探测、交叉极化探测及裂缝诱导的各向异性特征识别三大部分，具体如下：步骤1、将探地雷达系统中第一通道设为发射，第二通道设为接收，并分别与发射天线与接收天线连接；步骤2、共极化探测，即以裂缝走向为0°方向，发射天线与接收天线平行放置，以某一固定偏移距按顺时针方向每隔10°探测一次，旋转至180°，观察横波分裂状况；步骤3、交叉极化探测，即以裂缝走向为0°方向，发射天线与接收天线垂直放置，以某一固定偏移距按顺时针方向每隔10°探测一次，旋转至180°，观察旅行时规律；使用MATLAB编制程序读取共极化探测及交叉极化探测数据，以方位角为横坐标，旅行时为纵坐标，并用变面积填充显示制作变面积剖面图；通过变面积剖面图研究共极化及交叉极化下探地雷达方位各向异性特征。有裂缝存在时，不同偏移距下共极化探测剖面图中均可见横波分裂现象，且随着偏移距的增加，横波分裂的方位角范围增大，但90°方位角始终不分裂；不同偏移距下交叉极化探测剖面图中均未见横波分裂现象，但横波的旅行时呈减小-增加-再减小-再增加的趋势，且90°方位角处旅行时最长。其具体为：将探地雷达系统中第一通道设为发射，第二通道设为接收，主要考虑到高频天线（100MHz及其以上）多为收发一体天线。发射天线与接收天线平行放置，HH极化及VV极化可以任选其一。发射天线与接收天线垂直放置，HV极化及VH极化可以任选其一。研究共极化及交叉极化下探地雷达方位各向异性特征，通过共极化及交叉极化数据研究横波分裂现象及响应特征，进而识别裂缝诱导的各向异性特征。本专利技术通过基于探地雷达各方位角的共极化及交叉极化探测，获得了各方位角裂缝在共极化及交叉极化下的探地雷达响应特征，研究了电磁波的横波分裂现象，通过共极化探测的横波分裂现象及交叉极化探测的横波旅行时特征为基于探地雷达方法的裂缝识别提供了一种全新的方法，并且根据分裂现象可以精确判断裂缝或可等效为裂缝介质（如地下管线）的走向。实施例1发射天线与接收天线中心频率均为400MHz（天线类型GSSI5103），第一通道为发射，第二通道为接收，偏移距为40cm，其共极化探测响应特征见图3，从图中可见40°～60°，110°～130°方位角范围内可见横波分裂，其余方位角处未见横波分裂现象；交叉极化探测响应特征见图4，从图中可见各方位角处均未见横波分裂现象，旅行时呈减小-增加-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于探地雷达方位各向异性裂缝探测与识别方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1 将发射天线与接收天线分别与探地雷达系统中的第一通道和第二通道相连，所述第一通道为发射通道，所述第二通道为接收通道；步骤2共极化探测：以裂缝走向为0°方向，发射天线与接收天线平行放置，以固定偏移距旋转180°，根据横波分裂现象分析裂缝的走向；步骤3交叉极化探测：以裂缝走向为0°方向，发射天线与接收天线垂直放置，以固定偏移距旋转180°，根据旅行时规律来判断裂缝走向。

【技术特征摘要】
1.一种基于探地雷达方位各向异性裂缝探测与识别方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1将发射天线与接收天线分别与探地雷达系统中的第一通道和第二通道相连，所述第一通道为发射通道，所述第二通道为接收通道；步骤2共极化探测：以裂缝走向为0°方向，发射天线与接收天线平行放置，以固定偏移距旋转180°，根据横波分裂现象分析裂缝的走向；步骤3交叉极化探测：以裂缝走向为0°方向，发射天线与接收天线垂直放置，以固定偏移距旋转180°，根据旅行时规律来判断裂缝走向。2.根据权利要求1所述的基于探地雷达方位各向异性裂缝探测与识别方法，其特征在于：所述步骤2中以固定偏移距顺时针旋转，每10°探测一次，至旋转180°。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏奎烨，张宏兵，尚作萍，郭强，韩飞龙，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32