一种探地雷达分层介质参数反演方法技术

本发明专利技术提出了一种探地雷达分层介质参数反演方法，能够在计算量小的前提下实现分层介质的精确反演，适用于多层介质模型。本发明专利技术首先通过传统CMP方法实现第一层参数反演，然后利用该信息，基于分层介质模型构建不同偏移距下的传播方程，同时利用斯涅尔定律表示分层界面折射点位置，最小化分层处折射效应带来的误差，通过传播方程与斯涅尔定律的联立建立介质参数反演的代价函数。然后针对多个自变量的代价函数求导困难的问题，以枚举法进行大致寻优，获取初始值，以模式搜索方法进行精确寻优，输出多层参数的理想解，实现分层介质的精确反演，为后续的地下目标成像与识别检测提供精确的先验结构信息。的先验结构信息。的先验结构信息。

【技术实现步骤摘要】
一种探地雷达分层介质参数反演方法


[0001]本专利技术涉及探地雷达
，具体涉及一种探地雷达分层介质参数反演方法。

技术介绍

[0002]探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)是一种用于道路探测、地下勘探等的无损检测工具，在市政交通、基础设施建设等领域有着广阔的应用前景。探地雷达技术主要是利用高频超宽带电磁波在地下介质层结构中的反射、折射、散射等特性，估计地下介质的厚度、介电常数等结构信息。在探地雷达的实际应用中存在多层介质检测场景，而多层结构引起的多次反射和折射效应，导致传统反演方法无法实现介质参数的精准反演，并会影响到后续的目标成像和识别检测。
[0003]传统的参数反演方法包含有共中心点(Common Middle Point,CMP)方法、速度谱方法等。共中心点方法是应用最广泛的方法之一，它通过构建多层介质模型，求解不同偏移距下的传播方程来估计层参数，但是传播方程组的求解带来了极大的计算量。速度谱方法通过构造不同传播速度下的反射波轨迹，进行幅值叠加，绘制相干功率，获取分层界面处的反射响应，最后利用Dix公式实现参数反演，但是由于信号的振荡特性和分层结构的多次反射，谱图中存在许多干扰，难以准确获取分层响应。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出了一种探地雷达分层介质参数反演方法，能够在计算量小的前提下实现分层介质的精确反演，适用于多层介质模型。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]本专利技术的一种探地雷达分层介质参数反演方法，通过CMP方法实现第一层参数反演，然后利用该信息，基于分层介质模型构建不同偏移距下的传播方程，同时利用斯涅尔定律表示分层界面折射点位置，通过传播方程与斯涅尔定律的联立建立介质参数反演的代价函数；获取近似折射点的位置，然后将近似折射点位置带入传播方程的代价函数，构建折射点近似的代价函数；基于折射点近似的代价函数，利用枚举法实现估计，然后基于斯涅尔定律的代价函数，利用模式搜索方法实现介质参数反演。
[0007]其中，通过CMP方法实现第一层参数反演的方式为：建立单层CMP模型，根据不同收发间距下的传播方程，第一层的相对介电常数与层厚表示为：
[0008][0009][0010]其中，m表示探地雷达测量的A
‑
scan道数，d1,ε
r1
分别表示第一层介质的厚度与相对介电常数，ε
r1,j d
1,j
分别表示第j组收发间距下求解出的第一层介质的相对介电常数与层厚，j＝1,2,3
…
m
‑
1。
[0011]其中，根据不同收发间距下的传播方程，对应的最小二乘代价函数为：
[0012][0013]其中，m表示探地雷达测量的A
‑
scan道数，n表示分层介质层数，c表示光速，L
j
表示第j道A
‑
scan下收发天线的间距，j＝1,2,3
…
m
‑
1，ε
ri,j
,d
i,j
分别表示第j 道A
‑
scan下第i层分层介质的相对介电常数与厚度，i＝1,2,3
…
n，x
i,j
表示第j道 A
‑
scan下第i个分层界面处的折射点位置，Δt
i,j
表示第j道A
‑
scan下第i层界面反射波与空气直达波的传播时间差。
[0014]其中，基于斯涅尔定律的最小二乘代价函数为：
[0015][0016]其中，x1表示第1个分层界面的折射点位置，d1表示第一层介质的厚度。
[0017]其中，通过传播方程与斯涅尔定律的联立建立介质参数反演的代价函数具体为：通过联立基于传播方程与斯涅尔定律的两类代价函数，得到分层模型的总代价函数：
[0018]δ(ε
rn
,d
n
,x
1,1
,...,x
n,m
)＝a1δ1(ε
rn
,d
n
,x
1,1
,...,x
n,m
)+a2δ2(ε
rn
,d
n
,x
1,1
,...,x
n,m
)
[0019]其中，a1,a2是控制两类代价函数比例的可调控参数，x
1,1
,...,x
n,m
表示不同A
‑
scan 下各个分层界面处折射点位置的集合，ε
rn
,d
n
表示第n层分层介质的相对介电常数与厚度。
[0020]有益效果：
[0021]本专利技术基于CMP模型与模式搜索实现探地雷达分层介质参数反演，针对 CMP方法的传播方程组求解计算量大的问题，首先通过传统CMP方法实现第一层参数反演，然后利用该信息，基于分层介质模型构建不同偏移距下的传播方程，同时利用斯涅尔定律表示分层界面折射点位置，最小化分层处折射效应带来的误差，通过传播方程与斯涅尔定律的联立建立介质参数反演的代价函数。然后针对多个自变量的代价函数求导困难的问题，以枚举法进行大致寻优，获取初始值，以模式搜索方法进行精确寻优，输出多层参数的理想解，实现分层介质的精确反演，为后续的地下目标成像与识别检测提供精确的先验结构信息。
[0022]本专利技术应用于探地雷达分层介质的参数反演，由于雷达信号在分层介质模型中存在复杂的折射效应，传统方法存在较大的参数反演误差，无法适用于多层介质模型，而本专利技术能获得更好的参数反演性能，属于一种稳健高效的分层介质参数反演方法。
附图说明
[0023]图1是本专利技术方法的信号处理流程图。
[0024]图2是本专利技术方法建立的单层CMP模型。
[0025]图3是本专利技术方法建立的多层CMP模型。
[0026]图4是本专利技术方法基于的折射点近似几何关系示意图。
[0027]图5是本专利技术方法仿真采取的三层CMP模型示意图。
[0028]图6是本专利技术方法实测采取的CMP介质模型示意图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0030]图1是本专利技术信号处理流程图。本专利技术基于反射回波时域可分的情况，在获取各界
面反射波延时后，通过以下步骤实现：
[0031]步骤1：建立单层CMP模型，反演第一层参数具体如下：
[0032]如图2所示的单层CMP模型，入射电磁波在单层介质底部存在反射现象，电磁波的传播距离方程可以表示为：
[0033][0034][0035]其中，d1,ε
r1
分别表示第一层介质的厚度与相对介电常数，c表示光速，2L1表示第1道A
‑
scan下收发天线的间距，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种探地雷达分层介质参数反演方法，其特征在于，通过CMP方法实现第一层参数反演，然后利用该信息，基于分层介质模型构建不同偏移距下的传播方程，同时利用斯涅尔定律表示分层界面折射点位置，通过传播方程与斯涅尔定律的联立建立介质参数反演的代价函数；获取近似折射点的位置，然后将近似折射点位置带入传播方程的代价函数，构建折射点近似的代价函数；基于折射点近似的代价函数，利用枚举法实现估计，然后基于斯涅尔定律的代价函数，利用模式搜索方法实现介质参数反演。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过CMP方法实现第一层参数反演的方式为：建立单层CMP模型，根据不同收发间距下的传播方程，第一层的相对介电常数与层厚表示为：为：其中，m表示探地雷达测量的A
‑
scan道数，d1,ε
r1
分别表示第一层介质的厚度与相对介电常数，ε
r1,j d
1,j
分别表示第j组收发间距下求解出的第一层介质的相对介电常数与层厚，j＝1,2,3
…
m
‑
1。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据不同收发间距下的传播方程，对应的最小二乘代价函数为：其中，m表示探地雷达测量的A
‑
scan道数，n表示分层介质层数，c表示光速，L
j
表示第j道A
‑
scan下收发天线的间距，j＝1,2,3
…
m
‑
1，ε
ri,j
,d
i,j
分别表示第j道A
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：杨小鹏，刘仁杰，李奕璇，兰天，渠晓东，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：