本文關鍵詞：探地雷達信號后處理關鍵技術研究

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【摘要】：在淺地表下的目標探測中,探地雷達(GPR)技術被認為是最有前途的遙感技術之一,它是利用高頻超寬帶信號來探測淺層地下介質分布規(guī)律的無損勘探方法。GPR技術由于具有施工方便、探測效率高、探測結果分辨率高等特性,使得該技術的應用呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。盡管GPR技術及其應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信號后處理技術對待測目標體的屬性進行定量分析一直是該領域科研人員追求的目標,但是由于探測環(huán)境復雜,以及待測目標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)有的技術還不能實現(xiàn)對任意待測目標體進行精確地定量分析。為了進一步提高GPR系統(tǒng)對待測目標體的定量或者半定量分析的能力,本論文對GPR信號后處理中的關鍵技術問題進行了深入研究,包括:GPR回波信號特性分析、信號增強、目標成像、目標重建、波形反演和目標識別等,論文的主要創(chuàng)新點和研究成果如下: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,嚴重影響其對淺地表構造信息的解釋精度。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中的傳播特性的基礎上,構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,該模型首先構造一個本征向量庫,庫中元素是通過對脈沖源信號分別進行1至360度的相移得到,將該本征向量庫作為字典實現(xiàn)了GPR回波信號的稀疏表示;然后,通過自適應選取相關性閾值,將GPR回波信號分解為多個本征分量函數(shù)(ICF)分量和一個余量,每個ICF分量是由基于本征分量庫的稀疏系數(shù)重建得到,各個ICF分量與本征分量庫中元素的相關性依次降低。最后,分別在層狀隨機介質模型和實測環(huán)境對應的GPR回波信號上研究和驗證了ICD分解方法的性能,實驗結果表明:ICD分解方法具有很強的降噪能力,能對目標回波信號進行波形修正;通過對各個ICF分量對應的剖面數(shù)據進行分析,有利于解釋地電系統(tǒng)的內部特征。2、為了實現(xiàn)對具有復雜幾何形狀的異質體進行高分辨率成像,提出了一種自相關反向投影(SBP)成像方法,該方法不但成像速度快,而且成像結果中能分辨出異質體的幾何輪廓信息。SBP成像算法在現(xiàn)有的反向投影(BP)成像算法基礎上做了如下改進:根據待成像點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性,通過設定相關性閾值自適應的選取有效回波信息序列,使得SBP成像算法有較快的運算速度和較高的成像分辨率;設計了深度能量補償算法對成像結果進行修正,增強了深層異質體在成像結果中的分辨率。實驗結果表明:SBP成像算法在運算速度和成像結果分辨率上都優(yōu)于現(xiàn)有的BP成像算法及其改進算法,能對探測區(qū)域中具有復雜幾何形狀的異質體進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域中,待測目標體具有一個共性特征,即:目標體在探測剖面上都為一個“圓”形或者近似為“圓”形。為了實現(xiàn)對“圓”形目標體進行有效重建,推導了“圓”形目標體各個參數(shù)與B-Scan中目標回波信號曲線參數(shù)之間的數(shù)學關系式,在此基礎上,提出了“圓”形目標體重建方法,并通過實驗驗證了該方法的實用性。實驗結果表明:該方法能重建出“圓”形目標體的位置、埋深、大小和介電屬性參數(shù)值,而且能計算出目標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、運算速度快等優(yōu)點。4、采用現(xiàn)有的方法對層狀構造進行波形反演時,存在三個難題,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、反演結果穩(wěn)定性差。為了解決這些問題,提出一種基于首達時約束的波形反演方法,并建立了多級細化搜索模型,以求解反演過程中誤差分析函數(shù)的最優(yōu)解。改進后的波形反演方法以各層介質分界面處對應的回波信號的首達時為先驗信息,以降低算法求解過程的復雜度;采用多級細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,又能保證反演結果的穩(wěn)定性。實驗結果表明:針對層狀構造反演問題,改進后的波形反演方法能有效重建出各層介質的厚度和介電常數(shù)信息;同時,該方法還具有時間復雜度低和反演結果精度高而且穩(wěn)定等優(yōu)點。5、經過理論推導表明:GPR回波信號與地下空間介質對應的系統(tǒng)函數(shù)之間具有復雜的非線性的隱式表達式,根據GPR回波信號不能推導出地電構造空間分布信息的表達式。為了智能分析地下空間介質分部信息,以統(tǒng)計編碼分析為基礎,提出了一種新的頻帶介電譜特征向量提取方法。首先,根據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,設計帶通濾波器組將GPR信號主能量譜所在頻段區(qū)間進行子頻帶劃分,并提取各個子頻帶區(qū)間GPR信號功率譜曲線的“慢衰減點”和“快衰減點”特征信息;最后,對“慢衰減點”和“快衰減點”特征信息進行編碼得到特征向量。實驗結果表明:該方法提取的特征向量能較好的表征GPR回波信號對應的地電信息,適用于GPR回波信號中的目標分類和識別;同時,該算法還具有時間復雜度低和抗噪能力強的優(yōu)點。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN957.51

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