CN110045369A - 一种探地雷达层析探测曲线追踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种探地雷达层析探测曲线追踪方法，目的是提高电磁波传播路径参数的层析追踪精度。该方法步骤包括：1.构建层析追踪坐标系，进行网格划分，对网格的电磁波速度赋初值；2.确定发射机电磁波入射角度范围，优选单一发射点到各接收点的电磁波传播路径参数；3.依次确定各发射点到各接收点的电磁波传播路径参数，形成层析追踪参数集；4.对调发射点与接收点的位置并重复步骤(2)和步骤(3)，形成层析追踪参数总集。该方法可准确获取电磁波传播路径追踪参数集，同时实现层析追踪在探测区域全覆盖。

Description

一种探地雷达层析探测曲线追踪方法
技术领域
本发明属于探地雷达探测应用技术领域，涉及一种探地雷达层析探测曲线追踪方法，目的是提高电磁波传播路径参数的层析追踪精度。
背景技术
探地雷达(GPR)又称透地雷达，地质雷达，是用频率介于10^6-10^9Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种无损探测方法，是一种快速、高效、无损探测的物探方法。其工作方法主要包括反射法探测与透射法探测两种。透射法常用于大跨度目标体(100m以上)的探测中，比如矿井开采工作面和大坝等，将探地雷达的发射天线与接收天线分离，分别置于待测目标体的两侧进行层析成像探测，能够有效提升地质雷达的探测距离，实现目标体内部的异常体的探测。
探地雷达透射法探测技术的核心是获取高精度的电磁波传播路径参数，然后通过该参数进行反演计算，从而获取目标体的介电常数和电磁波传播速度的差异信息。目前常用的层析追踪方法为直射线追踪，该方法的理论前提是假定电磁波在介质中以直线形式传播，而电磁波具有典型动力学特征，其在介质中往往是以曲线路径传播，从而导致层析反演计算的结果与事实存在较大误差。
因此，为了提高层析探测的精度，就需要准确获取电磁波传播路径参数，如何解决探地雷达层析探测曲线追踪的难题，是本领域技术人员亟待解决的。
发明内容
本发明的目的是提高电磁波传播路径参数的层析追踪精度。针对该目的，本发明提出了一种探地雷达层析探测曲线追踪方法。为了达到上述目的，本发明采取的步骤如下：
1、构建层析追踪坐标系，进行网格划分，对网格的电磁波速度赋初值；
2、确定发射机电磁波入射角度范围，优选单一发射点到各接收点的电磁波传播路径参数；
3、依次确定各发射点到各接收点的电磁波传播路径参数，形成层析追踪参数集；
4、对调发射点与接收点的位置坐标并重复步骤(2)和步骤(3)，形成层析追踪参数总集。
在上述技术方案中，步骤1将探地雷达探测区域的剖面放置在坐标系中，然后将剖面绘制成长为dx，宽为dy的矩形网格，一共有m个网格，最后对各网格的电磁波速度赋初值。
步骤2计算得到电磁波在对应网格内的弧长，旅行时间，出射点坐标与出射方向。根据电磁波的入射方向可以初步判断出电磁波的出射位置可能落在网格中的某些边上。根据公式：
先假设电磁波从其中一条边出射，将出射边的已知坐标带入到公式(1)的相应分量中计算出弧长参数s的值，再将计算出的弧长s带入该公式的另一个分量中计算得到电磁波在出射边上的位置。若计算出的出射位置坐标不在该网格边的范围内则将另一条边的已知坐标带入该公式重新计算，一般最多计算两次即可得到合适的s值。
将s值带入公式：
计算得到电磁波在该网格内的出射方向。将s值带入公式：
计算得到电磁波在该网格内的旅行时间。
以上三个公式为在恒定的速度梯度介质中计算电磁波参数的基本公式。式中，ro和do为网格单元入射的位置和方向矢量，r和d为网格单元出射的位置和方向矢量，λ为速度梯度矢量，v为网格单元内的速度，O(λ2)为泰勒公式的二阶余项。
步骤3依次改变发射点坐标位置，然后确定相应入射角度范围，再计算各个发射点对应入射角度范围内所有入射角度的电磁波传播路径参数，并优选各发射点到各接收点的电磁波传播路径参数，最后形成层析追踪参数集。
步骤4将发射点与接收点的位置进行对调，即发射点变为接收点，接收点变为发射点。然后重新进行计算并优选电磁波传播路径参数，并将其存储为参数集。最后将该参数集与对调前参数集进行相互补充后形成层析追踪参数总集。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的一个实施例的电磁波传播路径举例示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
图1为本发明实施例的探地雷达层析探测曲线追踪方法的流程图，其具体包括如下步骤：
1、构建层析追踪坐标系，进行网格划分，对各网格的电磁波速度赋初值。如图2所示，将探地雷达探测区域的剖面置于坐标系的第一象限，其中探测方向平行于x轴，测线方向平行于y轴；坐标轴原点位于剖面顶点；剖面长度为100米，剖面宽度为120米，则剖面的四个端点坐标分别为(0，0)，(100，0)，(0，120)，(100，120)；将剖面绘制成长为4米，宽为4米的矩形网格，一共有750个网格；坐标轴原点处的网格为起始网格，编号为1，探测方向为行，测线方向为列，逐行依次编号；背景场中1号网格速度为0.16m/s，x轴方向上速度依次递增0.0002m/s，y轴方向上速度依次递增0.0002m/s；阴影区域为异常体，距离1号网格最近的网格速度为0.1m/s，x轴方向上速度依次递增0.002m/s，y轴方向上速度依次递增0.002m/s。
2、确定发射机电磁波入射角度范围，优选单一发射点到各接收点的电磁波传播路径参数。发射点与接收点位于剖面左右两侧，并且发射点与接收点均位于其所在网格的所在边的中点，如图2所示，发射点坐标为(0，50)，接收点坐标为(100,6),(100,14)，…(100,110)，(100,118)；根据探测区域的剖面尺寸以及发射点坐标和接收点坐标设定电磁波入射角度范围(-30～30度)。计算入射角度范围内所有入射角度的电磁波传播路径参数。
然后提取所有电磁波传播路径最末端的坐标数据集(从发射点(0,50)出射的所有传播路径参数中提取)，然后分别计算该坐标集中坐标点与第一个接收点坐标(100,6)之间的距离，形成距离集D。根据探测区域尺寸范围设定参数L＝0.1，对距离集D中各元素Di(i＝1,2,3…n)和参数L进行Di≤L逻辑判断，设满足上述判断结果为真的元素个数为m，当m＝0时，表明没有到达第一个接收点附近L范围内的电磁波，所以无参数需要保存；当m＝1时，保存该元素所对应的电磁波传播路径参数；当m＞1时，比较该m个元素对应传播路径的总旅行时间，保存最短总旅行时间所对应的电磁波传播路径参数。然后依次计算坐标集中坐标点与各个接收点坐标之间的距离，并进行判断和优选到各个接收点的电磁波传播路径参数。发射点坐标为(0，50)，接收点坐标为(100,6),(100,14)，…(100,110)，(100,118)的15条电磁波传播路径参数集包括旅行总时间，各网格内弧长，以及所经过网格的坐标，分别存储在A，B，C三个矩阵中，如下所示，
3、依次确定各发射点到各接收点的电磁波传播路径参数，形成层析追踪参数集。依次改变发射点坐标位置，然后确定相应入射角度范围，再计算各个发射点对应入射角度范围内所有入射角度的电磁波传播路径参数，并优选各发射点到各接收点的电磁波传播路径参数，最后形成层析追踪参数集。
4、对调发射点与接收点的位置，然后进行计算和优选电磁波传播路径参数，形成层析追踪参数总集。将发射点与接收点的位置坐标进行对调，即发射点变为接收点，接收点变为发射点。然后重新进行计算并优选电磁波传播路径参数，并将其存储为参数集。最后将该参数集与对调前参数集进行相互补充后形成层析追踪参数总集。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种探地雷达层析探测曲线追踪方法，其特征在于：该曲线追踪方法的目的是提高电磁波传播路径参数的层析追踪精度。该追踪方法的步骤有4个，包括：1.构建层析追踪坐标系并进行网格赋初值；2.优选单一发射点到各接收点的电磁波传播路径参数；3.依次确定各发射点到各接收点的传播路径参数，形成层析追踪参数集；4.对调发射点与接收点的位置并重复步骤(2)和步骤(3)，形成层析追踪参数总集。
2.根据权利要求1所述的探地雷达层析探测曲线追踪方法，其特征在于：构建层析追踪坐标系流程为：首先将探地雷达探测区域的位置放在坐标系中，然后将探测区域进行网格划分，再对网格的电磁波速度赋初值。
3.根据权利要求1所述的探地雷达层析探测曲线追踪方法，其特征在于：优选单一发射点到各接收点的电磁波传播路径参数的方法为：首先确定发射点与各接收点坐标位置，然后确定电磁波入射角度范围，再计算入射角度范围内所有入射角度的电磁波传播路径参数，最后优选该发射点到各接收点的电磁波传播路径参数。
4.根据权利要求3所述的确定电磁波入射角度范围方法，其特征在于：根据探测区域的尺寸以及发射点坐标和接收点坐标设定电磁波入射角度范围。
5.根据权利要求3所述的计算入射角度范围内某一入射角度的电磁波传播路径参数方法，其特征在于：根据发射点坐标、入射方向与相邻网格速度变化梯度计算得到电磁波在对应网格内的电磁波传播路径参数，包括：弧长，旅行时间，出射点坐标与出射方向；根据该出射点坐标与出射方向，计算电磁波在下一个网格内的传播路径参数；以此类推，电磁波传播至探测区域边界时终止计算，从而得到在单一入射角度条件下该条电磁波传播路径参数。
6.根据权利要求3所述的计算入射角度范围内所有入射角度的电磁波传播路径参数方法，其特征在于：根据确定的电磁波入射角度范围，依次改变入射角度，计算自单一发射点坐标出射的所有传播路径参数。
7.根据权利要求3所述的优选单一发射点到各接收点的电磁波传播路径参数方法，其特征在于：针对单一发射点在入射角度范围内所有入射角度的电磁波传播路径，提取电磁波传播路径最末端的坐标数据集(从单一发射点出射的所有传播路径参数中提取)，然后分别计算该坐标集中坐标点与第一个接收点坐标之间的距离，形成距离集D。根据探测区域尺寸范围设定参数L，对距离集D中各元素Di(i＝1,2,3…n)和参数L进行Di≤L逻辑判断，设满足上述判断结果为真的元素个数为m(m为非负数)，当m＝0时，表明没有到达第一个接收点附近L范围内的电磁波，所以无参数需要保存；当m＝1时，保存该元素所对应的电磁波传播路径参数；当m＞1时，比较该m个元素对应传播路径的总旅行时间，保存最短总旅行时间所对应的电磁波传播路径参数。然后依次计算坐标集中坐标点与各个接收点坐标之间的距离，并进行判断和优选到各个接收点的电磁波传播路径参数。
8.根据权利要求1所述的探地雷达层析探测曲线追踪方法，其特征在于：形成层析追踪参数集的方法为：依次改变发射点坐标位置，然后确定相应入射角度范围，再计算各个发射点对应入射角度范围内所有入射角度的电磁波传播路径参数，并优选各发射点到各接收点的电磁波传播路径参数，最后形成层析追踪参数集。
9.根据权利要求1所述的探地雷达层析探测曲线追踪方法，其特征在于：对调发射点与接收点的位置，然后重新进行计算和优选电磁波传播路径，最后形成层析追踪参数总集。对调发射点与接收点的位置，其目的是为了弥补单一方向层析追踪的盲区，实现层析追踪在探测区域全覆盖。
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