CN112285791B - 一种探地雷达电磁场数据处理方法、装置以及介质 - Google Patents

一种探地雷达电磁场数据处理方法、装置以及介质 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种探地雷达电磁场数据处理方法、装置以及介质，包括：根据实际电磁波场数据确定出实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据；对实际电磁波场数据与无耗损电磁波场数据进行第一振幅补偿；提取实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息；在实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息中，分别确定出符合预设条件的实际电磁波场数据对应的第一特征值序列与无耗损电磁波场数据对应的第二特征值序列，并确定出第一特征值序列与第二特征值序列对应的时间序列；根据第一预设方式确定出实际电磁波场数据的衰减系数，并根据衰减系数对实际电磁波场数据进行第二振幅补偿。

Description

一种探地雷达电磁场数据处理方法、装置以及介质
技术领域
本申请涉及地球物理勘探领域，尤其涉及一种探地雷达电磁场数据处理方法、装置以及介质。
背景技术
探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)是利用天线发射和接收高频电磁波来探测介质内部物质特性和分布规律的一种地球物理方法。它是近几十年发展起来的一种探测地下目标的有效手段，具有探测速度快、探测过程连续、分辨率高、操作方便灵活、探测费用低等优点，主要被用于考古、矿产勘查、灾害地质调查、岩土工程勘察、工程质量检测、建筑结构检测以及军事目标探测等众多领域。
探地雷达波是在导电介质中传播的，因此其波场会受到衰减。导电率高的介质比导电率低的介质衰减更大。例如，埋在潮湿的土壤中的地下管道散射的探地雷达波比埋在干燥的土壤中的同样管道散射的探地雷达波弱得多。
现有技术中，处理电磁波场数据往往忽略波场受到的衰减，从而导致探地雷达探测电磁波场数据的结果不准确。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种探地雷达电磁场数据处理方法、装置以及介质，用于提高现有技术中探地雷达探测电磁波场数据的准确性。
本申请实施例采用下述技术方案：
本申请实施例提供一种探地雷达电磁场数据处理方法，所述方法包括：
根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据；
对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据进行第一振幅补偿，其中，所述第一振幅补偿为补偿由几何衰减对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据所带来的振幅误差；
提取所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息；
在所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息中，分别确定出符合预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列与所述无耗损电磁波场数据对应的第二特征值序列，并确定出所述第一特征值序列与所述第二特征值序列对应的时间序列；
根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，并根据所述衰减系数对所述实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，其中，所述第二振幅补偿为补偿由衰减系数对所述实际电磁波场数据所带来的振幅误差；
所述根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，具体包括：
将所述第一特征值序列、所述第二特征值序列以及时间序列输入至公式
Figure BDA0002716024070000021
应用第二预设方式对
Figure BDA0002716024070000022
与时间t进行数据拟合，以将
Figure BDA0002716024070000023
拟合成连续的线性函数，并根据线性函数的斜率确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数；
其中，χ(x,t)为实际电磁波场数据，G(x,t)为所述无耗损电磁波场数据，β为衰减系数，t为时间，x为场源至接收点的距离，b为常量。
进一步的，所述根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据，具体包括：
对获取的所述实际电磁波场数据进行数据处理，其中，所述数据处理包括滤波、反褶积、零点时间校正中的一种或多种；
对处理后的所述实际电磁波场数据进行速度分析，得出速度模型；
根据所述速度模型确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据。
进一步的，所述预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列为所述实际电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅最大值序列，或者为所述实际电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅绝对值最大值序列；所述预设条件的所述无损耗电磁波场数据对应的第二特征值序列为所述无损耗电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅最大值序列，或者为所述无损耗电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅绝对值最大值序列。
进一步的，所述第二预设方式为最小二乘法。
进一步的，所述根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数之前，所述方法还包括：
通过正演模型模拟出测试波场，并根据所述第一预设方式确定出测试电磁波场数据的衰减系数；
将所述测试电磁波场数据的衰减系数与测试电磁波场数据衰减系数的理论值进行对比，以确定出所述第一预设方式得出的所述测试电磁波场数据的衰减系数是否正确。
进一步的，所述电磁波的波形信息类型包括反射波或直达波。
本申请实施例还提供一种探地雷达电磁场数据处理装置，所述装置包括：
第一确定单元，用于根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据；
第一补偿单元，用于对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据进行第一振幅补偿，其中，所述第一振幅补偿为补偿由几何衰减对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据所带来的振幅误差；
提取单元，用于提取所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息；
第二确定单元，用于在所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息中，分别确定出符合预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列与所述无耗损电磁波场数据对应的第二特征值序列，并确定出所述第一特征值序列与所述第二特征值序列对应的时间序列；
第二补偿单元，用于根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，并根据所述衰减系数对所述实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，其中，所述第二振幅补偿为补偿由衰减系数对所述实际电磁波场数据所带来的振幅误差；
所述根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，具体包括：
将所述第一特征值序列、所述第二特征值序列以及时间序列输入至公式
Figure BDA0002716024070000041
应用第二预设方式对
Figure BDA0002716024070000042
与时间t进行数据拟合，以将
Figure BDA0002716024070000043
拟合成连续的线性函数，并根据线性函数的斜率确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数；
其中，χ(x,t)为实际电磁波场数据，G(x,t)为所述无耗损电磁波场数据，β为衰减系数，t为时间，x为场源至接收点的距离，b为常量。
本申请实施例还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现下述步骤:
根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据；
对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据进行第一振幅补偿，其中，所述第一振幅补偿为补偿由几何衰减对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据所带来的振幅误差；
提取所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息；
在所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息中，分别确定出符合预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列与所述无耗损电磁波场数据对应的第二特征值序列，并确定出所述第一特征值序列与所述第二特征值序列对应的时间序列；
根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，并根据所述衰减系数对所述实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，其中，所述第二振幅补偿为补偿由衰减系数对所述实际电磁波场数据所带来的振幅误差；
所述根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，具体包括：
将所述第一特征值序列、所述第二特征值序列以及时间序列输入至公式
Figure BDA0002716024070000051
应用第二预设方式对
Figure BDA0002716024070000052
与时间t进行数据拟合，以将
Figure BDA0002716024070000053
拟合成连续的线性函数，并根据线性函数的斜率确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数；
其中，χ(x,t)为实际电磁波场数据，G(x,t)为所述无耗损电磁波场数据，β为衰减系数，t为时间，x为场源至接收点的距离，b为常量。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本申请实施例通过提取实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息，并确定出符合预设条件的特征值序列与特征值序列对应的时间序列后，根据第一预设方法确定出实际波场的衰减系数，对实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，消除衰减系数对实际电磁波场数据的衰减，进而提高探地雷达探测电磁波场数据结果的准确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本说明书实施例一提供的一种探地雷达电磁场数据处理方法的流程示意图；
图2为本说明书实施例二提供的一种探地雷达电磁场数据处理方法的流程示意图；
图3为本说明书实施例二提供的正演模型结果图；
图4为本说明书实施例三提供的一种探地雷达电磁场数据处理装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本说明书实施例一提供的一种探地雷达电磁场数据处理方法的流程示意图，本说明书实施例可以由电磁场数据处理系统执行，具体包括：
步骤S101，电磁场数据处理系统根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据。
步骤S102，电磁场数据处理系统对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据进行第一振幅补偿，其中，所述第一振幅补偿为补偿由几何衰减对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据所带来的振幅误差。
步骤S103，电磁场数据处理系统提取所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息。
步骤S104，电磁场数据处理系统在所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息中，分别确定出符合预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列与所述无耗损电磁波场数据对应的第二特征值序列，并确定出所述第一特征值序列与所述第二特征值序列对应的时间序列。
步骤S105，电磁场数据处理系统根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，并根据所述衰减系数对所述实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，其中，所述第二振幅补偿为补偿由衰减系数对所述实际电磁波场数据所带来的振幅误差。
本申请实施例通过提取实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息，并确定出符合预设条件的特征值序列与特征值序列对应的时间序列后，根据第一预设方法确定出实际波场的衰减系数，对实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，消除衰减系数对实际电磁波场数据的衰减，进而提高探地雷达探测电磁波场数据结果的准确性。
与实施例一相对应的，图2为本说明书实施例二提供的一种探地雷达电磁场数据处理方法的流程示意图，本说明书实施例可以由电磁场数据处理系统执行，其中，电磁场数据处理系统用于处理由探地雷达所获取的电磁波场数据，具体包括：
步骤S201，电磁场数据处理系统根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据。
在本说明书实施例的步骤S201中，该实际电磁波场数据是探地雷达实际探测的电磁波场数据，无耗损电磁波场数据是探地雷达在理想情况下即衰减系数为零时探测的电磁波场数据。电磁波场数据即为探地雷达数据(GPR数据)，电磁波场数据为振幅强度信息。探地雷达的发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到振幅强度信息推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。
根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据，具体包括：
对获取的所述实际电磁波场数据进行数据处理，其中，所述数据处理包括滤波、反褶积、零点时间校正中的一种或多种；
对处理后的所述实际电磁波场数据进行速度分析，得出速度模型，其中，速度分析就是在CMP(共中心点道集)的基础上，利用不同的速度值做速度扫描后得到速度谱，通过速度谱得到速度模型，速度模型就是电磁波在介质中速度的分布情况；
将所述速度模型输入至公式
Figure BDA0002716024070000081
确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据，其中，G(x,t)为所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据，t为时间序列，V为电磁波在介质中的速度，x为场源(即波场激发源)至接收点(即波场接收端)的距离。
需要说明的是，实际电磁波场数据为当前测量的电磁波场数据，无损耗电磁波场数据为通过公式
Figure BDA0002716024070000082
计算出的电磁波场数据。无耗损电磁波场数据存在几何衰减，但不存在由衰减系数带来的衰减，也可以理解为衰减系数为0。此处的无耗损电磁波场数据仅仅是通过公式
Figure BDA0002716024070000083
计算出的值，公式中的V只是近似值，所以得出的G(x,t)并不准确，还需要借助无耗损电磁波场数据确定出衰减系数，进而得出准确的实际电磁波场数据，其中，G(x,t)为所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据，t为时间，V为电磁波在介质中的速度，x为场源至接收点的距离。
步骤S202，电磁场数据处理系统对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据进行第一振幅补偿，其中，所述第一振幅补偿为补偿由几何衰减对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据所带来的振幅误差。
几何衰减可以理解为由几何扩散导致的衰减，比如，在G(x,t)中，x(场源至接收点的距离)即为几何扩散导致的衰减。因为不管是实际波场还是无耗损波场，场源与接收点之间皆会存在距离，并且，无耗损波场只是在衰减系数上与实际波场不同，其他参数相同，所以，在实际电磁波场数据与无耗损电磁波场数据中，皆存在几何衰减。本申请实施例使用叠加速度等效方法为波场速度进行振幅补偿。其中，场源为产生电磁波的发射源。
步骤S203，电磁场数据处理系统提取所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息。
在本说明书实施例的步骤S203中，实际电磁波场数据中电磁波的波形信息是实际电磁波场的电场强度信息；无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息为无损耗电磁波场的电场强度。其中，实际波场中电磁波的波形图与无损耗波场中电磁波的波形图是经过步骤S202处理后的波形图。
步骤S204，电磁场数据处理系统在所述实际电磁波场数据对应的特征波形信息与所述无耗损电磁波场数据对应的特征波形信息中，分别确定出符合预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列与所述无耗损电磁波场数据对应的第二特征值序列，并分别确定出所述第一特征值序列与所述第二特征值序列对应的时间序列。
在本说明书实施例的步骤S204中，所述预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列为所述实际电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅最大值序列，或者为所述实际电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅绝对值最大值序列；所述预设条件的所述无损耗电磁波场数据对应的第二特征值序列为所述无损耗电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅最大值序列，或者为所述无损耗电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅绝对值最大值序列，时间序列为特征序列对应的时间取值。由于实际电磁波场数据与无耗损电磁波场数据只有电导率不同，进而导致电场强度上存在差别，两者的时间序列也是相同的。
步骤S205，电磁场数据处理系统根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，并根据所述衰减系数对所述实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，其中，所述第二振幅补偿为补偿由衰减系数对所述实际电磁波场数据所带来的误差以消除所述衰减系数对所述实际电磁波场数据的衰减。
根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，具体包括：
根据公式χ(x,t)＝e-βtG(x,t)，得出公式
Figure BDA0002716024070000101
其中，χ(x,t)为实际电磁波场数据，G(x,t)为所述无耗损电磁波场数据，β为衰减系数，t为时间，x为场源至接收点的距离，b为常量；
电磁场数据处理系统将第一特征值序列、第二特征值序列以及时间序列输入至公式
Figure BDA0002716024070000102
确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数β，第一特征序列输入至χ(x,t)，第二特征值序列输入至G(x,t)。
将所述实际电磁波场数据的特征值序列、所述无耗损电磁波场数据的特征值序列以及时间序列输入至公式
Figure BDA0002716024070000103
后，所述方法还包括：
应用第二预设方式对
Figure BDA0002716024070000104
与时间t进行数据拟合，以将
Figure BDA0002716024070000105
拟合成连续的线性函数，并根据线性函数的斜率确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数。其中，实际电磁波场数据的衰减系数可以为线性函数斜率的相反数。
其中，G(x,t)满足纯波动方程
Figure BDA0002716024070000106
V为电磁波在介质中的速度。
首先证明方程
Figure BDA0002716024070000107
的正确性，其中
Figure BDA0002716024070000108
为衰减项，衰减系数
Figure BDA0002716024070000109
σ为电导率，ε为介电常数。
公式推导证明如下：
下面证明方程
Figure BDA0002716024070000111
为带衰减项的电磁波波动方程的解，带衰减项的电磁波波动方程为：
Figure BDA0002716024070000112
其中，KR＝με,
Figure BDA0002716024070000113
ω为频率，μ为磁导率，ε为介电常数，σ为电导率。
根据我们设定的公式
Figure BDA0002716024070000114
将其带入方程
Figure BDA0002716024070000115
与
Figure BDA0002716024070000116
中可得：
Figure BDA0002716024070000117
进一步得到：
Figure BDA0002716024070000118
将
Figure BDA0002716024070000119
带入上式可知：
Figure BDA00027160240700001110
则
Figure BDA00027160240700001111
设
Figure BDA00027160240700001112
得出
Figure BDA0002716024070000121
由
Figure BDA0002716024070000122
可得
Figure BDA0002716024070000123
进一步，可得
Figure BDA0002716024070000124
即
Figure BDA0002716024070000125
由此可知：方程
Figure BDA0002716024070000126
为有衰减的电磁波场数据，符合该公式。
需要说明的是，上述的G为G(x,t)，χ为χ(x,t)。
由上述表述可知，电磁波场数据可以分解成两个部分：指数衰减项(衰减系数项)和场源相关项(几何衰减项)。由方程
Figure BDA0002716024070000127
可得，在i点处的电磁波场数据可以写为：
Figure BDA0002716024070000128
其中，ti是某个信号波形的到达时间，χi(如为反射波)为第i点处实际波场，Δt是到达时间和振幅峰值(振幅最大值)时间之间的时间差。因为电磁波场数据衰减同样包含了几何扩散导致的衰减，首先必须对χi和G进行第一振幅补偿来消除几何扩散衰减的影响。
在经过上述几何扩散衰减校正后，x＝0处即场源处的χi(x,Δt)和G(x,Δt)振幅强度应该等于χi(0,Δt)和G(0,Δt)。因此，方程可重写为：
Figure BDA0002716024070000129
如果令ti+Δt＝m,χi(0,ti+Δt)＝y(m)，则lny(m)＝lnG(0,m)-β(m)＝-βm+b。
依据上述算法，执行将所述实际电磁波场数据的特征值序列、所述无耗损电磁波场数据的特征值序列以及时间序列输入至公式
Figure BDA00027160240700001210
的步骤后，所述方法还包括：
应用第二预设方式，对
Figure BDA00027160240700001211
与时间序列t进行数据拟合，以将
Figure BDA00027160240700001212
拟合成连续的线性函数，根据线性函数的斜率确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数。
第二预设方式可以为最小二乘法，通过最小二乘法将与时间序列相关的函数
Figure BDA0002716024070000131
与时间t，通过最小化误差的平方和确定出最佳函数，从而拟合成连续的线性函数。本申请实施例利用最小二乘法简便地求得未知时间序列数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小，进而实现了将
Figure BDA0002716024070000132
拟合成了连续的线性函数。
需要说明的是，步骤S203中提取的电磁波的波形信息类型包括直达波或者反射波。本申请实施例通过相位识别、时距曲线计算等方法提取出反射波或直达波，进而求解出衰减系数。进一步的，根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数之前，所述方法还包括：
通过正演模型模拟出测试波场，并根据所述第一预设方式确定出测试电磁波场数据的衰减系数；
将所述测试电磁波场数据的衰减系数与测试电磁波场数据衰减系数的理论值进行对比，以验证出所述第一预设方式得出的所述测试电磁波场数据的衰减系数是否正确。
需要说明的是，测试波场为验证本发明求解衰减系数方案而提出的，测试波场的电导率可以人为设定，进而验证出公式
Figure BDA0002716024070000133
是否正确，其中
Figure BDA0002716024070000134
本说明书实施例可以使用时域有限差分方法(FDTD，Finite Difference TimeDomain)对测试波场进行正演计算。该模型长度可以为6m，高度可以为2m，空间步长可以为0.02m，时间步长为0.047s，激发源即场源可以位于(0.4m,1.4m)处。激发源函数为雷克子波，其中心频率可以为150MHz。半径为0.15m的金属小球可以位于(2m,1m)处。
本申请实施例中，半径为0.15m的金属小球用于通过该金属小球处的反射波来估算其反射路径上的平均衰减系数。
此外，本申请实施例将金属小球附近的电导率设置为0.001S/m，介电常数为10。并且，又将金属小球附件的电导率参数分别设置为0.002S/m和0.003S/m以进行多次实验计算，以对比衰减系数的计算值和理论值的关系。
提取出电导率σ＝0.001对应的目标反射波后，我们使用反射波的部分或全部数据进行计算。由于正演结果信噪比很高，我们可以使用反射波形中的振幅最大值作为每道波形的特征值，所有接收道的特征值序列记做χσ＝0.001，同时提取出该极值对应的接收时间序列t。
根据麦克斯韦方程方程，构造出无衰减情况的正演记录，提取出金属小球的反射波形，然后提取反射波形中的振幅峰值作为每道波形的特征值χσ＝0，同时提取出对应该峰值序列的时间序列t。
由于不同的正演模型只有电导率不同，得到的正演结果只有波场强度上的差别，反射波的位置是相同的，两次提取的最大值对应的时间序列也是相同的。
提取出两种情况下的特征值以及对应的时间序列后，下面就可以构造拟合数据。根据方程
Figure BDA0002716024070000141
将两种特征值序列做比值
Figure BDA0002716024070000142
然后取对数ln(R)，得到的就是用于进行拟合的数据ln(R)，根据方程lny(m)＝lnG(0,m)-β(m)＝-βm+b，数据序列ln(R)和时间序列t可以构成线性函数。其中，G(x,t)即为σ＝0。
可以使用最小二乘拟合方法来对数据序列ln(R)和时间序列t进行数据拟合，拟合结果为一条直线，该直线的斜率的绝对值即为衰减系数。
最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。根据上述步骤计算σ＝0.002与σ＝0.003下的衰减系数。
参见图3的正演模型结果图，计算了不同衰减系数下的结果，即将小球周围介质的电导率分别设置为0.001S/m,0.002S/m,0.003S/m，使用上述方法计算得到的拟合结果如下：
图3中横轴为采样时间t，纵轴为特征值序列的比值的对数ln(R)。σ＝0.001时，使用最小二乘方法拟合出来的直线斜率为-0.00005456，理论值为-0.00005。σ＝0.002时，使用最小二乘方法拟合出来的直线斜率为-0.0001093，理论值为-0.00010。σ＝0.003时，使用最小二乘方法拟合出来的直线斜率为-0.0001643，理论值为-0.00015，具体参见表1。
Figure BDA0002716024070000151
表1衰减系数计算结果对比
从表1中可以看到，计算的衰减系数非常接近理论计算值，说明该方案得到的结果比较准确，本说明书实施例提出的计算衰减系数的方法计算量小，速度快，通过本说明书实施例的方案可以快速方便地计算出电磁波在地下介质传播时的衰减系数。
一般情况下，现实电磁波场数据不仅仅和速度V有关，同样和β也有关系。但是在常规的处理中，通常会忽略β的影响。但是，在σ(电导率)足够大的情况下，衰减系数的影响是不可以被忽略的。这种情况下，首先确定β。使用本申请实施例提出的计算β的方法可以用来补偿电场数据的强度衰减。之后使用校正后的数据来进行常规的速度分析，经过β的补偿校正后，其速度分析结果会更可靠，进而GPR偏移结果也更可靠。
本申请实施例通过提取实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息，并确定出符合预设条件的特征值序列与特征值序列对应的时间序列后，根据第一预设方法确定出实际波场的衰减系数，对实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，消除衰减系数对实际电磁波场数据的衰减，进而提高探地雷达探测电磁波场数据结果的准确性。
与实施例二相对应的，图4为本说明书实施例三提供的一种探地雷达电磁场数据处理装置的结构示意图，包括：第一确定单元1、第一补偿单元2、提取单元3、第二确定单元4以及第二补偿单元5。
第一确定单元1用于根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据；
第一补偿单元2用于对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据进行第一振幅补偿，其中，所述第一振幅补偿为补偿由几何衰减对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据所带来的振幅误差；
提取单元3用于提取所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息；
第二确定单元4用于在所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息中，分别确定出符合预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列与所述无耗损电磁波场数据对应的第二特征值序列，并确定出所述第一特征值序列与所述第二特征值序列对应的时间序列；
第二补偿单元5用于根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，并根据所述衰减系数对所述实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，其中，所述第二振幅补偿为补偿由衰减系数对所述实际电磁波场数据所带来的振幅误差；
所述根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，具体包括：
将所述第一特征值序列、所述第二特征值序列以及时间序列输入至公式
Figure BDA0002716024070000161
应用第二预设方式对
Figure BDA0002716024070000162
与时间t进行数据拟合，以将
Figure BDA0002716024070000171
拟合成连续的线性函数，并根据线性函数的斜率确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数；
其中，χ(x,t)为实际电磁波场数据，G(x,t)为所述无耗损电磁波场数据，β为衰减系数，t为时间，x为场源至接收点的距离，b为常量。
本申请实施例还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现下述步骤:
根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据；
对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据进行第一振幅补偿，其中，所述第一振幅补偿为补偿由几何衰减对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据所带来的振幅误差；
提取所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息；
在所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息中，分别确定出符合预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列与所述无耗损电磁波场数据对应的第二特征值序列，并确定出所述第一特征值序列与所述第二特征值序列对应的时间序列；
根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，并根据所述衰减系数对所述实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，其中，所述第二振幅补偿为补偿由衰减系数对所述实际电磁波场数据所带来的振幅误差；
所述根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，具体包括：
将所述第一特征值序列、所述第二特征值序列以及时间序列输入至公式
Figure BDA0002716024070000172
应用第二预设方式对
Figure BDA0002716024070000173
与时间t进行数据拟合，以将
Figure BDA0002716024070000181
拟合成连续的线性函数，并根据线性函数的斜率确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数；
其中，χ(x,t)为实际电磁波场数据，G(x,t)为所述无耗损电磁波场数据，β为衰减系数，t为时间，x为场源至接收点的距离，b为常量。
本申请实施例通过提取实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息，并确定出符合预设条件的特征值序列与特征值序列对应的时间序列后，根据第一预设方法确定出实际波场的衰减系数，对实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，消除衰减系数对实际电磁波场数据的衰减，进而提高探地雷达探测电磁波场数据结果的准确性。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种探地雷达电磁场数据处理方法，其特征在于，所述方法包括：
根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据；
对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据进行第一振幅补偿，其中，所述第一振幅补偿为补偿由几何衰减对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据所带来的振幅误差；
提取所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息；
在所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息中，分别确定出符合预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列与所述无耗损电磁波场数据对应的第二特征值序列，并确定出所述第一特征值序列与所述第二特征值序列对应的时间序列；
根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，并根据所述衰减系数对所述实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，其中，所述第二振幅补偿为补偿由衰减系数对所述实际电磁波场数据所带来的振幅误差；
所述根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数之前，所述方法还包括：
通过正演模型模拟出测试波场，并根据所述第一预设方式确定出测试电磁波场数据的衰减系数；
将所述测试电磁波场数据的衰减系数与测试电磁波场数据衰减系数理论值进行对比，以验证出所述第一预设方式得出的所述测试电磁波场数据的衰减系数是否正确；其中，所述衰减系数为
Figure FDA0003289948780000011
σ为电导率，ε为介电常数；
所述根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，具体包括：
将所述第一特征值序列、所述第二特征值序列以及时间序列输入至公式
Figure FDA0003289948780000021
应用第二预设方式对
Figure FDA0003289948780000022
与时间t进行数据拟合，以将
Figure FDA0003289948780000023
拟合成连续的线性函数，并根据线性函数的斜率确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数；
其中，χ(x,t)为实际电磁波场数据，G(x,t)为所述无耗损电磁波场数据，β为衰减系数，t为时间，x为场源至接收点的距离，b为常量。
2.根据权利要求1所述的探地雷达电磁场数据处理方法，其特征在于，所述根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据，具体包括：
对获取的所述实际电磁波场数据进行数据处理，其中，所述数据处理包括滤波、反褶积、零点时间校正中的一种或多种；
对处理后的所述实际电磁波场数据进行速度分析，得出速度模型；
根据所述速度模型确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据。
3.根据权利要求1所述的探地雷达电磁场数据处理方法，其特征在于，所述预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列为所述实际电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅最大值序列，或者为所述实际电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅绝对值最大值序列；所述预设条件的所述无损耗电磁波场数据对应的第二特征值序列为所述无损耗电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅最大值序列，或者为所述无损耗电磁波场数据对应的特征波形的多个周期中振幅绝对值最大值序列。
4.根据权利要求1所述的探地雷达电磁场数据处理方法，其特征在于，所述第二预设方式为最小二乘法。
5.根据权利要求1所述的探地雷达电磁场数据处理方法，其特征在于，所述电磁波的波形信息类型包括反射波或直达波。
6.一种探地雷达电磁场数据处理装置，其特征在于，所述装置包括：
第一确定单元，用于根据实际电磁波场数据确定出所述实际电磁波场数据对应的无耗损电磁波场数据；
第一补偿单元，用于对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据进行第一振幅补偿，其中，所述第一振幅补偿为补偿由几何衰减对所述实际电磁波场数据与所述无耗损电磁波场数据所带来的振幅误差；
提取单元，用于提取所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息；
第二确定单元，用于在所述实际电磁波场数据中电磁波的波形信息与所述无耗损电磁波场数据中电磁波的波形信息中，分别确定出符合预设条件的所述实际电磁波场数据对应的第一特征值序列与所述无耗损电磁波场数据对应的第二特征值序列，并确定出所述第一特征值序列与所述第二特征值序列对应的时间序列；
第二补偿单元，用于根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，并根据所述衰减系数对所述实际电磁波场数据进行第二振幅补偿，其中，所述第二振幅补偿为补偿由衰减系数对所述实际电磁波场数据所带来的振幅误差；
所述根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数之前，所述第二补偿单元还用于：
通过正演模型模拟出测试波场，并根据所述第一预设方式确定出测试电磁波场数据的衰减系数；
将所述测试电磁波场数据的衰减系数与测试电磁波场数据衰减系数理论值进行对比，以验证出所述第一预设方式得出的所述测试电磁波场数据的衰减系数是否正确；其中，所述衰减系数为
Figure FDA0003289948780000031
σ为电导率，ε为介电常数；
所述根据第一预设方式确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数，具体包括：
将所述第一特征值序列、所述第二特征值序列以及时间序列输入至公式
Figure FDA0003289948780000041
应用第二预设方式对
Figure FDA0003289948780000042
与时间t进行数据拟合，以将
Figure FDA0003289948780000043
拟合成连续的线性函数，并根据线性函数的斜率确定出所述实际电磁波场数据的衰减系数；
其中，χ(x,t)为实际电磁波场数据，G(x,t)为所述无耗损电磁波场数据，β为衰减系数，t为时间，x为场源至接收点的距离，b为常量。
7.一种计算机可读介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现权利要求1至5中任一项所述的方法。
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