CN113050179B - 一种三维多源探地雷达设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维多源探地雷达设备及方法，方法包括：针对多源探地雷达设置多组超级源，每组超级源包括多个独立场源随机编码序列，每一场源随机编码序列对应探地雷达的一激发天线，场源随机编码序列包括：场源位置随机编码、极性随机编码、振幅随机编码和相位随机编码；将场源随机编码序列输出至对应的激发天线，以使激发天线依据场源随机编码序列向地下介质发射高频电磁波脉冲，每组超级源对应一发射轮次；利用多通道接收天线，接收地下介质的反射回波；以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入，进行反演成像，得到地下介质的介电参数和电导率参数的分布结果。可以提高数据采集效率和反演速度。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘探技术领域，具体而言，涉及一种三维多源探地雷达设备及方法。
背景技术
探地雷达(GRP，Ground Penetrating Radar)通过激发天线向地下介质发射高频电磁波脉冲，高频电磁波脉冲在地下介质中传播时，遇到存在电性差异的分界面时发生反射，再利用接收天线接收来自地下介质的反射回波，根据反射回波的振幅相位等信息，对地下介质的电性结构进行成像，从而获取地下介质的结构、形态、及目标体深度等，广泛应用在工程领域中，例如，检测水泥浇筑是否有空洞，进行地下考古工作、地下污染物调查等。
目前的探地雷达，通常采用单激发天线和单接收天线的零偏移距模式，即通过固定位置点进行信号激发和接收，在该固定位置点采集完成后，再移动至下一位置点进行数据采集；或者，采用固定激发天线、移动接收天线的多次激发测量达到多偏移距采集；或者，采用单激发天线和多接收天线同时采集数据的方法。但上述的数据采集方法，由于激发天线需要依次发射高频电磁波脉冲，使得测量所需的时间较长，测量效率较低，难以满足对目标区域进行实时监测的任务，例如，对于工程实时监测、大坝裂缝渗流的信号测量，需要在短时间内完成大量数据采集和测量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供三维多源探地雷达设备及方法，以提高数据采集效率和反演速度。
第一方面，本发明实施例提供了三维多源探地雷达方法，包括：
针对多源探地雷达设置多组超级源，每组超级源包括多个独立场源随机编码序列，每一场源随机编码序列对应所述多源探地雷达的一激发天线，所述场源随机编码序列包括：场源位置随机编码、极性随机编码、振幅随机编码和相位随机编码；
将超级源包含的场源随机编码序列发送至对应的激发天线，以使激发天线依据接收的场源随机编码序列向地下介质发射高频电磁波脉冲，每组超级源对应一发射轮次；
利用多通道接收天线，接收地下介质对所述高频电磁波脉冲的反射回波信号；
以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入，进行反演成像，得到地下介质的成像结果。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述方法还包括：
存储生成的场源随机编码序列以作为所述反演成像的场源参数。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入，进行反演成像，得到地下介质的成像结果，包括：
以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演模型的输入；
基于频率域中的正演电磁波场，利用线性化采样算子对正演电磁波场进行线性采样，得到合成数据，利用伴随状态方程，基于合成数据和观测数据计算伴随波场；
基于频率域中的正演电磁波场以及伴随波场，计算目标函数梯度；
基于所述目标函数梯度，利用有限存储的L-BFGS算法计算近似海瑟矩阵的逆；
基于所述目标函数梯度以及所述近似海瑟矩阵的逆，确定所述多道、多偏移距反演模型参数的更新方向；
依据更新方向，通过非精确线搜索更新所述多道、多偏移距反演模型参数；
判断是否达到设置的最大迭代次数或到达残差阈值，若是，输出反演成像结果。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，利用下式计算所述频率域中的正演电磁波场：
A(mk)Ey＝s
式中，
A(mk)为输入模型相关的阻抗矩阵；
mk为第k次迭代时的模型参数；
Ey为正演电磁波场；
s为超级源。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，利用下式计算所述合成数据：
dcal＝pEy
式中，
dcal为合成数据；
p为线性化采样算子。
结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，利用下式计算所述伴随波场：
式中，
AT为阻抗矩阵的转置；
p*为线性化采样算子的共轭逆算子；
dobs为观测数据。
第二方面，本发明实施例还提供了一种三维多源探地雷达设备，包括：
场源随机编码模块，用于针对多源探地雷达设置多组超级源，每组超级源包括多个独立场源随机编码序列，每一场源随机编码序列对应所述多源探地雷达的一激发天线，所述场源随机编码序列包括：场源位置随机编码、极性随机编码、振幅随机编码和相位随机编码；
激发模块，用于将超级源包含的场源随机编码序列输出至对应的激发天线，以使激发天线依据接收的场源随机编码序列向地下介质发射高频电磁波脉冲，每组超级源对应一发射轮次；
信号接收模块，用于利用多通道接收天线，接收地下介质对所述高频电磁波脉冲的反射回波信号；
反演模块，用于以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入，进行反演成像，得到地下介质的成像结果。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，还包括：
存储模块，用于存储在数据采集中生成的场源随机编码序列以作为所述反演流程中的输入场源参数。
第三方面，本申请实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述的方法的步骤。
本发明实施例提供的三维多源探地雷达设备及方法，通过针对多源探地雷达设置多组超级源，每组超级源包括多个独立场源随机编码序列，每一场源随机编码序列对应所述多源探地雷达的一激发天线，所述场源随机编码序列包括：场源位置随机编码、极性随机编码、振幅随机编码和相位随机编码；将超级源包含的场源随机编码序列输出至对应的激发天线，以使激发天线依据接收的场源随机编码序列向地下介质发射高频电磁波脉冲，每组超级源对应一发射轮次；利用多通道接收天线，接收地下介质对所述高频电磁波脉冲的反射回波信号；以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入，进行反演成像，得到地下介质的成像结果。这样，利用多激发天线和多接收天线的多源探地雷达，结合场源位置、极性和相位随机的编码方式，能够在有效减弱不同场源在同一时间窗口激发所带来的串扰噪声的情形下，有效缩短发射时间，从而降低探地雷达数据的采集时间，同时配合多源探地雷达反演流程可以有效减少反演所需的时间，提高反演效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的三维多源探地雷达方法流程示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的基于多偏移距的多源探地雷达数据采集系统结构示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的超级源示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的多激发探地雷达的接收天线观测记录示意图；
图5示出了本发明实施例所提供的多场源与目前的单场源的激发位置及次数对比示意图；
图6示出了在相同的反演参数的情况下，使用单场源激发和多场源激发的介电参数和电导率的反演输出结果对比示意图；
图7示出了反演输出结果在x＝5m和15m处的切片对比结果示意图；
图8示出了单场源和多场源的全波形反演的耗时对比示意图；
图9示出了本发明实施例所提供的三维多源探地雷达设备结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种计算机设备1000的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种三维多源探地雷达设备及方法，下面通过实施例进行描述。
图1示出了本发明实施例所提供的三维多源探地雷达方法流程示意图。如图1所示，该方法包括：
步骤101，针对多源探地雷达设置多组超级源，每组超级源包括多个独立场源随机编码序列，每一场源随机编码序列对应所述多源探地雷达的一激发天线，所述场源随机编码序列包括：场源位置随机编码、极性随机编码、振幅随机编码和相位随机编码；
本发明实施例中，利用多激发天线和多接收天线的多源探地雷达，同一发射时间窗口，能够通过多条激发天线发射高频电磁波脉冲，可以有效缩短发射时间。同时，利用多接收天线接收地下介质发射的各反射回波。通过使用多个激发天线进行激发，多个接收天线进行同时采集的多场源方式，可以有效降低反射回波的采集时间，从而有效缩短测量时间。
本发明实施例中，不同场源会产生串扰噪声，为了有效减少各激发天线发射的高频电磁波脉冲之间的串扰，压制多个场源在同一时间段激发所引起的串扰噪声，作为一可选实施例，可由计算机生成用于激发天线参数设置的场源随机编码序列，生成的每一场源随机编码序列中，包括：场源位置随机编码、极性随机编码、振幅随机编码和相位随机编码，即每一激发天线的场源位置、极性、主频、振幅和相位均为随机生成，这样，采用场源随机编码技术，可以减轻多场源信号相关性，即通过探地雷达场源随机编码的方式，将场源天线进行有效的组合，可以利用较少场源激发的次数，达到减少激发、测量时间的目的，以多场源的探地雷达来提高探地雷达的采集效率。每一发射轮次的场源随机编码序列的数量可依据多源探地雷达的激发天线的实际数量设置，形成一组超级源，每一激发天线在一个发射轮次中，对应一场源随机编码序列。每组超级源对应一个发射轮次的信号发射，这样，通过场源位置、极性和相位随机的编码方式，可以有效减弱不同场源共同激发所带来的串扰噪声。例如，若多源探地雷达设置有5条激发天线，则针对每条激发天线，设置一场源随机编码序列，5条激发天线对应的场源随机编码序列组成一组超级源，若超级源的组数为3，则在一个轮次的发射中，5条激发天线按照对应的场源随机编码序列同时发射高频电磁波脉冲，前后共发射3轮。
本发明实施例中，生成的场源随机编码序列不仅用于该轮次多场源探地雷达激发天线的激发，同时进行保存，以用于后续的全波形反演使用。
步骤102，将超级源包含的场源随机编码序列输出至对应的激发天线，以使激发天线依据接收的场源随机编码序列向地下介质发射高频电磁波脉冲，每组超级源对应一发射轮次；
本发明实施例中，针对每一激发天线，在一个发射轮次中，输出一场源随机编码序列，控制该激发天线依据接收的场源随机编码序列，向地下介质对应发射高频电磁波脉冲。
本发明实施例中，每组超级源之间的发射间隔，可依据实际需要进行设置。
步骤103，利用多通道接收天线，接收地下介质对所述高频电磁波脉冲的反射回波信号；
本发明实施例中，每一接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号中，包含所有激发天线发射的高频电磁波脉冲的反射回波信号。
步骤104，以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入，进行反演成像，得到地下介质的成像结果。
本发明实施例中，以每一发射轮次的各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号(观测数据)作为输入数据，地下介质的成像结果(反演输出结果、反演成像结果、反演结果)为需要探测的地下介质的物理属性参数，例如，包括但不限于：介电参数、电导率等。
本发明实施例中，作为一可选实施例，以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入，进行反演成像，得到地下介质的成像结果，包括：
A11，以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演模型(反演过程)的输入；
本发明实施例中，将反射回波信号对应的观测数据作为预先设置的多道、多偏移距反演模型的输入。
本发明实施例中，作为一可选实施例，在将反射回波信号输入多道、多偏移距反演模型之前，该方法还可以包括：
初始化所述多道、多偏移距反演模型的反演迭代次数、最大迭代次数以及模型参数。
本发明实施例中，将反演迭代次数(k)初始化为1，设置最大迭代次数(kmax)以及初始模型参数(m0)。
A12，利用线性化采样算子对正演电磁波场进行线性采样，得到合成数据，利用伴随状态方程，基于合成数据和输入的观测回波数据计算伴随波场；
本发明实施例中，可以以激发天线的各参数(场源位置、极性、主频、振幅和相位)作为矩阵的列，以每组超级源作为矩阵的行，构建反射回波矩阵(超级源矩阵)，通过反射回波矩阵进行后续相应计算。通过超级源矩阵(s)计算正演电磁波场。其中，计算正演电磁波场的场源编码和激发高频电磁波脉冲过程中的场源编码相同，是在多场源探地雷达激发过程中使用的场源编码信息，可以保证场源位置、极性、主频、振幅和相位的一致性。
本发明实施例中，作为一可选实施例，利用下式计算频率域中的正演电磁波场：
A(mk)Ey＝s
式中，
A(mk)为输入模型相关的阻抗矩阵，与多道、多偏移距反演模型参数相关；
mk为第k次迭代时的模型参数；
Ey为正演电磁波场；
s为超级源。
本发明实施例中，作为一可选实施例，利用下式计算合成数据：
dcal＝pEy
式中，
dcal为合成数据；
p为线性化采样算子。
本发明实施例中，作为一可选实施例，利用下式计算伴随波场：
式中，
AT为阻抗矩阵的转置；
p*为线性化采样算子的共轭逆算子；
dobs为观测数据，即输入的观测回波数据。
本发明实施例中，在全波形反演中，由于加入了与多场源探地雷达的反射回波采集相匹配的多场源全波形成像方法，场源编码与采集过程中的场源编码相同，可以有效降低计算时间。
A13，基于频率域中的正演电磁波场以及伴随波场，计算目标函数梯度；
本发明实施例中，作为一可选实施例，利用下式计算目标函数梯度：
式中，
gk为目标函数梯度。
A14，基于所述目标函数梯度，利用有限存储的L-BFGS(Limited Memory-Broyden,Fletcher,Goldfarb,Shanno)算法计算近似海瑟(Hessian)矩阵的逆；
本发明实施例中，在L-BFGS算法中，使用前n步迭代的目标函数梯度计算近似海瑟矩阵的逆。
A15，基于所述目标函数梯度以及所述近似海瑟矩阵的逆，确定所述多道、多偏移距反演模型参数的更新方向；
本发明实施例中，作为一可选实施例，利用下式计算多道、多偏移距反演模型参数的更新方向：
dk＝-Bkgk
式中，
dk为多道、多偏移距反演模型参数的更新方向；
Bk为近似海瑟矩阵的逆。
A16，依据更新方向，通过非精确线搜索更新所述多道、多偏移距反演模型参数；
本发明实施例中，作为一可选实施例，采用非准确线搜索更新多道、多偏移距反演模型参数：
mk+1＝mk+αdk
式中，
α为线搜索步长。α∈(0,1]。
至此，完成多道、多偏移距反演模型的一次迭代，依据更新的参数进行下一次的迭代。
A17，判断是否达到设置的最大迭代次数或到达残差阈值，若是，输出反演成像结果。
本发明实施例中，若没有达到最大迭代次数或残差阈值，执行下一次的迭代。其中，残差阈值是预先设置的一判断值，计算当前迭代输出的反演成像结果与上一次迭代输出的反演成像结果的差值，若该差值小于残差阈值，则表明达到残差阈值，结束迭代过程，输出成像结果(反演成像结果)。
本发明实施例中，成像结果包括介电参数和电导率。
图2示出了本发明实施例所提供的基于多偏移距的多源探地雷达测量数据采集系统结构示意图。如图2所示，该多源探地雷达测量系统包括：激发电源系统201，多道发射系统202、控制系统203、多道接收系统204、计算机设备205、接收天线组件206、激发天线207以及探地雷达探测目标体208。其中，
激发电源系统201用于为整个多源探地雷达测量系统进行供电，激发天线207输出场源脉冲(即向探地雷达探测目标体208发射高频电磁波脉冲)。激发天线207用于向地下目标介质区域发射高频电磁波脉冲。控制系统203用于对外界硬件设备(多道发射系统202、多道接收系统204、计算机设备205、接收天线组件206、激发天线207)进行控制。接收天线组件206用于接收激发天线207发射的高频电磁波脉冲遇到探地雷达探测目标体208反射的反射回波。多道接收系统204用于得到接收天线组件206的反射回波，并将该反射回波信号进行过滤和放大。其中，接收天线组件206采用多通道并行采集卡，同时获取多个接收天线的回波信号。通过使用多通道并行采集卡，可以实现多道并行接收。多通道同时采集可以有效提升多源探地雷达的数据采集速度，从而降低测量时间，同时，通过增加激发天线数目，同时向地下介质发射高频电磁波脉冲，也有效加速采集。
图3示出了本发明实施例所提供的超级源示意图。如图3所示，(a)和(b)分别为超级源的两种情况，其中场源位置、极性、振幅和相位具有随机性。
图4示出了本发明实施例所提供的多激发探地雷达的接收天线观测记录示意图。如图4所示，是两组超级源(超级源A和超级源B)所形成的观测记录，底部的记录表示位置在15m处的观测记录，(a)和(b)表示两组随机的超级源(位置、相位、极性及其主频都随机)激发后接收天线所形成的观测记录(场源所在位置不放置接收天线)，显示在多偏移距接收剖面中会接收到来自三个激发天线所产生的反射回波，形成3条双曲线。将(a)和(b)中在距离15m处的探地雷达记录分别在(c)和(d)中表示。(c)中记录显示第一个超级源中的场源2和场源3所产生的反射信号叠加在了一起，而(d)中三个场源的反射回波在同一观测记录中先后出现(场源2和场源3所产生的反射信号距离比较近)。
图5示出了本发明实施例所提供的多场源与目前的单场源的激发位置及次数对比示意图。如图5所示，(a)为单场源在不同激发次数对应的激发位置，每次激发只激发一个场源位置，单场源激发在同一剖面中激发了41次，(b)表示一次激发会对应多个激发位置，多场源激发在同一剖面中只激发了21次，因而，多场源激发节约了至少一半的数据采集时间。
图6示出了在相同的反演参数的情况下，使用单场源激发和多场源激发的介电参数和电导率的反演输出结果对比示意图。如图6所示，(a)、(c)分别为单场源激发的介电参数和电导率的反演输出结果。(b)、(d)为多场源激发的介电参数和电导率的反演输出结果，两者的结果比较类似。
图7示出了反演输出结果在x＝5m和15m处的对比结果示意图。如图7所示，(a)、(b)分别为反演输出结果在x＝5m和15m处的相对介电参数剖面对比结果，(c)、(d)分别为反演输出结果在x＝5m和15m处的电导率剖面对比结果。对于单场源和多场源的反演输出结果，剖面结果显示两者结果较为接近。
图8示出了单场源和多场源的全波形反演的耗时对比示意图。如图8所示，由于多场源在激发次数上的优势，在反演成像时，所需要的正演次数也相对较少，在成像时间上也具有较大的优势。
图9示出了本发明实施例所提供的三维多源探地雷达设备结构示意图。如图9所示，该三维多源探地雷达设备包括：
场源随机编码模块901，用于针对多源探地雷达设置多组超级源，每组超级源包括多个独立场源随机编码序列，每一场源随机编码序列对应所述多源探地雷达的一激发天线，所述场源随机编码序列包括：场源位置随机编码、极性随机编码、振幅随机编码和相位随机编码；
本发明实施例中，多源探地雷达具有多激发天线和多接收天线，同一发射时间窗口，能够通过多条激发天线发射高频电磁波脉冲，每一接收天线能够接收所有激发天线发射的高频电磁波脉冲被反射回的反射回波信号。
本发明实施例中，每一场源随机编码序列中的场源位置、极性、主频、振幅和相位均为随机生成。
激发模块902，用于将超级源包含的场源随机编码序列输出至对应的激发天线，以使激发天线依据接收的场源随机编码序列向地下介质发射高频电磁波脉冲，每组超级源对应一发射轮次；
本发明实施例中，针对每一激发天线，在一个发射轮次中，输出一场源随机编码序列，控制该激发天线依据接收的场源随机编码序列，向地下介质对应发射高频电磁波脉冲。
信号接收模块903，用于利用多通道接收天线，接收地下介质对所述高频电磁波脉冲的反射回波信号；
本发明实施例中，每一接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号中，包含所有激发天线发射的高频电磁波脉冲的反射回波信号。
反演模块904，用于以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入，进行反演成像，得到地下介质的成像结果。
本发明实施例中，成像结果包括介电参数和电导率。
本发明实施例中，作为一可选实施例，该装置还包括：
存储模块(图中未示出)，用于存储在数据采集中生成的场源随机编码序列以作为所述反演成像的场源参数，即所述反演过程中的输入场源参数。
本发明实施例中，生成的场源随机编码序列不仅用于该轮次多场源探地雷达激发天线的激发，还用于全波形反演使用。
本发明实施例中，作为一可选实施例，反演模块904，具体用于：
以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入；
基于频率域中的正演电磁波场，利用线性化采样算子对正演电磁波场进行线性采样，得到合成数据，利用伴随状态方程，基于合成数据和观测数据计算伴随波场；
基于频率域中的正演电磁波场以及伴随波场，计算目标函数梯度；
基于所述目标函数梯度，利用有限存储的L-BFGS算法计算近似海瑟矩阵的逆；
基于所述目标函数梯度以及所述近似海瑟矩阵的逆，确定所述多道、多偏移距反演模型参数的更新方向；
依据更新方向，通过非精确线搜索更新所述多道、多偏移距反演模型参数；
判断是否达到设置的最大迭代次数或到达残差阈值，若是，输出成像结果。
本发明实施例中，作为一可选实施例，利用下式计算所述正演电磁波场：
A(mk)Ey＝s
本发明实施例中，作为一可选实施例，利用下式计算所述合成数据：
dcal＝pEy
本发明实施例中，作为一可选实施例，利用下式计算所述伴随波场：
本发明实施例中，作为一可选实施例，用下式计算目标函数梯度：
本发明实施例中，作为一可选实施例，利用下式计算多道、多偏移距反演模型参数的更新方向：
dk＝-Bkgk
本发明实施例中，作为一可选实施例，采用非准确线搜索更新多道、多偏移距反演模型参数：
mk+1＝mk+αdk
如图10所示，本申请一实施例提供了一种计算机设备1000，用于执行图1中的三维多源探地雷达方法，该设备包括存储器1001、处理器1002及存储在该存储器1001上并可在该处理器1002上运行的计算机程序，其中，上述处理器1002执行上述计算机程序时实现上述三维多源探地雷达方法的步骤。
具体地，上述存储器1001和处理器1002能够为通用的存储器和处理器，这里不做具体限定，当处理器1002运行存储器1001存储的计算机程序时，能够执行上述三维多源探地雷达方法。
对应于图1中的三维多源探地雷达方法，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述三维多源探地雷达方法的步骤。
具体地，该存储介质能够为通用的存储介质，如移动磁盘、硬盘等，该存储介质上的计算机程序被运行时，能够执行上述三维多源探地雷达方法。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，系统或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种三维多源探地雷达方法，其特征在于，包括：
针对多源探地雷达设置多组超级源，每组超级源包括多个独立场源随机编码序列，每一场源随机编码序列对应所述探地雷达的一激发天线，所述场源随机编码序列包括：场源位置随机编码、极性随机编码、振幅随机编码和相位随机编码；
将超级源包含的场源随机编码序列输出至对应的激发天线，以使激发天线依据接收的场源随机编码序列向地下介质发射高频电磁波脉冲，每组超级源对应一发射轮次；
利用多通道接收天线，接收地下介质对所述高频电磁波脉冲的反射回波信号；
以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入，进行反演成像，得到地下介质的成像结果；
所述方法还包括：
存储生成的场源随机编码序列以作为所述反演成像的场源参数；
所述以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入，进行反演成像，得到地下介质的反演成像结果，包括：
以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演模型的输入；
基于频率域中的正演电磁波场，利用线性化采样算子对正演电磁波场进行线性采样，得到合成数据，利用伴随状态方程，基于合成数据和观测数据计算伴随波场；
基于频率域中的正演电磁波场以及伴随波场，计算目标函数梯度；
基于所述目标函数梯度，利用有限存储的L-BFGS算法计算近似海瑟矩阵的逆；
基于所述目标函数梯度以及所述近似海瑟矩阵的逆，确定所述多道、多偏移距反演模型参数的更新方向；
依据更新方向，通过非精确线搜索更新所述多道、多偏移距反演模型参数；
判断是否达到设置的最大迭代次数或到达残差阈值，若是，输出反演成像结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用下式计算所述频率域中的正演电磁波场：
A(mk)Ey＝s
式中，
A(mk)为输入模型相关的阻抗矩阵；
mk为第k次迭代时的模型参数；
Ey为正演电磁波场；
s为超级源。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用下式计算所述合成数据：
dcal＝pEy
式中，
dcal为合成数据；
p为线性化采样算子。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用下式计算所述伴随波场：
式中，
AT为阻抗矩阵的转置；
p*为线性化采样算子的共轭逆算子；
dobs为观测数据。
5.一种三维多源探地雷达设备，其特征在于，包括：
场源随机编码模块，用于针对多源探地雷达设置多组超级源，每组超级源包括多个独立场源随机编码序列，每一场源随机编码序列对应所述多源探地雷达的一激发天线，所述场源随机编码序列包括：场源位置随机编码、极性随机编码、振幅随机编码和相位随机编码；
激发模块，用于将超级源包含的场源随机编码序列输出至对应的激发天线，以使激发天线依据接收的场源随机编码序列向地下介质发射高频电磁波脉冲，每组超级源对应一发射轮次；
信号接收模块，用于利用多通道接收天线，接收地下介质对所述高频电磁波脉冲的反射回波信号；
反演模块，用于以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入，进行反演成像，得到地下介质的成像结果；
存储模块，用于存储在数据采集中生成的场源随机编码序列以作为反演流程中的输入场源参数；
反演模块，具体用于：
以各接收天线接收的多道、多偏移距反射回波信号作为多道、多偏移距反演过程的输入；
基于频率域中的正演电磁波场，利用线性化采样算子对正演电磁波场进行线性采样，得到合成数据，利用伴随状态方程，基于合成数据和观测数据计算伴随波场；
基于频率域中的正演电磁波场以及伴随波场，计算目标函数梯度；
基于所述目标函数梯度，利用有限存储的L-BFGS算法计算近似海瑟矩阵的逆；
基于所述目标函数梯度以及所述近似海瑟矩阵的逆，确定所述多道、多偏移距反演模型参数的更新方向；
依据更新方向，通过非精确线搜索更新所述多道、多偏移距反演模型参数；
判断是否达到设置的最大迭代次数或到达残差阈值，若是，输出成像结果。
6.一种计算机设备，其特征在于，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如权利要求1至4任一所述的三维多源探地雷达方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至4任一所述的三维多源探地雷达方法的步骤。
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115598714B (zh) * | 2022-12-14 | 2023-04-07 | 西南交通大学 | 基于时空耦合神经网络的探地雷达电磁波阻抗反演方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7764065B2 (en) * | 2007-10-01 | 2010-07-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Arrangement for transmission of magnetic resonance signals |
| CN105676219A (zh) * | 2016-01-11 | 2016-06-15 | 桂林电子科技大学 | 基于正交相位调制的mimo雷达三维成像方法 |
| CN106033124A (zh) * | 2016-06-29 | 2016-10-19 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种基于随机最优化的多震源粘声最小二乘逆时偏移方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2558626C (en) * | 2006-09-21 | 2008-05-20 | Tenxc Wireless Inc. | Highly-accurate radio location of beacons in a warehouse |
| CN204439848U (zh) * | 2015-03-13 | 2015-07-01 | 厦门大学 | 一种共发射源探地雷达多偏移距数据自动快速测量系统 |
| CN104656154B (zh) * | 2015-03-13 | 2018-05-04 | 厦门大学 | 共发射源探地雷达多偏移距数据自动快速测量系统 |
| CN109541691B (zh) * | 2018-12-01 | 2020-05-19 | 中国石油大学(华东) | 一种地震速度反演方法 |
| CN109655910B (zh) * | 2019-01-18 | 2019-12-24 | 吉林大学 | 基于相位校正的探地雷达双参数全波形反演方法 |
| CN110954945B (zh) * | 2019-12-13 | 2021-01-08 | 中南大学 | 一种基于动态随机震源编码的全波形反演方法 |
-
2021
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7764065B2 (en) * | 2007-10-01 | 2010-07-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Arrangement for transmission of magnetic resonance signals |
| CN105676219A (zh) * | 2016-01-11 | 2016-06-15 | 桂林电子科技大学 | 基于正交相位调制的mimo雷达三维成像方法 |
| CN106033124A (zh) * | 2016-06-29 | 2016-10-19 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种基于随机最优化的多震源粘声最小二乘逆时偏移方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 多输入多输出探地雷达方法研究;黄玲;《中国优秀博硕士论文全文数据库（博士） 基础科学辑》;20100815;正文第21、55-56、62、88、102页 * |
| 多震源同时激发的粘滞波形反演方法研究;黄华;《中国优秀博硕士论文全文数据库（硕士） 基础科学辑》;20210215;正文第24-30页 * |
| 黄玲.多输入多输出探地雷达方法研究.《中国优秀博硕士论文全文数据库（博士） 基础科学辑》.2010,正文第21、55-56、62、88、102页. * |
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