CN117890904A - 一种探地雷达衍射属性场的提取方法、存储介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷达数据处理技术领域，其公开一种探地雷达衍射属性场的提取方法、存储介质及设备。具体方法包括：将多个偏移距雷达数据进行叠加得到高信噪比的数据剖面；构建波前属性参数；获取三个参数的具体分布；构建相似度权函数，并计算剖面上的全部数据点的相似度权函数获得相似度剖面，将的数据点均赋权值1，的数据点为反射波，获得衍射波波前剖面；再结合波前属性参数获取衍射波场的完整信息。本发明能完整地提取探地雷达衍射场，使得后续的数据分析及成像工作能在充分利用衍射场信息的基础上开展，为复杂介质中探地雷达的高分辨率成像提供前置基础。
Description
技术领域
本发明涉及雷达数据处理技术领域，尤其涉及一种探地雷达衍射属性场的提取方法、存储介质及设备。
背景技术
探地雷达 (Ground Penetrating Radar, GPR) 作为一种重要的无损检测和探测手段，被广泛应用于工程检测、环境勘查和考古调查等浅部地球物理探测领域，其利用高频电磁波在地下介质中的反射、衍射等波场传播特性，来研究地下介质的参数分布。GPR直接获取的是电磁波在介质中的双程走时、振幅、频率、相位等信息，对全幅完整的探地雷达数据成像处理是全面客观地认识地下介质的几何尺寸及物性参数的前提。
目前，GPR数据的成像处理方法有包括走时层析反演、以衰减系数和振幅为参数或以波场全幅度信息为参数等的波前层析反演 (Wavefront Tomography Inversion, WTI) 和全波场反演 (Full Wavefield Inversion, FWI) 在内的较为成熟的反演方法，但这些反演成像方法均只面向GPR反射场，特别是在On-Ground地面耦合模式下，由于来自地下目标体的GPR数据集相对缺乏(与Cross-hole跨孔模式相比)，GPR反射场反演问题的病态和非线性特征尤为突出，地下目标体的局部成像分辨率亟待提升。因此，有必要提供一种新的探地雷达衍射属性场的提取方法来解决上述技术问题。
现有的GPR数据处理及成像算法仅关注宏观高幅值的GPR反射场信息，它是来自地下大尺度结构体的电磁响应；而相比高振幅的反射同相轴，衍射场信息反映的是小尺度目标体的散射响应，这些强弱散射响应分布于整个剖面数据，从微观角度完整准确地描述了探测区域及地下目标体的散射运动学特征。但对衍射场信息的忽略或衍射场反演计算的效能不佳，将直观地反映在小尺度结构的GPR局部成像分辨率上，对小尺度结构体的客观辨别和正确解释造成了极大阻碍。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种探地雷达衍射属性场的提取方法、存储介质及设备，旨在解决现有的探地雷达衍射属性场的提取方法对衍射场信息的忽略或衍射场反演计算的效能不佳的问题。
为实现上述目的，本发明提出的探地雷达衍射属性场的提取方法、存储介质及设备，其中探地雷达衍射属性场的提取方法包括：
S1：通过雷达测量获得多个偏移距雷达数据；将多个偏移距雷达数据进行共反射元衍射叠加得到高信噪比的数据剖面，其中，数据剖面/>的横轴为位置/>，纵轴为衍射波旅行时/>；
S2：构建波前属性参数，具体是：
S2.1、构建中心点位置和零偏移距的单向旅行时/>；
S2.2、构建判据参数：衍射波慢度、衍射波的法向入射点波曲率半径/>、衍射波的法向波曲率半径/>；
S3：采用拆分搜索的方法获取三个参数的具体分布，具体是：
S3.1、基于S2中的波前属性参数构建适用于衍射场形式的原始时差方程；
S3.2、求取数据剖面上全部数据点相干度/>为最大值时的/>值分布和/>值分布；
S3.3、将、/>代入S3.1中的原始时差方程中求取相干度/>最大时的/>；
S4：构建衍射场形式的相似度权函数，并计算剖面/>上的全部数据点的相似度权函数/>获得相似度剖面，将/>的数据点均赋权值1，/>的数据点为反射波均赋权值0，得到全部为衍射波的数据点集，获得衍射波波前剖面；其中，/>为设定阈值；
S5：将获得的衍射波波前剖面结合S2中的波前属性参数得到衍射波场的完整信息。
可选地，所述S1中数据剖面的叠加方程为：
；
其中，是待叠加数据，/>是参与叠加的数据道数，/>为数据剖面/>上的数据点坐标，/>，/>是横向坐标增量，各数据点的/>由具体的时差方程给出。
可选地，所述S3.1中的原始时差方程公式为：
；
其中，为中心点距离，/>为半偏移距；
所述S3.2中的相关度的计算公式为：
；
其中，，/>为纵向坐标增量，/>，/>分别是参与数据剖面上某数据点相干度值计算的纵轴和横轴上的范围大小，/>。
可选地，所述S3.2包括：
S3.2.1、构建新参数和由/>计算得到的/>，具体表达式分别为：
；
；
其中，视作等效正常时差校正速度，/>是为方便时差方程形式变换而构建的中间变量，并无实际物理意义；
S3.2.2、构建用于搜索的时差方程一，具体表达式为：
；
S3.2.3、将时差方程一代入叠加方程进行叠加获得叠加后的数据剖面；
S3.2.4、计算数据剖面上全部数据点的/>和/>的相干度/>；
S3.2.5、将数据点的相干度/>与该数据点处的/>值的对应关系记作：，基于数据剖面/>求解最优化问题获得/>值分布，最优化问题记为：
；
其中，由时差方程一给出；
S3.2.6、根据求得的值分布，结合/>的表达式进一步求得/>值分布；
S3.2.7、构建时的时差方程二，具体表达式为：
；
S3.2.8、将时差方程二代入叠加方程进行叠加获得数据剖面；
S3.2.9、计算数据剖面上全部数据点的/>和/>的相干度/>；
S3.2.10、将数据点的相干度/>与该数据处的/>值的对应关系记作：，基于数据剖面/>求解最优化问题获得/>值分布，最优化问题记为：
；
其中，由时差方程一给出；
S3.2.11、根据上述步骤求得的值分布和/>值分布，结合S3.2.1中/>的表达式求得值分布。
可选地，所述S3.3包括：
S3.3.1、将S3.2中求得的值分布和/>值分布带入原始时差方程中进行叠加获得数据剖面/>；
S3.3.2、计算数据剖面上全部数据点的/>和/>的相干度/>；
S3.3.3、基于数据剖面求解最优化问题获得/>值分布，最优化问题记为：
；
其中，由原始时差方程给出。
可选地，所述S4中的相似度权函数的计算公式为：
；
其中，是自然底数。
可选地，所述S2.2中的计算公式分别为：
；
；
；
所述S4中的取值范围为：/>。
可选地，所述S1包括：
S1.1、先保持发射天线固定，偏移距不变，将接收天线分别按不同间距的偏移距沿测线移动，获得横轴为不同偏移距，纵轴为反射时间的多偏移距雷达剖面数据；
S1.2、移动一次发射天线并固定，继续将接收天线分别按不同间距的偏移距沿测线移动，获得另一个多偏移距雷达剖面数据；
S1.3、重复S1.2，获得多个偏移距雷达剖面数据；
S1.4、将多个偏移距雷达剖面数据进行叠加得到数据剖面。
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上所述的探地雷达衍射属性场的提取方法。
本发明还提供一种设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行如上所述的探地雷达衍射属性场的提取方法。
本发明基于衍射场的传播时间分解原理，采用共反射面元叠加和局部相干分析阈值法，通过构建波前属性参数和原始时差方程，并采用拆分搜索的方法对衍射场出射角的属性差异相关参数和/>进行相干度最大化搜索得到其具体分布，从而计算出衍射波相似度权函数，并根据设定阈值提取衍射波数据点，获得衍射波波前剖面。本发明在衍射场出射角的属性差异、局部相干条件、附加相干阈值、衍射波慢度及衍射波相似度权函数等多源判据条件下，获取高信噪比的零偏移距衍射场波前属性场，能完整地提取探地雷达衍射场，使得后续的数据分析及成像工作能在充分利用衍射场信息的基础上开展，为复杂介质中探地雷达的高分辨率成像提供前置基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中探地雷达衍射属性场的提取方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中S3.3.1至S3.3.5的流程示意图；
图3为本发明实施例中S3.3.5至S3.3.8的流程示意图；
图4为本发明实施例中S3.3.9的流程示意图；
图5为本发明实施例中数据点示意图，其中，为对剖面上点/>以/>和/>为横纵范围求相干度时参与运算的数据点示意图；/>为对剖面上点/>以/>为范围进行叠加时参与运算的数据点示意图；
图6为本发明实施例中进行衍射波场提取的合成数据原始模型，其中，各异常体之间的间隔，/>为球体半径，/>为球体介电常数，/>是正演雷达中心频率，/>是收发距大小，/>是时窗大小；
图7为本发明实施例中原始数据剖面的效果图；
图8为本发明实施例中数据剖面的效果图；
图9为本发明实施例中衍射波波前剖面的效果图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明提出一种探地雷达衍射属性场的提取方法、存储介质及设备，旨在解决现有的探地雷达衍射属性场的提取方法对衍射场信息的忽略或衍射场反演计算的效能不佳的问题。
在一实施例中，如图1至图4所示，探地雷达衍射属性场的提取方法包括：
S1：获取原始数据剖面，具体是：先保持发射天线固定，偏移距不变，将接收天线分别按不同间距的偏移距沿测线移动，获得横轴为不同偏移距，纵轴为反射时间的多偏移距雷达剖面数据；如图7所示，可以观察到明显的地层反射和由球状异常体造成的双曲线形波形。
初步叠加，具体是：移动一次发射天线并固定，继续将接收天线分别按不同间距的偏移距沿测线移动，获得另一个多偏移距雷达剖面数据；重复上述操作，获得多个偏移距雷达剖面数据；将多个偏移距雷达剖面数据进行共反射元衍射叠加得到的高信噪比的初始叠加数据剖面，如图8所示的数据剖面A在信噪比上比图7中的原始数据剖面有明显提升，其中，数据剖面/>的横轴为位置/>，纵轴为衍射波旅行时/>。
其中，数据剖面的叠加方程为：
；
其中，是待叠加数据，/>是参与叠加的数据道数，/>为数据剖面/>上的数据点坐标，/>，如图5中的a所示，/>是横向坐标增量，各数据点的/>由具体的时差方程给出。
在本实施例中，如图5中的所示，对剖面上的点/>做叠加，那么就有/>，/>，，…，以此类推，直到/>为止。
S2：构建波前属性参数，波场属性参数一般包括出射角、法向入射点波曲率半径及法向波曲率半径/>，推广到衍射波场时，/>代表衍射波的法向入射点波曲率半径，代表衍射波的法向波曲率半径。此外，在零偏移距模式下，法相入射点波波前/>可由近似表征实际物理波前，而针对多偏移距模式可将雷达的接收点与发射点视作两个独立的共源点的零偏移距模式和共接收点的零偏移距模式，属性参数没有变化。S2具体是：
S2.1、构建中心点位置和零偏移距的单向旅行时/>，其中，/>可以看作地下反射面中心点在地表的投影，/>对应数据剖面的横轴坐标，/>对应数据剖面纵轴坐标；
S2.2、构建判据参数：衍射波慢度、衍射波的法向入射点波曲率半径/>、衍射波的法向波曲率半径/>；/>的计算公式分别为：
；
；
；
S3：采用拆分搜索的方法获取三个参数的具体分布，具体是：
S3.1、基于S2中的波前属性参数构建适用于衍射场形式的原始时差方程；原始时差方程是基于波前属性参数将普通形式的共反射面元叠加的时差方程推广到了本发明适用的衍射场形式，
普通形式的时差方程为：
；
其中，是发射天线与接收天线中点，/>是半偏移距，/>是电磁波在地层中的速度；/>为共反射面元叠加基础属性参数，分别是出射角、法向入射点波曲率半径及法向波曲率半径；/>是进行共反射面元叠加的数据点，/>是在此时差方程条件下进行叠加时采用的时差值；
原始时差方程公式为：
；
其中，为中心点距离，/>为半偏移距；
S3.2、求取数据剖面上全部数据点相干度/>为最大值时的/>值分布和/>值分布；相干度/>的计算公式为：
；
其中，，如图5中的/>所示，/>为纵向坐标增量，/>，/>分别是参与数据剖面上某数据点相干度值计算的纵轴和横轴上的范围大小，一般而言，两个范围值越大计算得到的相干度越能反映整体的聚焦情形，对于原始剖面的相干度反映也越精确，然而范围提升的同时也会增大计算的复杂度和耗时，综合这些因素，/>和/>的取值范围为：，且在计算剖面上的各点值时两者均取为定值。
S3.2具体是：
S3.2.1、构建新参数和由/>计算得到的/>，具体表达式分别为：
；
；
其中，与时差方程中含义一致，/>视作等效正常时差校正速度，/>是为方便时差方程形式变换而构建的中间变量，并无实际物理意义；
S3.2.2、构建用于搜索的时差方程一，具体表达式为：
；
S3.2.3、将时差方程一代入叠加方程进行叠加获得叠加后的数据剖面；
S3.2.4、计算数据剖面上全部数据点的/>和/>的相干度/>；
S3.2.5、将数据点的相干度/>与该数据点处的/>值的对应关系记作：，求解最优化问题获得/>值分布，即求取数据剖面/>上每一数据点满足相干度最大时的/>值，最优化问题记为：
；
其中，由时差方程一给出；
S3.2.6、根据求得的值分布，且由于/>的表达式中仅有/>是变量，也可以得到每一点上的/>值，可结合/>的表达式进一步求得/>值分布；
S3.2.7、构建时的时差方程二，具体表达式为：
；
S3.2.8、将时差方程二代入叠加方程进行叠加获得数据剖面；
S3.2.9、计算数据剖面上全部数据点的/>和/>的相干度/>；
S3.2.10、将数据点的相干度/>与该数据点处的/>值的对应关系记作：，基于数据剖面/>求解最优化问题获得/>值分布，最优化问题记为：
；
其中，由时差方程一给出；
S3.2.11、根据上述步骤求得的值分布和/>值分布，结合S3.2.1中/>的表达式求得值分布。
S3.3、将、/>代入S3.1中的原始时差方程中求取相干度/>最大时的/>；具体是：
S3.3.1、将S3.2中求得的值分布和/>值分布带入原始时差方程中进行叠加获得数据剖面/>；
S3.3.2、计算数据剖面上全部数据点的/>和/>的相干度/>；
S3.3.3、基于数据剖面求解最优化问题获得/>值分布，最优化问题记为：
；
其中，由原始时差方程给出。
S4：构建衍射场形式的相似度权函数，并计算剖面/>上的全部数据点的相似度权函数/>获得相似度剖面，将/>的数据点均赋权值1，/>的数据点为反射波均赋权值0，得到全部为衍射波的数据点集，获得衍射波波前剖面，如图9所示，以明显观察到反射波信号的消失，简头所指的衍射波相比原始剖面非常明显；其中，/>为设定阈值；其中，，相似度权函数的计算公式为：
；
其中，是自然底数。
相似度权函数代表了/>和/>的相似度，这是一个非线性的、与/>和/>相似度正相关的函数，/>和/>越相近则/>值越接近于1。权函数阈值判据即建立在对/>值的求取上：阈值一般设定在，对于高于阈值的情况认定为是衍射波，否则认定为是反射波。
S5：将获得的衍射波波前剖面结合S2中的波前属性参数得到衍射波场的完整信息。
如图6所示，图中展示了接下来进行共反射面元叠加衍射波场提取的合成数据原始模型构成，用三组每组三个箭头标识出了三组每组三个球状异常体，每组中各异常体之间的间隔固定，由给出；各组异常体的组成一致，由/>(球体半径)和/>(球体介电常数)给出；地层介电常数在左侧给出；正演参数在左上角给出；其中，/>是正演雷达中心频率，取1500MHz；/>是收发距大小，取0.002m；/>是时窗大小，取6e-2s。
本发明采用局部相干分析阈值法，利用同相轴的出射角属性信息等，建立GPR多重衍射的局部相干阈值条件，再结合多源判据，完整地提取出GPR衍射场信息。其中，同相轴是指在采集剖面信号时剖面图像上各道的波形相位相同的极值（波峰/波谷）的连线，同相轴分析在地震勘探和GPR探测中均为公知术语，并有成熟的应用；出射角属性信息指、/>和；局部相干阈值条件指计算相似度权函数，并根据阈值提取衍射波的数据点；多源判据指构建的波前属性参数。
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上所述的探地雷达衍射属性场的提取方法。由于该存储介质包括如上述所述的形变场存储方法，因此该存储介质具备上述形变场存储方法的所有有益效果，在此不一一赘述。
此外，本发明还提供一种设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行如上所述的探地雷达衍射属性场的提取方法。由于该存储介质包括如上述所述的形变场存储方法，因此该存储介质具备上述形变场存储方法的所有有益效果，再此不一一赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种探地雷达衍射属性场的提取方法，其特征在于，所述探地雷达探地雷达衍射属性场的提取方法包括：
S1：通过雷达测量获得多个偏移距雷达数据；将多个偏移距雷达数据进行共反射元衍射叠加得到高信噪比的数据剖面，其中，数据剖面/>的横轴为位置/>，纵轴为衍射波旅行时/>；
S2：构建波前属性参数，具体是：
S2.1、构建中心点位置和零偏移距的单向旅行时/>；
S2.2、构建判据参数：衍射波慢度、衍射波的法向入射点波曲率半径/>、衍射波的法向波曲率半径/>；
S3：采用拆分搜索的方法获取三个参数的具体分布，具体是：
S3.1、基于S2中的波前属性参数构建适用于衍射场形式的原始时差方程；
S3.2、求取数据剖面上全部数据点相干度/>为最大值时的/>值分布和/>值分布；
S3.3、将、/>代入S3.1中的原始时差方程中求取相干度/>最大时的/>；
S4：构建衍射场形式的相似度权函数，并计算剖面/>上的全部数据点的相似度权函数获得相似度剖面，将/>的数据点均赋权值1，/>的数据点为反射波均赋权值0，得到全部为衍射波的数据点集，获得衍射波波前剖面；其中，/>为设定阈值；
S5：将获得的衍射波波前剖面结合S2中的波前属性参数得到衍射波场的完整信息。
2.如权利要求1所述的探地雷达衍射属性场的提取方法，其特征在于，所述S1中数据剖面的叠加方程为：
；
其中，是待叠加数据，/>是参与叠加的数据道数，/>为数据剖面/>上的数据点坐标，/>，/>是横向坐标增量，各数据点的/>由具体的时差方程给出。
3.如权利要求2所述的探地雷达衍射属性场的提取方法，其特征在于，所述S3.1中的原始时差方程公式为：
；
其中，为中心点距离，/>为半偏移距；
所述S3.2中的相关度的计算公式为：
；
其中，，/>为纵向坐标增量，/>，/>分别是参与数据剖面上某数据点相干度值计算的纵轴和横轴上的范围大小，/>。
4.如权利要求3所述的探地雷达衍射属性场的提取方法，其特征在于，所述S3.2包括：
S3.2.1、构建新参数和由/>计算得到的/>，具体表达式分别为：
；
；
其中，视作等效正常时差校正速度，/>是为方便时差方程形式变换而构建的中间变量，并无实际物理意义；
S3.2.2、构建用于搜索的时差方程一，具体表达式为：
；
S3.2.3、将时差方程一代入叠加方程进行叠加获得叠加后的数据剖面；
S3.2.4、计算数据剖面上全部数据点的/>和/>的相干度/>；
S3.2.5、将数据点的相干度/>与该数据点处的/>值的对应关系记作：，基于数据剖面/>求解最优化问题获得/>值分布，最优化问题记为：
；
其中，由时差方程一给出；
S3.2.6、根据求得的值分布，结合/>的表达式进一步求得/>值分布；
S3.2.7、构建时的时差方程二，具体表达式为：
；
S3.2.8、将时差方程二代入叠加方程进行叠加获得数据剖面；
S3.2.9、计算数据剖面上全部数据点的/>和/>的相干度/>；
S3.2.10、将数据点的相干度/>与该数据处的/>值的对应关系记作：，基于数据剖面/>求解最优化问题获得/>值分布，最优化问题记为：
；
其中，由时差方程一给出；
S3.2.11、根据上述步骤求得的值分布和/>值分布，结合S3.2.1中/>的表达式求得/>值分布。
5.如权利要求4所述的探地雷达衍射属性场的提取方法，其特征在于，所述S3.3包括：
S3.3.1、将S3.2中求得的值分布和/>值分布带入原始时差方程中进行叠加获得数据剖面/>；
S3.3.2、计算数据剖面上全部数据点的/>和/>的相干度/>；
S3.3.3、基于数据剖面求解最优化问题获得/>值分布，最优化问题记为：
；
其中，由原始时差方程给出。
6.如权利要求5所述的探地雷达衍射属性场的提取方法，其特征在于，所述S4中的相似度权函数的计算公式为：
；
其中，是自然底数。
7.如权利要求3至6任一项所述的探地雷达衍射属性场的提取方法，其特征在于，所述S2.2中的计算公式分别为：
；
；
；
所述S4中的取值范围为：/>。
8.如权利要求1至6任一项所述的探地雷达衍射属性场的提取方法，其特征在于，所述S1包括：
S1.1、先保持发射天线固定，偏移距不变，将接收天线分别按不同间距的偏移距沿测线移动，获得横轴为不同偏移距，纵轴为反射时间的多偏移距雷达剖面数据；
S1.2、移动一次发射天线并固定，继续将接收天线分别按不同间距的偏移距沿测线移动，获得另一个多偏移距雷达剖面数据；
S1.3、重复S1.2，获得多个偏移距雷达剖面数据；
S1.4、将多个偏移距雷达剖面数据进行叠加得到数据剖面A。
9.一种存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的探地雷达衍射属性场的提取方法。
10.一种设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行如权利要求1至8中任一项所述的探地雷达衍射属性场的提取方法。
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