本發(fā)明屬于探地雷達(dá)領(lǐng)域，具體涉及層狀介質(zhì)介電系數(shù)反演方法。

背景技術(shù)：

1、探地雷達(dá)(ground?penetrating?radar,gpr)技術(shù)主要通過向地面發(fā)射電磁波，電磁波經(jīng)過不同介質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)存在散射、折射等特性，根據(jù)接收到的回波信號(hào)信息，可以反演出地下介質(zhì)的參數(shù)。介質(zhì)的介電系數(shù)等參數(shù)對(duì)地下物質(zhì)及其結(jié)構(gòu)的探測(cè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，通過介電系數(shù)層析反演，可以獲取各層介質(zhì)的參數(shù)信息，最終重建出地下介質(zhì)的真實(shí)構(gòu)造。這種技術(shù)有助于高效地檢測(cè)隱藏的道路疾病，并提供了關(guān)于道路結(jié)構(gòu)容量及其剩余使用壽命的有價(jià)值的信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁、大壩、建筑以及道路等內(nèi)部層狀及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)等工程。

2、為了獲得地下介質(zhì)中目標(biāo)的更準(zhǔn)確特征信息，傳統(tǒng)的探地雷達(dá)技術(shù)常采用的方法有全波形反演方法、平行射線補(bǔ)償法、共偏移gpr反射數(shù)據(jù)遷移速度分析等方法。但以上方法，大多是基于單發(fā)單收雷達(dá)模式，單通道模式實(shí)施簡(jiǎn)單，更易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性處理，但分辨率相對(duì)多通道較低，抗干擾能力差。而在單發(fā)多收(simo)模式下，多個(gè)通道同時(shí)接收同一目標(biāo)的回波信號(hào)，增強(qiáng)了角度信息，提高了分辨率，使得系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的定位更為準(zhǔn)確。

3、因此，該發(fā)明提出了一種基于陣列-探地雷達(dá)的單發(fā)多收雙基體制的介電系數(shù)層析反演方法，首先對(duì)單層介質(zhì)的介電系數(shù)進(jìn)行反演，并以此結(jié)果為先驗(yàn)信息逐層反演多層介質(zhì)的介電系數(shù)。對(duì)陣元接收的b-scan回波信號(hào)進(jìn)行距離徙動(dòng)校正和近場(chǎng)波束形成，基于目標(biāo)能量最大進(jìn)行自聚焦實(shí)現(xiàn)介電系數(shù)的反演。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供了一種simo探地雷達(dá)介電系數(shù)高精度層析反演方法，采用simo單發(fā)多收模式實(shí)現(xiàn)介電系數(shù)的反演。與現(xiàn)有算法相比，該算法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是改進(jìn)了mast算法，提高折射點(diǎn)估計(jì)精度，保證了反演的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；二是將近場(chǎng)波束形成引入自聚焦技術(shù)，通過二維自聚焦實(shí)現(xiàn)了介電系數(shù)的反演。

2、為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種simo探地雷達(dá)介電系數(shù)高精度層析反演方法，該方法包括如下步驟：

4、步驟一、基于simo探地雷達(dá)向地面發(fā)射信號(hào)，由simo探地雷達(dá)接收地面中由上及下各介質(zhì)層的目標(biāo)信號(hào)，設(shè)介質(zhì)層數(shù)為a并初始化a＝1；

5、步驟二、采用合成孔徑雷達(dá)sar成像中的自聚焦方法，并將距離徙動(dòng)校正和近場(chǎng)波束形成與自聚焦方法相結(jié)合，對(duì)步驟一中接收的第a介質(zhì)層的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行反演，獲得第a介質(zhì)層的介電系數(shù)；

6、步驟三、判斷a是否等于地面中介質(zhì)層的總數(shù)a，則即獲得地面中各介質(zhì)層的介電系數(shù)，否則進(jìn)入步驟四；

7、步驟四、以獲得的第a介質(zhì)層的介電系數(shù)為先驗(yàn)信息，采用近似迭代法估計(jì)第a+1介質(zhì)層的折射點(diǎn)信息，進(jìn)入步驟五；

8、步驟五、根據(jù)所獲得的第a+1介質(zhì)層的折射點(diǎn)信息，基于近場(chǎng)波束形成的自聚焦方法，反演得到第a+1介質(zhì)層的介電系數(shù)，并以a+1的值針對(duì)a進(jìn)行更新，返回步驟三。

9、進(jìn)一步，步驟一中，simo探地雷達(dá)接收的地面中各介質(zhì)層的目標(biāo)信號(hào)具體為：

10、simo探地雷達(dá)為單發(fā)射多接收系統(tǒng)，由雷達(dá)發(fā)射高斯脈沖信號(hào)，多個(gè)陣元同時(shí)接收信號(hào)，即發(fā)射-接收雙基模式；單周期高斯脈沖發(fā)射信號(hào)g(t)如下：

11、

12、表示隨時(shí)間變化高斯脈沖發(fā)射信號(hào)幅值的變化，其中，t表示時(shí)間，σ是高斯脈沖的標(biāo)準(zhǔn)差,f0為雷達(dá)工作中心頻率，j為復(fù)數(shù)中的虛數(shù)單位；t0a為發(fā)射信號(hào)從發(fā)射端發(fā)出到第a層介質(zhì)的傳輸時(shí)間，則simo模式下，各陣元接收的目標(biāo)信號(hào)為：

13、

14、其中，t＝[t1,t2,…tl]t，l為距離向即目標(biāo)信號(hào)傳播方向的信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)，t1，t2，…tl為相應(yīng)的采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間，m為陣元總數(shù)，目標(biāo)信號(hào)矩陣g為l×m的b-scan回波信號(hào)矩陣；i＝1,2,…m，為目標(biāo)信號(hào)傳播到第i個(gè)陣元過程中在第a介質(zhì)層的折射距離，則τia為第a介質(zhì)層的目標(biāo)信號(hào)傳播到第i個(gè)陣元處的傳輸時(shí)間；sia為第i個(gè)陣元接收的第a介質(zhì)層的目標(biāo)信號(hào)的幅度，εa為各介質(zhì)層的已知實(shí)際介電系數(shù)，c為3×108m/s，λ為發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)。

15、具體地，simo探地雷達(dá)接收的地面第一介質(zhì)層的目標(biāo)信號(hào)為：

16、

17、進(jìn)一步，步驟二中，對(duì)步驟一中接收的第a介質(zhì)層的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行反演，獲得第a介質(zhì)層的介電系數(shù)，a＝1時(shí)，其具體反演過程為：

18、為高精度反演介電系數(shù)，引入合成孔徑雷達(dá)(sar)成像中的自聚焦技術(shù)，將距離徙動(dòng)校正和近場(chǎng)波束形成與自聚焦技術(shù)相結(jié)合，由于單層介質(zhì)不存在折射點(diǎn)問題，可直接進(jìn)行二維自聚焦迭代搜索。

19、由于各陣元接收目標(biāo)信號(hào)的時(shí)延不同，從而產(chǎn)生距離徙動(dòng)。在單次迭代中，采用第一介質(zhì)層的介電系數(shù)估計(jì)值對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行距離徙動(dòng)校正，其中l(wèi)表示迭代次數(shù)；先將接收的目標(biāo)信號(hào)矩陣g沿距離向經(jīng)傅里葉變換轉(zhuǎn)換為距離頻域g'，即g'＝fft_距離(g)，則l個(gè)采樣點(diǎn)經(jīng)傅里葉變換后獲得l個(gè)頻點(diǎn)，第一介質(zhì)層中第g個(gè)頻點(diǎn)處使m個(gè)陣元距離包絡(luò)對(duì)齊所需的陣元距離徙動(dòng)補(bǔ)償項(xiàng)為：

20、

21、其中g(shù)∈[1,l]，fg為第g個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率；

22、對(duì)各頻點(diǎn)進(jìn)行距離徙動(dòng)校正，即

23、

24、g'cl為進(jìn)行距離徙動(dòng)校正后的二維信號(hào)，等式右側(cè)矩陣為l個(gè)頻點(diǎn)的距離徙動(dòng)補(bǔ)償矩陣，f1，f2，…fl為相應(yīng)的頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率；與此同時(shí)陣元接收近場(chǎng)信號(hào)在陣元向上存在近場(chǎng)導(dǎo)引矢量，以中心陣元h為參考陣元，由步驟一可知目標(biāo)信號(hào)的陣元近場(chǎng)導(dǎo)引矢量項(xiàng)為：

25、

26、近場(chǎng)波束形成先將g'cl信號(hào)沿距離向逆傅里葉變換轉(zhuǎn)換為距離時(shí)域，再對(duì)每個(gè)陣元進(jìn)行相位補(bǔ)償，補(bǔ)償后沿陣元向做頻域變換轉(zhuǎn)換到波束域聚焦成像，即

27、

28、g'bl為經(jīng)近場(chǎng)波束相位補(bǔ)償后的信號(hào)，其圖像在波束域內(nèi)聚焦在中心頻率處；對(duì)區(qū)間內(nèi)的介電系數(shù)進(jìn)行迭代搜索，即實(shí)現(xiàn)距離徙動(dòng)校正和近場(chǎng)波束形成的聚焦過程；在自聚焦過程中采用基于目標(biāo)能量最大實(shí)現(xiàn)反演，即：

29、

30、對(duì)于多層介質(zhì)，取決于折射點(diǎn)估計(jì)精度，精度越高，獲得的聚焦目標(biāo)能量越大；其中，表示第l次迭代時(shí)第一介質(zhì)層介電系數(shù)估計(jì)值下坐標(biāo)為(m，n)處矩陣g'bl幅值的絕對(duì)值，當(dāng)目標(biāo)介質(zhì)近場(chǎng)波束形成能量最大時(shí)，迭代結(jié)束，即可得到第一介質(zhì)層介電系數(shù)的反演結(jié)果，即：

31、

32、將該結(jié)果作為逐層反演的先驗(yàn)信息，可實(shí)現(xiàn)多層介質(zhì)的層析反演。

33、進(jìn)一步，判斷a是否等于地面中介質(zhì)層的總數(shù)a，若a等于地面中介質(zhì)層的總數(shù)a，則已獲得地面中各介質(zhì)層的介電系數(shù)，否則進(jìn)入步驟四；

34、進(jìn)一步，步驟四中，根據(jù)步驟二中得到的第a介質(zhì)層的介電系數(shù)，采用近似迭代法估計(jì)第a+1介質(zhì)層的折射點(diǎn)信息，具體過程為：

35、根據(jù)步驟二中得到的第a介質(zhì)層的介電系數(shù)設(shè)第l次迭代時(shí)由mast算法得到的第i個(gè)陣元接收的目標(biāo)信號(hào)的折射點(diǎn)坐標(biāo)為xli；為提高折射點(diǎn)估計(jì)精度，采用近似迭代法，在xli處建立迭代方程，即：

36、xli+1＝xli-f(xli)/f'(xli)

37、其中xli+1為下一次迭代結(jié)果，通過迭代可逐漸逼近xli的估計(jì)值xli'。

38、進(jìn)一步，步驟五中，根據(jù)步驟四得到的第a+1介質(zhì)層的折射點(diǎn)信息，基于近場(chǎng)波束形成的自聚焦方法，反演得到第a+1介質(zhì)層的介電系數(shù)，具體過程為：

39、由步驟二可得，第l次迭代時(shí)第a+1介質(zhì)層在頻率fg處陣元距離徙動(dòng)補(bǔ)償項(xiàng)為：

40、

41、為第l次迭代下，根據(jù)折射點(diǎn)信息求得的目標(biāo)信號(hào)傳播到第i個(gè)陣元的過程中在第a介質(zhì)層的折射距離，為第l次迭代時(shí)第a+1介質(zhì)層的介電系數(shù)估計(jì)值,t0(a+1)為發(fā)射信號(hào)從發(fā)射端發(fā)出到第a+1介質(zhì)層的傳輸時(shí)間；同時(shí)，各陣元近場(chǎng)導(dǎo)引矢量項(xiàng)為：

42、

43、采用自聚焦方法對(duì)近場(chǎng)波束形成的目標(biāo)能量進(jìn)行判斷，當(dāng)目標(biāo)能量達(dá)到最大時(shí)，迭代停止，即得到第a+1介質(zhì)層的介電系數(shù)反演結(jié)果；獲得第a+1介質(zhì)層的介電系數(shù)后，以a+1的值針對(duì)a進(jìn)行更新，返回步驟三，如此循環(huán)，直到獲得各介質(zhì)層的介電系數(shù)。

44、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：一方面改進(jìn)了mast算法，提高了折射點(diǎn)估計(jì)精度，保證了反演的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；另一方面將近場(chǎng)波束形成引入自聚焦技術(shù)，通過二維自聚焦實(shí)現(xiàn)了高精度的介電系數(shù)反演，有利于工程實(shí)現(xiàn)。