基于多偏移距探地雷达数据的包络-波形反演.docx资源-CSDN文库

版权申诉

160 浏览量 2023-02-23 20:07:46 上传评论 2 收藏 880KB DOCX 举报

资源推荐

资源详情

资源评论

1. 引言

探地雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)是一种用于研究浅地表电磁特性的无损检测

技术，主要基于电磁波传播原理，通过激发并记录高频电磁波(20～1000 MHz)在地下介质

中(地下障碍物或不连续地质体)的反射、绕射等传播特性来探测电性结构分布。目前被广

泛应用于土木工程场地勘查

[1]

、地雷探测

[2]

、环境与水文地质研究

[3,4]

、农业评估

[5,6]

、考古

调查

[7,8]

、极地考察

[9]

以及航空航天

[10,11]

等前沿工程与科学研究领域。

探地雷达的分辨率和探测深度极易受到脉冲源频率和地下电导率分布的限制，其中，

高频电磁脉冲具有较高的分辨率，但其在地下介质中的衰减更快，因此穿透深度较小。根

据测量方式的差异，探地雷达可进一步被划分为共偏移距和多偏移距两种类型。相较于共

偏移距的测量方式，多偏移距测量可以灵活调整发射和接收天线之间的距离，捕获到的绕

射波信息较为可靠，有助于实现精确的速度分析以及对地下电性参数的定量估计。因此开

展基于多偏移距探地雷达数据的研究是十分必要的。

目前，探地雷达数据的解释工作已经从单纯推断目标体空间位置、形态、尺寸以及层

界面等信息，上升到对介质电性参数(介电常数、电导率)的反演估计和对近地表结构的精

细刻画。现行的反演方法主要可分为基于射线理论的层析成像方法和基于全波场理论的全

波形反演方法。其中，全波形反演(Full-Waveform Inversion, FWI)最初起源于时域地震成

像，后被推广到频率域，其同时兼顾了波场的运动学和动力学特征(振幅和相位)，是一种

高分辨率、高精度的成像方法。全波形反演已在地震勘探领域获得广泛应用，但由于地面

雷达测量方式对地下介质的照明能力有限，基于地面雷达数据的全波形反演具有挑战性。

Lavoué 等人

[12]

采用拟牛顿算法针对多偏移距地面雷达数据开展频率域 FWI，同时重构了介

电常数和电导率的 2 维分布。Feng 等人

[13,14]

将井间地震 FWI 和 GPR FWI 集成到一个联合

程序中，用于对不同地球物理参数(P 波速度、介电常数和电导率)模型的定量成像；Feng

等人

[15]

将多尺度反演策略和吉洪诺夫正则化(Tikhonov regularization, TV)约束方法结合应用

于时域 GPR FWI 过程，实现了介电常数和电导率的同步反演；王珣等人

[16]

在时间域采用

改进的全变差正则化策略，开展了 GPR 双参数多尺度同步反演研究；Huai 等人

[17]

在时间

域提出了一种基于模型的层剥离 FWI，有效增强了模型深部的重构质量和反演分辨率。

然而，当利用梯度类最优化算法求解基于 Born 近似框架下的全波形反演问题时，一

个严重偏离正解的初始模型会在波形匹配过程中产生“周波跳跃”问题，使得目标函数倾向

陷入到局部极值

[18]

。因此，全波形反演高度依赖精确的初始模型来确保反演过程的正确收

敛。低频成分对于恢复长波背景速度结构进而构建大尺度初始模型至关重要，但是实际采

集的数据中所携带的低频信息十分有限，这就使得研究低频缺失情况下的全波形反演方法

显得尤为重要。最初在地震勘探领域提出并发展起来的包络反演是用于重构低频成分比较

知名的一类方法。Bozdağ 等人

[19]

最早构建了基于瞬时相位和包络的全波形反演目标函数，

该种方法旨在利用 Hilbert 变换来实现波形相位和振幅信息的有效分离，从而降低了反问题

的非线性程度。Chi 等人

[20,21]

和 Wu 等人

[22]

构建了基于包络残差的全波形反演目标函数，

并利用伴随状态法求取了梯度算子，利用包络反演成功重建了地下介质的大尺度背景信

息。Wu 等人

[23]

提出了调制-褶积信号模型并在研究中赋予了包络数据以明确的物理意义。

刘新彤等人

[24]

研究了低频缺失下基于包络目标函数的全波形反演，在有效还原低频信息的

同时提供了对地下介质的定量解释，然而这一研究仅针对跨孔雷达的观测模式。与跨孔雷

达相比，地面雷达对地下介质的照明角度有限，这本身就增加了反问题的非线性和不确定

性；当地面雷达缺失低频成分的情况下，也会极大地制约全波形反演的稳定性和精确度。

因此，研究基于地面雷达数据的包络全波形反演具有重要意义。

此外，引用分频处理的多尺度反演策略也有利于缓解全波形反演的“周波跳跃”问题，

提高反演的稳定性。频率多尺度方法可按低频到高频依次反演多个离散频率或频率组，其

中，利用低频记录对局部极值的不敏感特性来重建平滑的大尺度背景结构，随后再利用高

频记录刻画局部精细结构

[25]

。Boonyasiriwat 等人

[26]

最初在地震勘探领域通过选择最优频带

和维纳滤波来实现更高效的时间域多尺度全波形反演；随后，这一策略被成功借鉴到探地

雷达的全波形反演中。Meles 等人

[27]

通过在模型更新过程中由低到高逐渐增加频率成分来

扩展数据的频率带宽，从而实现了对跨孔-井地数据的时-频域联合反演。Lavoué 等人

[12]

开

展了与频率采样有关的多参数全波形反演研究，通过数值实验证实了宽频带数据的同时反

演可以有效增强双参数同步重建质量。Li 等人

[28]

提出了一种基于跨孔雷达数据的 Laplace

域波形反演，并提出了频率跳跃的多尺度波形反演策略，实现了反演过程的快速收敛。

本文在现有的探地雷达时间域全波形反演框架下，回顾了地震勘探中信号包络提取和

常规包络反演方法的基本原理与实施流程，并将其成功推广到探地雷达领域，提出了基于

地面多偏移距雷达数据的包络-波形反演方法，实现了对地下介电常数模型的有效重构。采

用 3 层结构介电常数模型仿真模拟了数据低频信息缺失的情况，验证了包络-波形反演在增

强数据所携带的大尺度构造信息方面的能力与优势，有效克服了常规全波形反演在缺失低

频信息时无法正常工作的缺陷。此外，在所构建的包络-波形反演框架下，又有针对性地加

入了频率多尺度策略，在重建大尺度宏观背景构造的基础上，也有利于实现对小尺度结构

的精细刻画。本文还进行了抗噪性测试并验证了包络-波形反演在噪声条件下仍具有较强的

反演能力。

2. 包络-波形反演

2.1 探地雷达信号包络提取

一个解析信号[Math Processing Error]y~(t)是由一个实信号[Math Processing Error]y(t)

和该实信号所对应的希尔伯特变换[Math Processing Error]yH(t)组成的

[Math Processing Error]y~(t)=y(t)+jyH(t)

(1)

其中，[Math Processing Error]yH(t)可以表示为

剩余13页未读，继续阅读

评论收藏

内容反馈

版权申诉

罗伯特之技术屋

粉丝: 3651
资源: 1万+

基于多偏移距探地雷达数据的包络-波形反演.docx

基于GPU加速的包络波形反演.pdf

数据包络分析法DEA概述.docx

Matlab学习系列31数据包络分析法.docx

2ASK非相干解调器(包络检波法)设计.docx

【哈理工电信】MATLAB在音乐合成中的应用--包络Matlab.docx

Matlab香浓能量提取心音包络-shannon.m

基于AMDSBTC信号包络检测器的音乐接收及AM的理论与仿真.docx

区块链与网络借贷平台运营效率——基于DEA数据包络模型的实证分析.docx

数据包络分析(DEA)方法.docx

数据包络分析(讲稿1).docx

odelj数据包络分析(dea)方法.docx

基于数据包络分析的公交线路接驳效用评价方法.docx

基于椭圆包络线算法的探地雷达成像.docx

Matlab 数据包络分析工具箱.zip

ITU-R S.1428-1建议书

基于数据包络分析的配电网投资决策研究与应用.docx

论文研究-基于偏序集理论的数据包络分析方法研究.pdf

数据包络分析方法与MAXDEA软件-数据表格.doc

基于数据包络分析的配电网投资决策研究与应用_1.docx

相关实用应用程序（Windows可用）

免费可用的ChatGPT网页版.zip

ChatGPT使用总结：150个ChatGPT提示词模板（完整版）

chromedriver-win64.zip

全国计算机二级WPSoffice精选350道选择题题库（含答案）.pdf

农村公交与异构无人机协同配送优化

李飞飞自传 我看见的世界 The World I see

哈尔滨工业大学-ChatGPT调研报告-2023.3.6-94页.pdf

4个亲测好用的ChatGPT4渠道

基于小波与卷积神经网络的多尺度时间序列分类.zip

最新资源

李飞飞自传我看见的世界 The World I see