基于包络检波和STFT谱分析的探地雷达土壤分层信息识别

发布时间：2022-01-24 22:45

　　土壤分层信息,特别是表土层结构,对土地生产力具有重要影响,是评价土壤质量的一个重要指标。为了快速、准确地获取土壤分层信息,本文利用探地雷达对分层土壤进行了回波信号采集,并分别在时域和频域分析土壤层位置和层厚信息。首先在信号预处理的基础上,借助包络检波方法确定在土壤分层界面在时域上的位置;然后获取电磁波速度,得到土壤分层厚度。考虑到土壤介电常数与电磁波在土壤中传播速度的相关性,采用短时傅里叶变换方法（Short-time Fourier Transform,STFT）获取各土壤层时频域特征值,并利用回归分析建立特征值与介电常数之间的数学关系,实现对各土壤层的介电常数估算,从而计算出电磁波传播速度,进而确定土壤各层厚度。为验证算法的有效性,分别对理想模拟实验环境和农田环境进行了探地雷达实验,结果表明利用包络检波对探地雷达回波信息进行分析,土壤层检出率达到94.5%,借助STFT谱分析进行探地雷达回波速度估计,对于70 cm深度以上土层厚度计算误差大都保持在10%以下,但随着土壤深度的增加,误差变大。总体来说,本方法能有效识别浅层土壤的分层信息,可应用于实际生产中耕层厚度的估测。 

【文章来源】：地球信息科学学报. 2020,22(02)北大核心CSCD

【文章页数】：12 页

【部分图文】：

北京通州实验站模拟环境搭建及测线分布

由于电磁波在土壤介质中传播将发生衰减，并且由于地面坡度、粗糙度等几何特性的不均一性，以及地表植被散射影响，接收机接收到的回波信号往往具有复杂的散射过程[15]，包含各种各样的杂波干扰，使得土层识别十分困难，故首先对雷达回波信号进行增益处理来弥补信号在传播过程中的能量损失，并进行滤波与降噪处理以降低噪声，从而提高回波信号信噪比。本文所涉及的滤波处理过程主要包括：通过均值法进行去除背景的影响；通过带通滤波去除外界射频信号的干扰；通过中值法去除来自地面反射的直达波。然后，分别在时域和频域对回波信号进行处理以获取时域分层信息和估计各层电磁波传播速度：(1)采用包络检波的方法进行土层分界面的时域确定，进而确定土层分界面对应传播时间信息；(2)采用短时傅里叶变换对信号进行时频域分析，计算基于时域分层的各土壤层的频域振幅峰值加权值，利用建立的频域振幅峰值加权值与土壤介电常数的线性回归关系计算各层的土壤介电常数，从而确定电磁波在各土层的传播速度，最后结合土层界面时间信息确定各土层厚度信息。图3 基于包络检波和STFT谱分析的探地雷达土壤分层信息识别方法流程

基于包络检波和STFT谱分析的探地雷达土壤分层信息识别方法流程

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3607433