全极化探地雷达H-α特征分解技术研究

发布时间：2018-01-19 23:13

本文关键词： 全极化探地雷达 H-α分解分类极化成像噪音杂波　出处：《吉林大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在很多科学探勘及工程应用领域中如果能够迅速准确的知道地下的结构将会对增加安全性和经济效益等方面有极大的帮助。例如在工程建筑方面,众所周知的“豆腐渣工程”就是使用一些劣质的材料或偷工减料所致,那么如果能够对材料的质量进行检测就会避免此现象进而提高工程质量。在考古方面,如果采用钻孔或到处挖掘的方法即缺乏效率又容易造成不必要的破坏。在农田灌溉排水方面,地下土壤排水不好将会导致农作物的产量降低,如果知道地下土壤的湿度分布及排水情况就可用作改善根据进而会提高农作物的产量等等。诸如此类的实际例子不胜枚举。目前常用地下结构探测的科学方式有基于重力变化、地磁场变化、电磁感应、导电系数分布、声波传播、钻孔及探地雷达(Ground Penetrating Radar)等。可是这些方法中有一些是破坏性的,有些设备操作复杂,效率低,需要经过特殊训练的专业人员才可以解释数据。只有探地雷达(GPR)是一种及方便的非破坏性的浅层地球物理探测技术。因此本论文主要是针对进一步改进GPR地下目标体辨识技术所做的研究发展。GPR是一种利用高频无线电波在地下传播及反射的物理现象来确定介质内部电磁波参数分布的探测技术。GPR是一种非破坏性的地下穿透探测方式,具有数据采集速度快、便于携带、容易操作、适应场地能力强、价格合理、抗干扰能力强和探测分辨率高等优点。近年来GPR已被广泛的应用在工程建筑、环境检测、考古研究、地质勘探、水文地质调查、基础地质调查、农地灌溉排水系统、地下坑道定位、地堑发现、矿产勘查以及地雷和未爆弹物探测、及星球探测等领域,并已广泛达到良好的成效。可是目前的GPR系统绝大多数为单极化系统,所以在对不同极化散射类型的目标体辨识仅仅依赖于观察在不同深度的二维散射剖面图。单极化系统只能得到单极化数据,这对于有些常见的重要线性地下目标体如管道、缆线和未爆炸物等无法有效的将其与其他类目标体进行迅速有效的分类。虽然全极化雷达及其相关的信号处理技术已经在微波遥感领域被广泛的应用。然而,全极化系统及其数据处理技术至今还很少被应用在地表探地雷达领域。全极化在地下目标体分类中应有很大益处,。因为不同地下目标体常有不同的散射极化特性,比如管道,缆线等会产生线性极化的散射;地层产生的散射无特殊极化方向;墙角和地堑产生的散射有不同于地层和管道的特殊偏极化特性。这些有不同极化特性的目标物可以通过全极化GPR进一步辨识。全极化探地雷达数据可以推导出目标体的散射矩阵,通过散射矩阵能够进一步提取目标体在每一个观测点上的极化属性然后又加以分类。虽然这种全极化目标体的分类能力应该能够提高GPR测量的准确性和有效性,但是这种全极化GPR系统和技术至今还没有被完全的应用与探讨,以至于全极化GPR系统及其信号处理技术还未被广泛的使用。本作者的主要研究贡献列举如下:(1)以实验方式证明了基于熵的全极化目标辨识方法(即H-分解方法)对GPR目标体辨识的有效性。虽然H-全极化目标辨识方法已经被应用在了遥感领域和井中雷达,可是还未被用于地表GPR中。为了证明H-全极化目标分类会有助于地下目标体的辨识,本作者选择了四种不同散射极化类型的目标体:金属球,金属平面板,金属二面体和具有多个线性分支的杂乱散射体。首先将这四种目标体埋在了实验室各向同性的干沙下面,用实验室中的自动化全极化数据收集系统分别得到了这四种目标体的全极化雷达数据。接着用在这种低杂波环境下得到目标体的全极化数据处理后验证了H-极化分解方法在地表GPR应用中的可行性,并且得到了良好的分类效果。(2)发展出适用于GPR高噪音高杂波情况下有效的改进H-全极化地下目标体目标辨识方法。原始用于遥感领域的H-目标辨识方法可以在理论上将不同类型的目标体例如球形对称目标体(地层),二面体(墙角、断层),线性目标体(管道、缆线和未爆炸物等)加以分类。但这只限于低噪音低杂波的情况,并不适用于全极化GPR数据中,这是因为复杂的地下介质成分及分布使得GPR数据中含有较多杂波,且其强度并不一定比信号弱很多。基于此限制,本作者经过对不同噪音、杂波强度对H-值影响的研究后,发展出了一套新的H-目标辨识图。此辨识图可适用于较广泛的噪音及杂波环境下将二面体目标体、线性目标体和球形对称目标体加以有效的分类。(3)推导出由单极化雷达系统得到全极化GPR数据的理论及方法。本论文及其他学者的研究已证实全极化目标辨识应该对地下目标体辨识会有极大帮助,尤其是线性目标体如管道、缆线和未爆炸物等仅仅用单极化数据很难将其进行分类。但是目前绝大多数GPR使用者使用的是单极化雷达,只能得到单极化数据,为了能帮助这些使用者能够用单极化系统进行全极化目标体辨识,本论文发展了一套新的用单极化雷达得到全极化数据的方法。(4)以实际测量的单极化和全极化GPR数据示范并验证了全极化辨识方法对不同地下目标体辨识的有效性。本论文将改进的H-目标体辨识方法应用到了未爆弹物(UXO)和农田排水管的全极化数据中,最终实现了将未爆弹物和农田排水管的分类,并且得到了良好的分类效果。本论文还利用单极化商业雷达(SensorSoftware)得到全极化数据的方法对排水管道进行了测量并且得到了排水管道的全极化数据,最终将此全极化数据应用到了改进的H-目标辨识方法中得到了较好的分类效果。
[Abstract]:GPR is a kind of non - destructive underground penetrating detection method . In order to prove that H - polarimetric target classification can improve the accuracy and effectiveness of GPR measurement , it is proved that H - polarimetric target classification can improve the accuracy and effectiveness of GPR measurement .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P631.3

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