[发明专利]一种基于匹配滤波的探地雷达全波形反演方法

说明书

本发明涉及一种对探地雷达全波形反演技术的改进，具体为一种基于匹配滤波的探地雷达全波形反演方法,包括如下步骤：步骤一：建立探地雷达全波形反演的真实模型；步骤二：基于真实模型进行正演运算并抽取道集，获得观测雷达数据，该数据相当于实际工程中采集到的雷达数据；步骤三：建立探地雷达全波形反演的初始模型并设定反演终止精度；步骤四：基于初始模型进行正演运算并抽取道集，获得理论雷达数据；通过合理设置滤波算子并对理论雷达数据进行改造，降低了理论数据与实际采集数据之间的差异，从而降低了周期跳跃现象发生的可能性，使反演不易陷入局部极小点，进而保障探地雷达全波形反演的稳定性和精度。

技术领域

本发明涉及一种对探地雷达全波形反演技术的改进，具体为一种基于匹配滤波的探地雷达全波形反演方法。

背景技术

探地雷达是一种高效且具有较高分辨率的无损检测手段，可应用于隧道质量检测、路面密实度检测、混凝土构件非破坏性检测、地基夯实与加固检测、地灾评估和土壤地质信息评定等许多方面。探地雷达利用反射系数确定被检测体的结构及缺陷，但由于电磁波的传播过程极其复杂，人类活动对成像结果也有很大干扰，因此获得的地质雷达剖面往往不够准确，解释起来也与被检测体的真实结构存在差异，因此对雷达数据进行优化处理以期进行合理解释迫在眉睫。

得益于地震全波形反演的发展以及麦克斯韦方程组在解释形式上与声波方程的相似性，雷达数据可借鉴地震数据的处理方法，利用全波形反演进行数据的优化。Ernst(2006)实现了时间域探地雷达全波形反演，并对亚波长异常体进行了精准定位；Meles(2010)利用钻孔雷达全波形反演获得了河边较清晰的地下地层结构；胡周文(2018) 利用全波形反演对混凝土进行了无损检测，冯德山(2018)等利用 GPU并行实现了雷达数据的双参数反演，可见雷达数据的全波形反演是可行的。

尽管全波形反演可以较好的提高探地雷达的分辨率，但反演本身也有一定的局限性。全波形反演使用局部优化算法进行模型优化，其弊端是当反演的初始模型精度不足时，全波形反演会由于初始波形和理论波形间较大的差异而陷入局部极小点，从而导致反演失败，因此利用全波形反演进行雷达数据成像时必须要考虑的一个重要问题就是如何阻止反演陷入局部极小，进而保障反演的稳定性。

探地雷达全波形反演技术经过二十几年的发展，目前已取得了长足的进步，但由于算法本身的缺陷，该方法在应用时仍存在许多问题，其中的一个问题便是周期跳跃。周期跳跃是由于理论波形和实际波形之间差异较大造成的，而周期跳跃一旦发生便会导致反演陷入局部极小点，进而导致探地雷达全波形反演无法收敛。因此，要想充分发挥全波形反演高精度的优势，使雷达数据反演剖面上各点正确归位，就必须克服周期跳跃现象，确保反演结果正确收敛于全局极小点。

发明内容

为了解决这一问题，本发明提出一种能够提高雷达数据反演剖面的分辨率和雷达数据的数据解释可靠性的基于匹配滤波的探地雷达全波形反演方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于匹配滤波的探地雷达全波形反演方法，包括如下步骤：

步骤一：建立探地雷达全波形反演的真实模型；

步骤二：基于真实模型进行正演运算并抽取道集，获得观测雷达数据，该数据相当于实际工程中采集到的雷达数据；

步骤三：建立探地雷达全波形反演的初始模型并设定反演终止精度；

步骤四：基于初始模型进行正演运算并抽取道集，获得理论雷达数据；

步骤五：构建改造雷达波形的滤波算子；

步骤六：利用滤波算子对理论雷达数据进行改造；

步骤七：构建目标函数；

步骤八：分别求取介电常数和电导率的梯度；

步骤九：确定步长并更新模型；