[发明专利]基于单基地测量的地表介质参数反演方法

说明书

基于单基地测量的地表介质参数反演方法，涉及探地雷达。利用单天线垂直入射地面的测量结果对大地表层介质介电常数、电导率进行反演。本发明首先基于矢量网络分析仪测试获得单个喇叭天线垂直照射土壤表面(或金属板)的反射信号S₁₁，根据测试结果引入Matrix Pencil(矩阵束)算法，进行不同界面反射信号的辨识分离，估计提取出由土壤表面(或金属板表面)造成的真正的反射信号，从而得到土壤表面的真正的反射系数，利用该方法能有效将各个界面反射分量加以区分，滤除非土壤表面反射信号及其他噪声信号，使得估计精度得到提高，对快速准确获得土壤表层电磁参数具有重要的意义。

技术领域

本发明涉及探地雷达(GPR)，尤其是涉及一种基于单基地测量的地表介质参数反演方法。

背景技术

反演地表的介电参数是GPR(探地雷达)的重要应用之一，近二十多年来，地表参数的反演已发展为多波段、多极化、多角度地表数据的反演，地表介电常数和粗糙度的反演取得了显著的发展。目标的介电常数反映了介质的基本特性,是微波遥感所研究的的重要参数之一。它与物质的结构、组成、密度等因素有关。测量介电常数的方法主要有波导法、谐振腔法、空间波法、探针法等[1]。每种测量方法都有一定的适用范围和应用特点。其中波导法、谐振腔法等属于实验室测量方法,测量通常是在室中进行,要求具有相应的样品采集技术,由于环境改变(如密度、压力和湿度改变)和对样品的加工处理势必会造成测量与真实值之间的偏差。空间波法、探针法等属于实地测量方法,探针法测量实验相对稳定,但是只能代表局部特征。自由空间法测量不需要采集样品,可以直接进行测量。与其他测量方法相比,自由空间法对测试样品没有严格的形状和工艺要求,只需被测样品的厚度均匀,且具有一定大的面积以避免边沿绕射,可以在较宽的频率范围内进行扫频测量。

利用自由空间法对样品的电磁参数进行测量的误差主要由系统误差与人为误差造成。自由空间法属于开放式测量，因此测量过程中会有很多因素影响测量结果，其主要系统误差有：

1.喇叭天线远场处的平面波近似导致的误差；

2.当电磁波照射到样品时由样品边缘产生的多次绕射及散射效应引起的误差；

3.喇叭天线与被测样品之间的电磁波多次反射带来的误差；

4.被测样品位置参考面的选择带来的误差。

在现有的GPR信号参数反演中，面临的主要困难是难以排除多径效应和收发信号间的直接耦合对实验精度的影响。在非理想暗室环境中天线测试时，暗室的侧壁与后墙、设备支架等造成的多径效应成为影响测量精度的主要原因。若受到客观条件限制无法在暗室中进行，在外场更是极易受到背景噪声电磁波干扰，从而很大程度上影响实验精度[2]，这也影响探地雷达在实际中的运用，Greg Hislop提出了一种方法反演大地介电常数的方法，通过建立介电常数与频率的数学关系模型，在不需了解天线或测试系统的情况，准确反演出大地电磁参数[3]。

为了有效减少多径干扰，国内外均采用两种方法：逆傅里叶变换法和矩阵束法[4][5]。由于信道频率响应的测量广泛用于多路径传播渠道的脉冲响应或时间响应，因而在时间域中，通过测量多径效应，可以用来估测暗室的脉冲响应。逆傅里叶变换的应用可以解决上述问题。然而，逆傅里叶变换只是单方面从时间域或频率域处理测试数据，并不能全面地描述信号的特征。矩阵束方法对于解决多径干扰具有较好的效果。通过将接收器接收到处于不同频率和不同方位角的波，等效成不同的指数函数，矩阵束法更方便的找出直接由发射器传送到接收器的波。

针对抗噪声能力和估计精度的进一步要求,矩阵束方法(Matrix Pencil Method)被广泛研究[6][7]。其基本思想是根据数据构造两个特殊的Hankel数据矩阵,根据数据矩阵间的关系求解它们的广义特征值,广义特征值包含了所要求解的信息(信号的极点),因此,求解衰减指数信号极点问题转化为求解矩阵束的广义特征值问题。在求解广义特征值过程中,为抑制噪声干扰,引入SVD分解和矩阵的低秩近似等方法,使算法具有好的鲁棒性。