[发明专利]基于探地雷达的土壤分层信息识别方法和装置

权利要求书

1.一种基于探地雷达的土壤分层信息识别方法，其特征在于，所述方法包括：

在作业区进行探地雷达回波信号采集；

对获得的探地雷达回波信号进行预处理，得到目标回波信号r(t)；

使用卡尔曼滤波对目标回波信号r(t)进行重构，计算所述重构后目标回波信号r_p(t)对应的解析信号R(t)的维格纳-威利分布WVD(t，ω)，计算瞬时频率ω(t)；对ω(t)作积分，得到瞬时相位识别相位跳变，确定土壤分界面的时域位置，计算第i层电磁波双程时延Δτ_i；

构建CNN神经网络，并利用已知作业区的样本数据进行CNN网络调参、训练；对所述目标回波信号r(t)进行小波变换，得到第i层特征量T_i；利用土壤水分传感器读取第i层土壤含水量S_i；将T_i、S_i输入训练好的CNN模型，得到第i层土壤介电常数ε_i；基于第i层土壤介电常数ε_i，得到电磁波在第i层中的传播速度v_i；

基于所确定的土壤分界面的时域位置和电磁波在第i层中的传播速度v_i，确定土壤第i层厚度Δh_i，实现对土壤分层信息的识别。

2.根据权利要求1所述的基于探地雷达的土壤分层信息识别方法，其特征在于，所述预处理包括：增益处理、滤波处理与降噪处理，所述滤波处理包括：通过均值法去除背景的影响；通过带通滤波去除外界射频信号的干扰；以及通过中值法去除来自地面反射的直达波。

3.根据权利要求1所述的基于探地雷达的土壤分层信息识别方法，其特征在于，所述解析信号R(t)、解析信号R(t)的维格纳-威利分布WVD(t，ω)、瞬时频率ω(t)、瞬时相位第i层对应的电磁波双程时延Δτ_i的计算过程如下：

对所述重构后目标回波信号r_p(t)作希尔伯特变换：

计算重构后目标回波信号r_p(t)对应的解析信号R(t)：

计算解析信号R(t)的维格纳-威利分布WVD(t，ω)：

其中，为解析信号R(t)的自相关函数，t表示时间，τ表示时间延迟，则重构后目标回波信号的瞬时频率ω(t)：

对瞬时频率ω(t)作积分，得到瞬时相位

分析重构后目标回波信号瞬时相位谱，识别瞬时相位跳变，得到第i层对应的电磁波双程时延Δτ_i。

4.根据权利要求1所述的基于探地雷达的土壤分层信息识别方法，其特征在于，所述方法还包括：构建和训练CNN模型，所述构建和训练CNN模型包括：

获取已知作业区探地雷达回波信号，并对所述探地雷达回波信号进行预处理，得到样本探地雷达回波信号r(t)；获取土壤剖面数据；获取第i层土壤的介电常数ε_i；获取土壤水分信息，得到第i层土壤含水量S_i；

对样本探地雷达回波信号r(t)进行小波变换，得到土壤第i层特征量T_i；

构建卷积神经网络CNN模型；

将所述特征量T_i、所述土壤含水量S_i以及所述土壤介电常数ε_i输入卷积神经网络CNN模型，优化模型参数，得到训练好的卷积神经网络CNN模型。