本发明涉及工程物探及地质勘察领域，尤其涉及一种地质雷达回波信号物性解构与探测目标数字重构智能化识取方法。
背景技术：
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随着城市现代化建设的快速发展，大规模的高层建筑、超深的地下基础和错综复杂的轨道交通等基础设施建设日益增多，地质勘探任务及面临的地质难题也日趋增加和突出，原有传统地质勘察技术与方法在很多情况下则略显“束手无策”。而具有快速、无损、高效等特点的地质雷达已成为目前工程地质勘察领域被广泛应用的有效技术手段，但是电磁波在地下的传播过程十分复杂且衰减严重，深部地层或微小地质体反射信号往往很弱，各种噪声和杂波的干扰信号却很强，导致深部微弱的有用反射信息在强干扰背景下被进一步弱化甚至掩埋，或在数据处理过程中为降低噪声提高信噪比而过度处理使得回波信号损失，进而无法提取地下深部微小目标体的有用信息以满足地质雷达大深度探查和高分辨率解释的需要。
如何在强干扰背景中提取有效的弱反射回波信号是地质雷达技术遇到的“瓶颈”和突出难题，正确从雷达回波记录中识别各种杂波与噪声以提取有用弱反射信息是地质雷达数据处理和解释的重要环节，也是关键所在。
技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题是，提供一种可以从本质上提高地质雷达探测深度和解释的准确性，降低因资料解译人员差异或经验不足等制约因素对地质雷达结果判读的不确定性，并在一定程度上解决地质雷达探查地下异常解译的多解性，实现对目标体重构和异常体特征智能化识别的地质雷达回波信号物性解构与探测目标数字重构智能化识取方法。
本发明的具体技术解决方案是，提供一种地质雷达回波信号物性解构与探测目标数字重构智能化识取方法，该方法包括以下步骤：
步骤1.地质雷达信号采集及数据预处理；
步骤2.基于傅里叶变换的谱分析对被测目标体的地质雷达回波信号中包含的不同介质物性进行解构识取；
步骤3.基于频谱能量分析法数字化不同目标体在被测目标介质所赋存空间的频谱能量贡献率强度；
步骤4.通过二维反演和三维建模技术重构被探测目标体的空间几何特征及所赋存地下介质的空间分布；
步骤5.智能化识取。
优选地，根据本发明所述的地质雷达回波信号物性解构与探测目标数字重构智能化识取方法，其中，所述步骤1具体包括以下内容：
(1)、采用常规地质雷达及低频天线，设置合理的采集参数，在现场进行连续剖面测量和随机点测量两种方式分别获取反射回波信号及原始数据，在满足测区测量剖面和测点分布的情况下尽可能地在设计钻孔位置、或已有勘察钻孔位置、或是地质异常明确位置多采集相应的数据，同时采用GPS测量测区内所有地质雷达测点的三维坐标信息；
(2)、应用常规地质雷达数据处理软件将采集并保存的原始反射波信号数据转换成“.DZT”、“*.DT”或“*.DAT”格式的数据文件，并对其数据文件编辑、整理、存储；
(3)、通过滤波、零点偏移、背景去噪、剔除干扰等方法对获得的原始地质雷达数据进行常规预处理，以初步降低噪声干扰，提高信噪比而得到有效的地质雷达反射回波信号。
优选地，根据本发明所述的地质雷达回波信号物性解构与探测目标数字重构智能化识取方法，其中，所述步骤2具体包括以下内容：
(1)、鉴于傅里叶变换的叠加性及其与傅里叶逆变换的互逆性，通过傅里叶逆变换可将现场采集的原始雷达反射回波记录中一个非周期内不同正弦波的合成信号，转换分解为一个时间域内多个周期性连续变化的正弦波信号的频谱信息，由此获得的实质性数据预处理结果进行物性解构与识别；
(2)、对上述转换分解后的采样信号进行频谱识别，根据不同目标介质自身所特有的频谱响应特征和波相频响特性判定出探测目标体信号，并确定其频率谱域特征；
(3)、在已知地质雷达剖面进行网格化剖分后，并对其单元格中雷达反射回波信号进行频率谱分析和振幅谱分析；
(4)、根据地质雷达仪器设备配置和天线中心频率标定出地下不同目标体对电磁波偏振的频率响应参数；
(5)、分析确定被探测目标体标准反射回波的振幅谱和频率带宽，最后分离出目标体对应的主频率响应特征峰值。
优选地，根据本发明所述的地质雷达回波信号物性解构与探测目标数字重构智能化识取方法，其中，所述步骤3具体包括以下内容：
(1)、根据步骤2中分离出的不同目标体自身唯一特有的主频响应特征和分析确定的频率响应范围，在对应时间的窗口质点内进行傅里叶积分计算，采用数学定积分对分离后的不同目标体反射回波的频率谱密度函数在其频率响应上下限范围内积分得到不同目标体的各自响应频谱能量强度值，按公式(1)计算，对频率谱密度函数在整个被探测目标介质窗口质点反射回波频率带宽范围内积分得到被探测目标体窗口质点所赋存的空间介质成分所具有的全频域响应的频谱能量强度总值，按公式(2)计算，
公式(1)和公式(2)中：Wn为不同被探测目标体在谱分析窗口质点内的各自响应频谱能量强度值，WT为被探测目标体窗口质点所赋存的空间介质成分所具有的全频域响应频谱能量强度总值，n为不同被探测目标体窗口质点的构成介质成分，ω为角频率，(a，b)为探测介质频率响应上下限；
(2)、采用C++、MATLAB计算机编程语言源于公式(3)编写积分计算程序，通过时窗滚动方式批量处理并计算出雷达剖面上每一个时间段上的窗口质点不同目标介质在频率响应谱域中的积分值与窗口质点反射回波中的频率响应全谱域积分值之比，获得地质雷达剖面每道射线反射回波不同时间段的窗口质点中目标体频谱能量贡献率强度值，
公式(3)中：M为不同被探测目标体频谱能量贡献率强度值。
(3)、根据处理效果的好坏判断是否重复“目标体及介质物性解构识取”和“频谱能量贡献率强度值计算”的处理步骤及流程；
(4)、将计算得到的不同被探测目标体的频谱能量贡献率强度值保存成“*.txt”或“*.dat”格式的数据文件，结合各个质点的空间坐标，根据需要可用于二维反演成图、三维建模与成像、异常分析与解译。
优选地，根据本发明所述的地质雷达回波信号物性解构与探测目标数字重构智能化识取方法，其中，所述步骤4具体包括以下内容：
(1)、添加地质雷达探测剖面或随机测点的坐标和高程地形信息，并转化为所需的数据格式；
(2)、导入相应坐标及每一道不同深度位置的频谱能量贡献率强度值后，应用格里克数学插值方法，根据剖面连续测量方式反演并绘制出探测剖面地下不同目标体的频谱能量贡献率强度分布的二维等值剖面图；
(3)、将地下被探测目标体所处的空间范围剖分成一系列的网状立方体单元格，再对组成不同目标介质的网状单元格内的物性参数进行线性均一化处理，通过三维建模技术重新构建地表形态及地下被测目标体的空间模型，导入随机实测点的坐标、高程信息及每一测点不同深度位置的频谱能量贡献率强度值，应用Voxler或自编三维软件采用格里克数学插值方法反演出被测目标体的空间几何形态和地下介质频谱能量贡献率强度的空间分布。
优选地，根据本发明所述的地质雷达回波信号物性解构与探测目标数字重构智能化识取方法，其中，所述步骤5具体包括以下内容：
(1)、根据已有地质资料、物探资料和钻孔资料对二维频谱能量贡献率强度等值剖面图和三维频谱能量贡献率强度空间分布图进行修正；
(2)、根据结果修正效果的好坏判断是否对二维反演及三维成像结果重复修正，使其与已知资料结果最大程度的匹配和吻合；
(3)、在最终修正之后可根据需求输出频谱能量贡献率强度等值剖面图、不同深度水平切片图、各方向的垂直切片图，对其结果智能化识取，并在二维平面和三维空间实现综合分析与精细化解译，可以“*.jpg”或“*.giff”图片格式输出文件，还可通过三维结果的“视频抓捕”功能获取不同视觉角度的“*.avi”格式的视频输出文件；
(4)、通过建立不同目标体及介质的频谱能量强度特征数据库，结合异常边缘搜寻与目标体特征识取技术，应用计算机程序智能化识取辨别异常特征，根据钻孔资料或已有其他物探资料等综合分析解译，进而推断深层详细地质信息及微弱有用地质异常。
本发明的有益效果是：本发明利用地质雷达反射回波信号在地下介质传播过程中具有频率响应与探测目标体自身频率响应特征唯一共振的特点，通过计算被测目标体响应频率的频谱能量贡献率强度值，进行反演和分析，有效地提取识别深部、微弱或微小反射信号，去除杂波信号的干扰，解译出地下目标体或异常体的频谱能量贡献率强度的空间分布。从本质上提高了地质雷达探测深度和解释的准确性，降低了因资料解译人员差异或经验不足等制约因素对地质雷达结果判读的不确定性，在一定程度上解决了地质雷达探查地下异常解译的多解性，可实现对目标体重构和异常特征智能化自动识别，从而为地质雷达探测技术提供了一种数字信号处理与分析解译的新方法。
附图说明：
图1为本发明地质雷达回波信号物性解构与探测目标数字重构智能化识取方法的流程示意图。
具体实施例：
下面结合附图和具体实施例对本发明地质雷达回波信号物性解构与探测目标数字重构智能化识取方法作进一步说明：
基于地下不同电磁物性介质在雷达反射回波信号中都各自具有属于自己且唯一的共振频率响应这一物性结构属性。通过对地质雷达反射回波信号中不同目标介质的物性共振频率分析，解构识取出被探测目标体的频率响应特征，而通过被探测目标体介质在回波信号频谱中的贡献率量化其在介质空间质点中的频谱能量强度，重构被测目标体的空间几何形态和地下介质频谱能量贡献率强度的空间分布，实现对地下目标体及异常探查解译的目的。将这一对物探信号的物性智能识别和量化计算的地质雷达信号处理解译与目标体重构智能识取方法，称为频谱能量强度分析法。
本发明原理简述：
多数物探方法记录的回波信号是由构成被探测目标体或异常的不同介质频率响应信息迭代而成，通过傅氏变换的频域谱分析，可解构被探测目标体的物性结构，并建立起不同目标介质的频率响应物性特征数据库，通过对比自动识取被探测介质中的目标体或异常。
对于地质雷达反射回波记录射线上所设定的谱分析窗口，获取被测目标体的窗口质点空间坐标位置；基于谱分析的图谱计算被探测目标体窗口质点的频谱能量贡献率强度值，结合被探测目标体窗口质点的空间分布，反演重构出被探测目标体的几何结构和空间赋存状况，以达到智能识别的探测目的。
根据上述原理，如图1所示，本发明地质雷达回波信号物性解构与探测目标数字重构智能化识取方法包括以下步骤：
步骤1.地质雷达信号采集及数据预处理。
其中，步骤1具体包括以下内容：
(1)、采用常规地质雷达及低频天线，设置合理的采集参数(特别注意时间窗口和叠加次数的设置)，在现场进行连续剖面测量和随机点测量两种方式分别获取反射回波信号及原始数据，在满足测区测量剖面和测点分布的情况下尽可能地在设计钻孔位置、或已有勘察钻孔位置、或是地质异常明确位置多采集相应的数据，同时采用GPS测量测区内所有地质雷达测点的空间坐标信息(包括X、Y坐标及高程H)；
(2)、应用常规地质雷达数据处理软件将采集并保存的原始反射波信号数据转换成“.DZT”、“*.DT”或“*.DAT”等格式的数据文件，并对其数据文件编辑、整理、存储；
(3)、通过滤波、零点偏移、背景去噪、剔除干扰等方法对获得的原始地质雷达数据进行常规预处理，以初步降低噪声干扰，提高信噪比而得到有效的地质雷达反射回波信号。
步骤2.基于傅里叶变换的谱分析对被测目标体的地质雷达回波信号中包含的不同介质物性进行解构识取。
其中，步骤2具体包括以下内容：
(1)、鉴于傅里叶变换的叠加性及其与傅里叶逆变换的互逆性，通过傅里叶逆变换可将现场采集的原始雷达反射回波记录中一个非周期内不同正弦波的合成信号，转换分解为一个时间域内多个周期性连续变化的正弦波信号的频谱信息，由此获得的实质性数据预处理结果进行物性解构与识别；
(2)、对上述转换分解后的采样信号进行频谱识别，根据不同目标介质自身所特有的频谱响应特征和波相频响特性判定出探测目标体信号，并确定其频率谱域特征；
(3)、在已知地质雷达剖面进行网格化剖分后，并对其单元格中雷达反射回波信号进行频率谱分析和振幅谱分析；
(4)、根据地质雷达仪器设备配置和天线中心频率标定出地下不同目标体对电磁波偏振的频率响应参数；
(5)、分析确定目标介质标准反射回波的振幅谱和频率带宽，最后分离出目标介质对应的主频率响应特征峰值。
步骤3.基于频谱能量分析法数字化不同目标体在被测目标介质所赋存空间的频谱能量强度及比值。
其中，步骤3具体包括以下内容：
(1)、根据步骤2中分离出的不同目标体自身唯一特有的主频响应特征(即峰值)和分析确定的频率响应范围(即频率带宽)，在对应时间窗口质点内进行傅里叶积分计算，采用数学定积分对分离后的不同目标体反射回波的频率谱密度函数在其频率响应上下限范围内积分得到不同目标体的各自响应频谱能量贡献率强度值，按公式(1)计算，对频率谱密度函数在整个被探测目标介质窗口质点反射回波频率带宽范围内积分得到被探测目标窗口质点所赋存的空间介质成分所具有的全频域响应的频谱能量强度总值，按公式(2)计算，
公式(1)和公式(2)中：Wn为不同被探测目标体在谱分析窗口质点内的各自响应频谱能量强度值，WT为被探测目标体窗口质点所赋存的空间介质成分所具有的全频域响应频谱能量强度总值，n为不同探测目标体窗口质点的构成介质成分，ω为角频率，(a，b)为探测介质频率响应上下限；
(2)、采用C++、MATLAB计算机编程语言源于公式(3)编写积分计算程序，通过时窗滚动方式批量处理并计算出雷达剖面上每一个时间段上的窗口质点不同目标介质在频率响应谱域中的积分值与窗口质点反射回波中的频率响应全谱域积分值之比，获得地质雷达剖面每道射线反射回波不同时间段的窗口质点中目标体频谱能量贡献率强度值，
公式(3)中：M为不同被探测目标体频谱能量贡献率强度值。
(3)、根据处理效果的好坏判断是否重复“目标体及介质物性解构识取”和“频谱能量贡献率强度值计算”的处理步骤及流程；
(4)、将计算得到的不同被探测目标体的频谱能量贡献率强度值保存成“*.txt”或“*.dat”格式的数据文件，结合各个质点的空间坐标，根据需要可用于二维反演成图、三维建模与成像、异常分析与解译。
步骤4.通过二维反演和三维建模技术重构被探测目标体的空间几何特征及所赋存地下介质的空间分布。
其中，步骤4具体包括以下内容：
(1)、添加地质雷达探测剖面或随机测点的坐标和高程地形信息，并转化为所需格式；
(2)、导入相应坐标及每一道不同深度位置(时间窗口)的频谱能量贡献率强度值后，应用格里克数学插值方法，根据剖面连续测量方式反演并绘制出探测剖面地下不同目标体的频谱能量贡献率强度分布的二维等值剖面图；
(3)、将地下被探测目标体所处的空间范围剖分成一系列的网状立方体单元格(其尺寸大小与分辨率呈正相关)，再对组成不同目标介质的网状单元格内的物性参数进行线性均一化处理，通过三维建模技术重新构建地表形态及地下被测目标体的空间模型，导入随机实测点的坐标、高程信息及每一测点不同深度位置(时间窗口)的频谱能量贡献率强度值，应用Voxler或自编三维软件采用格里克等数学插值方法反演出被测目标体的空间几何形态和地下介质频谱能量贡献率强度的空间分布。
步骤5.智能化识取。
其中，步骤5具体包括以下内容：
(1)、根据已有地质资料、物探资料和钻孔资料对二维频谱能量贡献率强度等值剖面图和三维频谱能量贡献率强度空间分布图进行修正；
(2)、根据结果修正效果的好坏判断是否对二维反演及三维成像结果重复修正，使其与已知资料结果最大程度的匹配与吻合；
(3)、在最终修正之后可根据需求输出频谱能量贡献率强度等值剖面图、不同深度水平切片图、各方向的垂直切片图等，对其结果智能化识取，并在二维平面和三维空间实现综合分析与精细化解译，可以“*.jpg”或“*.giff”等多种图片格式输出文件，还可通过三维结果的“视频抓捕”功能获取不同视觉角度的“*.avi”等多种格式的视频输出文件；
(4)、通过建立不同目标体及介质的频谱能量强度特征数据库，结合异常边缘搜寻与目标体特征识取技术，应用计算机程序智能化识取异常特征，根据钻孔资料或已有其他物探资料等综合分析解译，进而推断深层详细地质信息及微弱有用地质异常。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。