一种考虑介质频散和衰减补偿的探地雷达逆时偏移成像方法与流程

本发明涉及探测技术领域，尤其涉及一种考虑介质频散和衰减补偿探地雷达逆时偏移成像方法。

背景技术：

探地雷达技术已经被广泛应用于工程检测、环境调查、地质勘探等领域，随着探测对象的日益复杂和探测要求的不断提高，高精度探地雷达成像技术已成为实际工程应用中的迫切需求。在探地雷达工作频率范围内，探测对象如土壤、混凝土、岩石的相对介电常数是关于频率变化的复函数，电磁波在其中传播时速度和衰减系数会随频率发生变化，能量衰减很快，并常伴有色散与畸变。加之，随着探地雷达工程检测的日益细化和探测频率的不断提高，地下介质的频散特性对电磁波传播的影响不断增加，迫切需要在实测数据的高精度成像中考虑其影响。

为了解决上述技术问题，提出了通过探地雷达逆时偏移速度模型条件下，进行成像的方法。但现有技术一般采用常规逆时偏移算法，源点电磁波场和接收点反传电磁波场的计算通常假定地下介质是非频散介质，忽略了源点电磁波场和接收点反传电磁波场在实际地下介质中传播时发生的频散和衰减特性，对实测探地雷达数据偏移成像不够清晰。对于常规探地雷达逆时偏移成像算法，其原理图如图1所示，xt为发射天线位置，xr为接收天线位置，s虚线表示源点正传电磁波场和r实线表示接收点反传电磁波场，通过计算两者之间的互相关，从而实现目标体的成像。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种考虑介质频散和衰减补偿探地雷达逆时偏移成像方法解决了现有技术采用常规逆时偏移算法，源点电磁波场和接收点反传电磁波场的计算通常假定地下介质是非频散介质，对实测探地雷达数据偏移成像不够清晰的问题。

本发明实施例是这样实现的一种考虑介质频散和衰减补偿探地雷达逆时偏移成像方法，包括：

获取待测构件上第i个发射天线的发射信号，以及与所述第i个发射天线对应的接收天线的回波信号，其中，i≥1，所述发射信号包括发射时间t1，所述回波信号包括回波时间t2，所述发射天线用于向所述待测构件发射电磁波信号，所述接收天线用于接收多偏移距探地雷达返回的回波信号；

根据所述待测构件的尺寸和物理性质，构建非结构化网格散离三维偏移速度模型；

利用所述非结构化网格散离三维偏移速度模型，计算出所有所述第i个发射天线的发射点的正传电磁波场值si(x1，y1，z1，t1)与所述对应的接收天线的接收点的反传电磁波场值ri(x2，y2，z2，t2)的零延时互相关值总和i(x，y，z)，获得逆时偏移成像结果；其中，

x1、y1、z1分别表示发射点的三维空间坐标，t1为正传电磁波时间，x2、y2、z2分别表示接收点的三维空间坐标，t2为反传电磁波时间，x、y、z分别表示零延时互相关值总和i(x，y，z)的三维空间坐标。

可选的，所述方法还包括：对所述逆时偏移成像结果进行空间高通滤波，获得目标逆时偏移成像结果。

可选的，所述根据所述待测构件的尺寸和物理性质，构建非结构化网格散离三维偏移速度模型的步骤具体包括：

根据所述待测构件的尺寸和物理性质，构建三维偏移速度模型；

在所述待测构件中电磁场变化剧烈的区域采用密网格剖分，在所述电磁场

变化平缓的区域采用疏网格剖分，获得非结构化网格散离三维偏移速度模型。

可选的，所述利用所述非结构化网格散离三维偏移速度模型，计算出所有所述第i个发射天线的发射点的正传电磁波场值si(x1，y1，z1，t1)与所述对应的接收天线的接收点的反传电磁波场值ri(x2，y2，z2，t2)的零延时互相关值总和i(x，y，z)，获得逆时偏移成像结果的步骤具体包括：

利用所述非结构化网格散离三维偏移速度模型，计算出所有所述第i个发射天线的发射点的正传电磁波场值si(x1，y1，z1，t1)与所述对应的接收天线的接收点的反传电磁波场值ri(x2，y2，z2，t2)的零延时互相关值ii(x3，y3，z3)，计算公式为：

ii(x3，y3，z3)＝si(x1，y1，z1，t1)×ri(x2，y2，z2，t2)；

将所有的所述零延时互相关值ii(x3，y3，z3)求和得到零延时互相关值总和i(x，y，z)，进而获取的逆时偏移成像结果，其中，所述零延时互相关值总和i(x，y，z)的计算公式为：

其中，n为发射天线个数，x3，y3，z3分别表示零延时互相关值ii(x3，y3，z3)的三维空间坐标。

可选的，所述利用所述非结构化网格散离三维偏移速度模型，计算出所有所述第i个发射天线的发射点的正传电磁波场值si(x1，y1，z1，t1)与所述对应的接收天线的接收点的反传电磁波场值ri(x2，y2，z2，t2)的零延时互相关值ii(x3，y3，z3)的步骤具体包括：

利用所述非结构化网格散离三维偏移速度模型计算出所述第i个发射天线的发射点的正传电磁波场值si(x1，y1，z1，t1)，计算公式为：

其中，为正传电磁波发生频散和衰减项；

利用所述非结构化网格散离三维偏移速度模型计算出所述对应的接收天线的接收点的反传电磁波场值ri(x2，y2，z2，t2)，计算公式为：

其中，为反传电磁波发生频散和衰减项，ε0为真空中的介电常数，分别为频率趋于0和无穷大时的相对常数，τ为介质的驰豫时间，j为激励源，σ为电阻率，μ为磁导率。

本发明实施例提供的考虑介质频散和衰减补偿探地雷达逆时偏移成像方法，有效对电磁波在地下介质传播时发生的频散和衰减进行补偿，提高了成像的精准度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的探地雷达常规逆时偏移成像算法原理图；

图2为本发明实施例提供的一种考虑介质频散和衰减的探地雷达逆时偏移成像算法原理图；

图3为本发明实施例提供的一种考虑介质频散和衰减补偿的探地雷达逆时偏移算法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的考虑介质频散和衰减补偿探地雷达逆时偏移成像方法，有效对电磁波在地下介质传播时发生的频散和衰减进行补偿，提高了成像的精准度。

实施例一

请同时参见图2和图3，该考虑介质频散和衰减补偿探地雷达逆时偏移成像方法，包括以下步骤：第一步：获取待测构件上第i个发射天线的发射信号，以及与第i个发射天线所对应的接收天线接收到的回波信号，其中，i≥1，发射信号包括发射时间t1，回波信号包括回波时间t2，发射天线用于向待测构件发射电磁波信号，接收天线用于接收多偏移距探地雷达返回的回波信号。

在本发明实施例中，可以理解，用户可以根据需求在待测构件上设置发射天线的数量即对应个数的接收天线的数量，具体不做限定。

第二步：根据待测构件的尺寸和物理性质，构建非结构化网格散离三维偏移速度模型。

在本发明实施例中，待测构件可以是混凝土、土壤等。

作为本发明的一个实施例，待测构件的物理性质包括：相对介电常数，电导率等。

在本发明实施例中，上述根据待测构件的尺寸和物理性质，构建非结构化网格散离三维偏移速度模型的步骤具体包括：

根据待测构件的尺寸和物理性质，构建三维偏移速度模型；

在待测构件中电磁场变化剧烈的区域采用密网格剖分，在电磁场变化平缓的区域采用疏网格剖分，获得非结构化网格散离三维偏移速度模型。

第三步：利用非结构化网格散离三维偏移速度模型，计算出所有第i个发射天线的发射点的正传电磁波场值si(x1，y1，z1，t1)与对应的接收天线的接收点的反传电磁波场值ri(x2，y2，z2，t2)的零延时互相关值总和i(x，y，z)，获得逆时偏移成像结果；其中，x1、y1、z1分别表示发射点的三维空间坐标，t1为正传电磁波时间，x2、y2、z2分别表示接收点的三维空间坐标，t2为反传电磁波时间，x、y、z分别表示零延时互相关值总和i(x，y，z)的三维空间坐标。

在本发明实施例中，上述利用非结构化网格散离三维偏移速度模型，计算出所有第i个发射天线的发射点的正传电磁波场值si(x1，y1，z1，t1)与对应的接收天线的接收点的反传电磁波场值ri(x2，y2，z2，t2)的零延时互相关值总和i(x，y，z)，获得逆时偏移成像结果的步骤具体包括：

利用非结构化网格散离三维偏移速度模型，计算出所有第i个发射天线的发射点的正传电磁波场值si(x1，y1，z1，t1)与对应的接收天线的接收点的反传电磁波场值ri(x2，y2，z2，t2)的零延时互相关值ii(x3，y3，z3)，计算公式为：

ii(x3，y3，z3)＝si(x1，y1，z1，t1)×ri(x2，y2，z2，t2)；

将所有的零延时互相关值ii(x3，y3，z3)求和得到零延时互相关值总和i(x，y，z)，进而获取的逆时偏移成像结果，其中，零延时互相关值总和i(x，y，z)的计算公式为：

其中，n为发射天线个数，x3，y3，z3分别表示零延时互相关值ii(x3，y3，z3)的三维空间坐标。

在本发明实施例中，上述零延时互相关值总和i(x，y，z)即为多个发射源的零延时互相关值的叠加数据。

在本发明实施例中，上述利用非结构化网格散离三维偏移速度模型，计算出所有第i个发射天线的发射点的正传电磁波场值si(x1，y1，z1，t1)与对应的接收天线的接收点的反传电磁波场值ri(x2，y2，z2，t2)的零延时互相关值ii(x3，y3，z3)的步骤具体包括：

利用非结构化网格散离三维偏移速度模型计算出第i个发射天线的发射点的正传电磁波场值si(x1，y1，z1，t1)，计算公式为：

其中，为正传电磁波发生频散和衰减项；

利用非结构化网格散离三维偏移速度模型计算出对应的接收天线的接收点的反传电磁波场值ri(x2，y2，z2，t2)，计算公式为：

其中，为反传电磁波发生频散和衰减项，ε0为真空中的介电常数，分别为频率趋于0和无穷大时的相对常数，τ为介质的驰豫时间，j为激励源，σ为电阻率，μ为磁导率。

作为本发明的一个实施例，上述方法在第三步之后还包括：

第四步：对逆时偏移成像结果进行空间高通滤波，获得目标逆时偏移成像结果。

在本发明实施例中，上述空间高通滤波采用的滤波系数为：

本发明实施例提供的考虑介质频散和衰减补偿探地雷达逆时偏移成像方法，有效对电磁波在地下介质传播时发生的频散和衰减进行补偿，提高了成像的精准度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。