基于單基地測量的地表介質(zhì)參數(shù)反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及探地雷達(dá)(GPR)，尤其是涉及一種基于單基地測量的地表介質(zhì)參數(shù)反 演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 反演地表的介電參數(shù)是GPR(探地雷達(dá))的重要應(yīng)用之一，近二十多年來，地表參數(shù) 的反演已發(fā)展為多波段、多極化、多角度地表數(shù)據(jù)的反演，地表介電常數(shù)和粗糙度的反演取 得了顯著的發(fā)展。目標(biāo)的介電常數(shù)反映了介質(zhì)的基本特性，是微波遙感所研究的的重要參 數(shù)之一。它與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成、密度等因素有關(guān)。測量介電常數(shù)的方法主要有波導(dǎo)法、諧振 腔法、空間波法、探針法等[1]。每種測量方法都有一定的適用范圍和應(yīng)用特點(diǎn)。其中波導(dǎo) 法、諧振腔法等屬于實驗室測量方法，測量通常是在室中進(jìn)行，要求具有相應(yīng)的樣品采集技 術(shù)，由于環(huán)境改變(如密度、壓力和濕度改變)和對樣品的加工處理勢必會造成測量與真實 值之間的偏差。空間波法、探針法等屬于實地測量方法，探針法測量實驗相對穩(wěn)定，但是只 能代表局部特征。自由空間法測量不需要采集樣品，可以直接進(jìn)行測量。與其他測量方法相 比，自由空間法對測試樣品沒有嚴(yán)格的形狀和工藝要求，只需被測樣品的厚度均勻，且具有 一定大的面積以避免邊沿繞射，可以在較寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻測量。
[0003] 利用自由空間法對樣品的電磁參數(shù)進(jìn)行測量的誤差主要由系統(tǒng)誤差與人為誤差 造成。自由空間法屬于開放式測量，因此測量過程中會有很多因素影響測量結(jié)果，其主要系 統(tǒng)誤差有：
[0004] 1.喇叭天線遠(yuǎn)場處的平面波近似導(dǎo)致的誤差；
[0005] 2.當(dāng)電磁波照射到樣品時由樣品邊緣產(chǎn)生的多次繞射及散射效應(yīng)引起的誤差；
[0006] 3.喇叭天線與被測樣品之間的電磁波多次反射帶來的誤差；
[0007] 4.被測樣品位置參考面的選擇帶來的誤差。
[0008]在現(xiàn)有的GPR信號參數(shù)反演中，面臨的主要困難是難以排除多徑效應(yīng)和收發(fā)信號 間的直接耦合對實驗精度的影響。在非理想暗室環(huán)境中天線測試時，暗室的側(cè)壁與后墻、設(shè) 備支架等造成的多徑效應(yīng)成為影響測量精度的主要原因。若受到客觀條件限制無法在暗室 中進(jìn)行，在外場更是極易受到背景噪聲電磁波干擾，從而很大程度上影響實驗精度[2]，這 也影響探地雷達(dá)在實際中的運(yùn)用，Greg Hislop提出了一種方法反演大地介電常數(shù)的方法， 通過建立介電常數(shù)與頻率的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，在不需了解天線或測試系統(tǒng)的情況，準(zhǔn)確反演 出大地電磁參數(shù)[3]。
[0009]為了有效減少多徑干擾，國內(nèi)外均采用兩種方法:逆傅里葉變換法和矩陣束法[4] [5]。由于信道頻率響應(yīng)的測量廣泛用于多路徑傳播渠道的脈沖響應(yīng)或時間響應(yīng)，因而在時 間域中，通過測量多徑效應(yīng)，可以用來估測暗室的脈沖響應(yīng)。逆傅里葉變換的應(yīng)用可以解決 上述問題。然而，逆傅里葉變換只是單方面從時間域或頻率域處理測試數(shù)據(jù)，并不能全面地 描述信號的特征。矩陣束方法對于解決多徑干擾具有較好的效果。通過將接收器接收到處 于不同頻率和不同方位角的波，等效成不同的指數(shù)函數(shù)，矩陣束法更方便的找出直接由發(fā) 射器傳送到接收器的波。
[00?0] 針對抗噪聲能力和估計精度的進(jìn)一步要求，矩陣束方法(Matrix Pencil Method) 被廣泛研究[6][7]。其基本思想是根據(jù)數(shù)據(jù)構(gòu)造兩個特殊的他111?51數(shù)據(jù)矩陣，根據(jù)數(shù)據(jù)矩 陣間的關(guān)系求解它們的廣義特征值，廣義特征值包含了所要求解的信息（信號的極點(diǎn)），因 此，求解衰減指數(shù)信號極點(diǎn)問題轉(zhuǎn)化為求解矩陣束的廣義特征值問題。在求解廣義特征值 過程中，為抑制噪聲干擾，引入SVD分解和矩陣的低秩近似等方法，使算法具有好的魯棒性。 [0011] 中國專利201410299068.4公開一種基于Matrix Pencil的電力系統(tǒng)低頻振蕩模態(tài) 辨識方法，該方法針對實際系統(tǒng)得到的測量數(shù)據(jù)通常受到現(xiàn)場環(huán)境等因素的影響，是帶有 一定信噪比的信號數(shù)據(jù)，提出利用旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)(ESPRIT)改進(jìn)Matrix Pencil算法，直接以 測量數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)矩陣為基礎(chǔ)，將信號空間分解成信號子空間和噪聲子空間，準(zhǔn)確估計 模型階數(shù)，并檢測出電力系統(tǒng)低頻振蕩信號不同振蕩模態(tài)的振蕩頻率、衰減因子、振蕩幅值 和相位等信息，能夠有效的提高計算效率和低頻振蕩辨識能力[8]。
[0012] 中國專利201210352832.0公開了一種基于矩陣束的配電線路自適應(yīng)電流速斷保 護(hù)方法，該發(fā)明提供了一種基于矩陣束的配電線路自適應(yīng)電流速斷保護(hù)方法，該發(fā)明將基 于矩陣束算法的工頻量提取方法引入到保護(hù)中，有效地避免了電氣量中非周期分量的影 響，使得工頻量提取快速準(zhǔn)確，明顯改善了傳統(tǒng)自適應(yīng)電流速斷保護(hù)的動作性能[9]。
[0013] 參考文獻(xiàn)：
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[0017] [4]Fourestie B,Altman Z,Kanda M.Efficient detection of resonances in anechoic chambers using the matrix pencil method[J]·Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions on,2000,42(1):1-5.
[0018] [5]FourestieB,Altman Z,Kanda M.Anechoic chamber evaluation using the matrix pencil method[J]·Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions on, 1999,41(3):169-174.
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[0020] [7]Y.B.Hua and T.K.Sarkar.Matrix pencil method for estimating parameters of exponentially damped/undamped sinusoids in noise[J]. IEEE Trans on Acoustics Speech and Signal Processing,1990,38(5):814-824.
[0021] [8]金濤，顧小興，黃宴委，程遠(yuǎn)·基于Matrix Pencil的電力系統(tǒng)低頻振蕩模態(tài)辨 識方法[P].中國專利：201410299068.4，2014-10-01 ·
[0022] [9]宋國兵，田小強(qiáng)，趙林平，王顯峰，祁勝利，李德坤.基于矩陣束的配電線路自適 應(yīng)電流速斷保護(hù)方法[P].中國專利：201210352832.0，2013-01-09·

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中在利用反演土壤介電常數(shù)時，實際反演方法 不準(zhǔn)確，實驗條件復(fù)雜的問題，提供可有效將各個界面反射分量加以區(qū)分，濾除非土壤表面 反射信號及其他噪聲信號，提高估計精度，便于實際運(yùn)用的一種基于單基地測量的地表介 質(zhì)參數(shù)反演方法。
[0024]本發(fā)明包括如下步驟：
[0025] (1)在外場環(huán)境中預(yù)先將喇叭端口朝上，對準(zhǔn)無障礙物的天空，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析 儀測量喇叭端口的反射信號乂；"，若電纜為穩(wěn)相電纜，則該反射信號也可以事先在暗室環(huán)境 中測量；
[0026] (2)將喇叭垂直對準(zhǔn)待測土壤表面，測得反射信號和0 ;
[0027] (3)在待測土壤表面放置平面金屬反射板，用于截獲喇叭天線波束輻射的主要能 量，測得反射信號私 2);
[0028] (4)將粑和#分別減去喇叭自身反射信號#，得到土壤和金屬板的反射信號h 和Y2;
[0029] (5)分別對反射信號丫:和^進(jìn)行矩陣束處理，濾除其他反射信號及噪聲，得到土壤 表面和金屬板表面的反射信號?Γ和G ;由于金屬板反射系數(shù)已知，從而得到土壤表面的反 射系數(shù) Rs = -Yis/Y2s;
[0030] (6)根據(jù)平面波對理想介質(zhì)分界的垂直入射、以及反射系數(shù)與介質(zhì)波阻抗的關(guān)系， 獲得地面表層介質(zhì)的平均波阻抗；
[0031] 其中n〇為空氣波阻抗;另外，弱導(dǎo)電媒介的本征波阻抗可近似表述為
[0032]
(2)
[0033]其中μ為自由空間中的磁導(dǎo)率，ε〇為自由空間中的介電常數(shù)，er為表層土壤的相對 介電常數(shù)，σ為表層土壤的電導(dǎo)率，ω為角頻率，根據(jù)式(2)可得到表層土壤的電磁參數(shù)估算 公式：
[0034]