GPR浅层管线探测应用及信号处理研究

论文摘要

在工程物探领域,探地雷达（GPR）是使用最为广泛的方法之一。在进行城市地下管线探测时,拥有采集速度快、操作简便、探测精度高等优势。现阶段,在实际的应用中,依据探地雷达响应剖面进行的解释主要以定性解释为主,所提取的参数主要是管线的位置和埋深,对于地下管线的方位角这一信息,关注有限。在进行时深转换时所用到的速度参数,主要是根据经验,通过对介质的介电常数的估计得到的,误差相对较大。因此,基于GPR响应数据,提取地下管线的方位角,并对介质波速做出准确的估算,就具有相当的实际意义。本文就GPR探测浅层管线进行了研究,围绕管线的方位角确定和介质波速估算两个核心问题开展研究,利用gprMax这一面向探地雷达的FDTD正演模拟软件,评价了影响管线响应双曲线形态的多种因素;通过构造多极化雷达组成的散射矩阵,提取了管线方位角参数;使用频率-波数偏移联合最小熵的方法,提取了管线埋藏介质的电磁波传播速度。主要结论如下:（1）基于FDTD法使用gprMax软件进行了GPR正演模拟,研究了极化雷达单道（A-scan）响应特征和Z切片的响应特征;同时,研究了管线的物理特征（管线材质和填充材料）和几何特征（管径和埋深）对GPR信号响应的影响,其影响程度存在不同的差异,这种响应上的差异是进行管线异质性评价的基础。（2）通过GPR散射矩阵,确定了地下隐埋管线的方位角,并对结果进行分析评价:基于多极化雷达的GPR散射矩阵能得到不同天线配置模式下每一个方位角所对应的反射波,依据反射波的能量依赖于测线和管线相对方位角的变化,实现了对管线方位角参数的提取;并进一步实现了对应的“旋转校正”,将测线与管线斜交的状态“校正”为测线与管线相垂直的状态,这种校正在能量层面上是符合要求的。（3）使用频率-波数偏移联合最小熵的方法,对地下管线埋藏的介质的电磁波波速进行估计,结合模拟试验和实际案例对结果进行分析和评价:利用偏移对速度的敏感性和图像熵对能量聚焦程度的敏感性,实现了对介质波速的估算,经多种模型数据和实际案例数据的验证,证实这一方法在估算介质波速时具有较高的准确性。考虑到频率-波数偏移对介质均一性的要求和图像熵对能量变化的敏感性,因此在进行介质波速估计之前需要进行去噪和压制直达波的处理。（4）本文基于频率-波数偏移联合最小熵的方法对介质波速进行估计,其优势在于不需要介质的先验信息,不需要针对速度分析进行额外的雷达扫描操作,有效节省工时。最后的模拟和实际案例表明,该方法在满足其使用条件的前提下,均有较为理想的结果,且具有一定的抗噪声干扰的能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 极化探地雷达国内外研究现状
•     1.2.2 GPR正演模拟国内外研究现状
•     1.2.3 GPR管线参数提取国内外研究现状
•   1.3 目前研究中存在的问题
•   1.4 研究内容与组织结构
• 第二章 探地雷达基本理论
•   2.1 电磁场基本理论
•   2.2 时域有限差分法（FDTD）基本理论
•   2.3 GPR散射矩阵
•   2.4 GPR数据偏移方法
• 第三章 探地雷达信号的响应特征
•   3.1 探地雷达极化阵列的响应特征
•     3.1.1 单道GPR极化响应特征
•     3.1.2 模型GPR极化响应特征
•   3.2 管线物理特征对GPR信号的影响
•     3.2.1 管线材质对GPR信号的影响
•     3.2.2 管线填充材料对GPR信号的影响
•   3.3 管线几何特征对GPR信号的影响
•     3.3.1 管线埋深对GPR信号的影响
•     3.3.2 管线半径对GPR信号的影响
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于GPR极化特性的管线方位角估算
•   4.1 地下管线模型的GPR反射波
•   4.2 多测线模拟试验
•   4.3 单测线模拟试验
•     4.3.1 单测线模拟情况
•     4.3.2 单测线模拟效果分析
•   4.4 单测线双管线模拟试验
•   4.5 本章小结
• 第五章 基于管线GPR响应的介质速度估计
•   5.1 雷达波速计算概述
•   5.2 偏移与最小熵联合的雷达波速度估计原理
•   5.3 数值模型测试
•     5.3.1 单管模型试验
•     5.3.2 附加噪声试验
•     5.3.3 双管模型试验
•   5.4 实际雷达案例应用
•   5.5 应用效果分析
•   5.6 本章小结
• 第六章 结论与建议
•   6.1 结论
•   6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录 ：在校公开发表的论文及参加过的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 池昌峰

导师: 陈筠,梁风

关键词: 探地雷达,管线,散射矩阵,频率波数偏移,最小熵

来源: 贵州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地球物理学,建筑科学与工程

单位: 贵州大学

分类号: P631.3;TU990.3

总页数: 108

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