本發(fā)明涉及探地雷達(dá)，尤其是涉及一種基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、探地雷達(dá)(groundpenetratingradar，gpr)是一項(xiàng)非侵入性的地球物理探測(cè)技術(shù)，通過(guò)發(fā)射雷達(dá)波并測(cè)量其在地下結(jié)構(gòu)中的反射，用于獲取地下結(jié)構(gòu)的圖像和信息。該技術(shù)的基本原理在于當(dāng)雷達(dá)波穿過(guò)地下材料時(shí)，會(huì)與不同介電常數(shù)的材料產(chǎn)生反射，形成回波信號(hào)，通過(guò)分析這些信號(hào)，可以創(chuàng)建地下結(jié)構(gòu)的剖面圖，顯示各種地質(zhì)層和物質(zhì)的分布。gpr系統(tǒng)通常包括發(fā)射和接收天線，通過(guò)記錄回波信號(hào)的時(shí)間延遲和振幅，可以推斷出地下結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和深度。gpr在土木工程、考古學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，用于檢測(cè)地下管道、電纜、古代遺址、地下水位和巖層結(jié)構(gòu)。

2、在工作過(guò)程中，gpr通過(guò)生成剖面圖，以深度為橫軸，電磁波傳播速度為縱軸，形成一個(gè)時(shí)間-深度圖。這些圖提供了對(duì)地下結(jié)構(gòu)的直觀視圖，不同地質(zhì)層和物質(zhì)對(duì)電磁波的反射和傳播速度產(chǎn)生不同的影響，使得gpr圖能夠提供關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。

3、然而，gpr的效果受到地下介質(zhì)的影響，電磁波在不同材料中的傳播速度主要取決于介電常數(shù)。因此，高度導(dǎo)電性的材料或高度吸濕的土壤可能限制信號(hào)的穿透性。此外，gpr的探測(cè)深度受到設(shè)備頻率和地下介質(zhì)特性的限制，因此在不同特定地質(zhì)條件下，其效果可能有所不同。

4、本發(fā)明關(guān)注探地雷達(dá)(ground?penetrating?radar，gpr)系統(tǒng)的性能分析，特別是針對(duì)不完善和有損地面對(duì)gpr系統(tǒng)性能的影響的研究。gpr系統(tǒng)在土木工程應(yīng)用中具有重要意義，用于地下結(jié)構(gòu)和地層的非破壞性探測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，gpr系統(tǒng)經(jīng)常面臨環(huán)境變化的挑戰(zhàn)，例如不完善或分層的地面、天線高度等參數(shù)的部分或完全未知，這可能導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的拒絕，影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)缺乏對(duì)位于不完善和有損地面對(duì)gpr性能影響的研究的技術(shù)問(wèn)題。

2、為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，包括：

3、結(jié)合空氣地球界面的影響，基于時(shí)空海倫積分方程對(duì)天線的中心瞬態(tài)電流進(jìn)行時(shí)域分析，構(gòu)建瞬態(tài)電流響應(yīng)模型；

4、采用不確定性量化方法，隨機(jī)抽取多個(gè)影響變量，每個(gè)影響變量進(jìn)行多次取值，代入所述瞬態(tài)電流響應(yīng)模型中進(jìn)行求解，得到多個(gè)天線總電流的模擬值；

5、計(jì)算多個(gè)所述天線總電流的模擬值的統(tǒng)計(jì)值；

6、利用多個(gè)所述統(tǒng)計(jì)值生成各個(gè)所述影響變量對(duì)應(yīng)的置信區(qū)間；

7、根據(jù)各個(gè)所述影響變量對(duì)應(yīng)的置信區(qū)間，判斷非完善有損地面中各個(gè)影響變量對(duì)探地雷達(dá)的影響程度，設(shè)定各個(gè)影響變量對(duì)探地雷達(dá)影響的權(quán)重值，實(shí)現(xiàn)對(duì)非完善有損地面探地雷達(dá)的優(yōu)化。

8、進(jìn)一步的，采用不確定性量化方法，隨機(jī)抽取多個(gè)影響變量，每個(gè)影響變量進(jìn)行多次取值，代入所述瞬態(tài)電流響應(yīng)模型中進(jìn)行求解，得到多個(gè)天線總電流的模擬值，包括：

9、隨機(jī)抽取多個(gè)影響變量，每個(gè)影響變量按照設(shè)定的概率分布規(guī)律進(jìn)行多次取值，并代入所述瞬態(tài)電流響應(yīng)模型中進(jìn)行天線總電流的模擬值的求解。

10、進(jìn)一步的，每個(gè)影響變量按照設(shè)定的概率分布規(guī)律進(jìn)行多次取值，并代入所述瞬態(tài)電流響應(yīng)模型中，通過(guò)布勃諾夫-伽遼金法(galerkin-bubnov間接邊界元方法，簡(jiǎn)稱gb-ibem)求解得到多個(gè)天線總電流的模擬值。

11、進(jìn)一步的，設(shè)定的概率分布規(guī)律為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布或者均勻分布。

12、進(jìn)一步的，結(jié)合空氣地球界面的影響，基于時(shí)空海倫積分方程對(duì)天線的中心瞬態(tài)電流進(jìn)行時(shí)域分析，構(gòu)建瞬態(tài)電流響應(yīng)模型，包括：

13、通過(guò)近似時(shí)空菲涅爾反射系數(shù)考慮空氣地球界面的影響，通過(guò)反射系數(shù)函數(shù)r(θ，t)考慮地面的影響：

14、

15、其中：

16、

17、其中，t為時(shí)間；h為天線的高度；δ(t)是狄拉克脈沖，in(t)是第一類n階修正貝塞爾函數(shù)；εr是相對(duì)介電常數(shù)；σ是土壤導(dǎo)電率；x為觀測(cè)點(diǎn)；x'為源點(diǎn)；土壤導(dǎo)電率；ε是真空介電常數(shù)；k、α和β均為中間變量，無(wú)實(shí)義；θ為入射角。

18、進(jìn)一步的，結(jié)合空氣地球界面的影響，基于時(shí)空海倫積分方程對(duì)天線的中心瞬態(tài)電流進(jìn)行時(shí)域分析，構(gòu)建瞬態(tài)電流響應(yīng)模型，包括：

19、所述模型的計(jì)算公式如下：

20、

21、其中，i為天線總電流的模擬值；c為光速，z0為自由空間波阻抗，r表示觀測(cè)點(diǎn)x與源點(diǎn)x'之間的實(shí)際距離；r*表示觀測(cè)點(diǎn)x與源點(diǎn)x'之間的圖像線上的距離；f0和fl為表征天線兩端多次反射影響的函數(shù)，通過(guò)設(shè)定天線端部的電流為零來(lái)確定；l為天線的長(zhǎng)度；t為時(shí)間；為切向入射電場(chǎng)；r(θ，t)為反射系數(shù)函數(shù)；θ為入射角；τ為積分運(yùn)算符號(hào)，無(wú)實(shí)義。

22、進(jìn)一步的，所述影響變量包括土壤導(dǎo)電率和天線高度。

23、進(jìn)一步的，所述影響變量還包括土壤類型、濕度和鹽分含量。

24、進(jìn)一步的，所述統(tǒng)計(jì)值包括均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差。

25、進(jìn)一步的，所述置信區(qū)間等于均值±3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

26、本發(fā)明一種基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，具有以下有益效果：

27、本發(fā)明通過(guò)對(duì)天線的瞬態(tài)電流進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)不完善和有損地面對(duì)gpr系統(tǒng)性能的影響的研究。本發(fā)明利用時(shí)空海倫(hallen)積分方程，通過(guò)布勃諾夫-伽遼金法進(jìn)行求解，為系統(tǒng)的性能提供了準(zhǔn)確的時(shí)域計(jì)算工具。

28、為了更全面地了解gpr系統(tǒng)在環(huán)境變化下的表現(xiàn)，本發(fā)明采用了隨機(jī)技術(shù)，包括隨機(jī)集合插值(stochastic?collocation，sc)方法。通過(guò)引入影響變量，如土壤電導(dǎo)率和導(dǎo)線高度，研究了這些環(huán)境參數(shù)對(duì)gpr系統(tǒng)性能的影響。將每個(gè)影響變量按照設(shè)定概率分布規(guī)律進(jìn)行多次取值，并分別引入到模型中進(jìn)行天線總電流的反復(fù)求解，從而生成多個(gè)天線總電流的模擬值，然后得出與gpr探測(cè)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(如均值、方差、偏度等)，從而建立可靠的置信區(qū)間，通過(guò)置信區(qū)間判斷出有損地面環(huán)境中各個(gè)影響變量對(duì)gpr性能影響的程度，根據(jù)根據(jù)影響程度設(shè)定各個(gè)影響變量對(duì)探地雷達(dá)影響的權(quán)重值，實(shí)現(xiàn)對(duì)非完善有損地面探地雷達(dá)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

技術(shù)特征：

1.一種基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，其特征在于，采用不確定性量化方法，隨機(jī)抽取多個(gè)影響變量，每個(gè)影響變量進(jìn)行多次取值，代入所述瞬態(tài)電流響應(yīng)模型中進(jìn)行求解，得到多個(gè)天線總電流的模擬值，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，其特征在于，每個(gè)影響變量按照設(shè)定的概率分布規(guī)律進(jìn)行多次取值，并代入所述瞬態(tài)電流響應(yīng)模型中，通過(guò)布勃諾夫-伽遼金法求解得到多個(gè)天線總電流的模擬值。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，其特征在于，設(shè)定的概率分布規(guī)律為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布或者均勻分布。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，其特征在于，結(jié)合空氣地球界面的影響，基于時(shí)空海倫積分方程對(duì)天線的中心瞬態(tài)電流進(jìn)行時(shí)域分析，構(gòu)建瞬態(tài)電流響應(yīng)模型，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，其特征在于，結(jié)合空氣地球界面的影響，基于時(shí)空海倫積分方程對(duì)天線的中心瞬態(tài)電流進(jìn)行時(shí)域分析，構(gòu)建瞬態(tài)電流響應(yīng)模型，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，其特征在于，所述影響變量包括土壤導(dǎo)電率和天線高度。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，其特征在于，所述影響變量還包括土壤類型、濕度和鹽分含量。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，其特征在于，所述統(tǒng)計(jì)值包括均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，其特征在于，所述置信區(qū)間等于均值±3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及探地雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于天線的非完善有損地面探地雷達(dá)優(yōu)化方法，包括結(jié)合空氣地球界面的影響，基于時(shí)空海倫積分方程對(duì)天線的中心瞬態(tài)電流進(jìn)行時(shí)域分析，構(gòu)建瞬態(tài)電流響應(yīng)模型；采用不確定性量化方法，隨機(jī)抽取多個(gè)影響變量，每個(gè)影響變量進(jìn)行多次取值，代入所述瞬態(tài)電流響應(yīng)模型中進(jìn)行求解，得到多個(gè)天線總電流的模擬值；計(jì)算多個(gè)所述天線總電流的模擬值的統(tǒng)計(jì)值；利用多個(gè)所述統(tǒng)計(jì)值生成各個(gè)所述影響變量對(duì)應(yīng)的置信區(qū)間。本發(fā)明通過(guò)置信區(qū)間判斷非完善有損地面中各個(gè)影響變量對(duì)探地雷達(dá)的影響程度，設(shè)定各個(gè)影響變量對(duì)探地雷達(dá)影響的權(quán)重值，實(shí)現(xiàn)對(duì)非完善有損地面探地雷達(dá)的優(yōu)化。

技術(shù)研發(fā)人員：李曉斌,李冶,王碩,鐘國(guó)思,武順強(qiáng),吳藝鵬,鄒巍,李保國(guó),姚攀,修宇翔,黃智明,李子新,關(guān)俊峰,關(guān)華深,張紅陽(yáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2