基于瞬时幅频参数的探地雷达信号预处理方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于瞬时幅频参数的探地雷达信号预处理方法及装置。所述方法包括：提取探地雷达信号的瞬时幅度和瞬时频率，分别得到瞬时幅度矩阵Amatrix和瞬时频率矩阵fmatrix；删除Amatrix中的第一行得到对瞬时频率矩阵fmatrix进行归一化处理，得到归一化瞬时频率矩阵计算探地雷达信号的联合瞬时参数矩阵采用了本发明的探地雷达信号的瞬时幅度信息能够精确地反映分界面的埋深和各个介质层对发射脉冲的吸收能力，同时探地雷达信号的瞬时频率信息可以对晚时信号起到增强作用，能够精确地反映相邻不同介质的相对介电常数的大小信息。

说明书

技术领域

本发明涉及探地雷达技术领域，具体涉及一种基于瞬时幅频参数的探地雷达 信号预处理方法及装置。

背景技术

探地雷达是利用高频超宽带信号来探测地球浅层介质分布规律的地球物理 勘探装置，探地雷达信号的反演是通过分析接收信号的波形、幅值和时间等特征 来估计地下介质的几何机构、埋深和空间位置等信息。不同介质的相对介电常数 差别较大，探地雷达发射的脉冲信号在不同介质中传播时，其传播速度在 0.01～0.3m/ns之间，由于传播速度很快，为了提高反演结果的精度，需要对探 地雷达信号进行预处理，以提高相邻不同介质分界面的定位精度。

探地雷达信号具有高频率、短波长、强介质吸收和强干扰等性质，以傅里叶 变换为基础的经典信号处理方法不能达到较好的预处理效果。目前披露的采用时 频分析进行探地雷达信号预处理的方法包括广义S变换方法、Hilbert谱分析方 法等。

广义S变换方法在地下介质的层位识别应用中效果较好，但是广义S变换的 系统参数需要靠经验调节，模型可扩展性较差，限制了该方法的应用推广。 Hilbert谱分析方法对薄层位置具有一定的增强作用，但实测探地雷达信号中的 杂波和干扰信号也得到了增强，限制了其对浅层地下介质的反演精度。

发明内容

本发明提供一种基于瞬时幅频参数的探地雷达信号预处理方法及装置。采用 了本发明的探地雷达信号的瞬时幅度信息能够精确地反映分界面的埋深和各个 介质层对发射脉冲的吸收能力，同时探地雷达信号的瞬时频率信息可以对晚时信 号起到增强作用，能够精确地反映相邻不同介质的相对介电常数的大小信息。

下面阐述本发明的技术方案。

一种基于瞬时幅频参数的探地雷达信号预处理方法，所述方法包括：

提取探地雷达信号的瞬时幅度和瞬时频率，分别得到瞬时幅度矩阵A_matrix和 瞬时频率矩阵f_matrix；

删除A_matrix中的第一行得到

对瞬时频率矩阵f_matrix进行归一化处理，得到归一化瞬时频率矩阵

计算探地雷达信号的联合瞬时参数矩阵J_matrix，其中 符号表示两个矩阵处于相同位置的元素相乘。

所述对瞬时频率矩阵f_matrix进行归一化处理的公式为：

$f_{\mathrm{matrix}}^{*}=\left(\begin{array}{cc}1,& f_{\mathrm{matrix}}>{\theta }_1\\ 0,& {\theta }_2\le f_{\mathrm{matrix}}\le {\theta }_2\\ -1,& f_{\mathrm{matrix}}<{\theta }_2\end{array}\right);$

其中：为归一化瞬时频率矩阵；θ₁和θ₂分别为瞬时频率进行归一化处 理时的上、下阈值。

一种基于瞬时幅频参数的探地雷达信号预处理装置，包括：提取探地雷达信 号的瞬时幅度和瞬时频率，分别得到瞬时幅度矩阵A_matrix和瞬时频率矩阵f_matrix的 模块；删除A_matrix中的第一行得到的模块；对瞬时频率矩阵f_matrix进行归一 化处理，得到归一化瞬时频率矩阵的模块；按照计 算联合瞬时参数矩阵J_matrix的模块。

附图说明

图1为实测探地雷达数据剖面图。

图2为采用本发明对图1所示实测探地雷达数据增强处理后的剖面图。

具体实施方式

图1为某地实测探地雷达数据剖面图，探测区域地下1.4-1.8m处有两根平 行放置的水泥管道，两根水泥管道分别位于图1横轴的5.1m和6.35m处，图1 所示测线方向与水泥管道方向垂直。探测过程中，采用的是GSSI公司的SIR-2000 型探地雷达系统，选用400MHz天线，各个测道横轴上的间隔为0.01m，每个测 道采集512个时间点数据。

基于瞬时幅频参数的探地雷达信号预处理方法对图1所示探地雷达信号进 行处理步骤如下：

步骤1：提取图1中各个测道探地雷达信号的瞬时幅度和瞬时频率，得到瞬 时幅度矩阵A_matrix和瞬时频率矩阵f_matrix。

步骤2：删除A_matrix中的第一行得到

步骤3：对探地雷达信号的瞬时频率信息进行归一化处理，其归一化公式为：

$f_{\mathrm{matrix}}^{*}=\left(\begin{array}{cc}1,& f_{\mathrm{matrix}}>{\theta }_1\\ 0,& {\theta }_2\le f_{\mathrm{matrix}}\le {\theta }_2\\ -1,& f_{\mathrm{matrix}}<{\theta }_2\end{array}\right);$

其中，为归一化瞬时频率矩阵；θ₁和θ₂分别为瞬时频率进行归一化处理时 的上、下阈值，在f_matrix中，频率增大的时刻频率变化量为正值，频率减小的时 刻频率变化量为负值，对f_matrix中为正值的频率变化量进行统计直方图处理，统 计时频率步长为1MHz，当从0MHz到θ₁MHz的累计量超过60％时，当前θ₁值即 为上阈值点；对f_matrix中为负值的频率变化量进行统计直方图处理，统计时频率 步长为1MHz，当从0MHz到θ₂MHz的累计量超过60％时，当前θ₂值即为下阈值 点。

步骤4：计算探地雷达信号的联合瞬时参数矩阵J_matrix。

J_matrix的计算公式为：其中，符号表示两个矩阵处于 相同位置的元素相乘。

通过上述步骤对图1中各个测道探地雷达信号进行增强处理，处理后信号的 剖面图如图2所示。图2结果表明，本发明方法将空气和地面分界面以及地层和 管道分界面用细线分割开，能精确地的定位出相邻介质分界面对应的时间点，多 次反射波、杂波和干扰信号得到了抑制。