一種基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法技術

本發明專利技術公開一種基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法，本發明專利技術提供了一種基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法，該方法降低了算法復雜度、提高了收斂速度和增強了方法的薄層識別能力：1）本發明專利技術利用電磁波在各介質層中雙程時延的先驗信息，減少了波形反演的參數，降低了算法求解的復雜度，提高了反演效率；2）本發明專利技術利用非均勻變異思想，通過對模擬退火算法的擾動模型的改進，顯著提高了收斂速度；3）本發明專利技術通過實際回波信號與模擬回波信號的差值，提取出被強回波覆蓋的時延信息，增強了算法對薄層介質參數反演的適應能力，提高了算法的實用性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于波形反演
，具體涉及一種基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法。
技術介紹
探地雷達(GroundPenetratingRadar，簡稱GPR)是一種廣泛應用于土木工程、國防、考古和地質檢測等領域的無損探測工具。它的基本原理是通過發射電磁波到地下介質中來獲取由于地下介質的非均勻性而產生的反射回波。在GPR的實際應用當中，層狀介質的波形反演方法扮演著極其重要的作用，它能有效地幫助探測人員在沒有其他先驗信息的情況下獲取探測區域近地表地質結構的介電屬性信息和厚度等參數信息。但是，現有的層狀介質波形反演方法具有無法識別薄層介質、復雜度高、收斂速度慢和效率低等缺點。
技術實現思路
本專利技術提供一種基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法，該方法降低了算法復雜度、提高了收斂速度和增強了薄層識別的能力。通過匹配濾波方法得到原始回波中的有用信號，并利用電磁波在各介質層中的雙程時延的先驗信息與波速公式結合，減少反演參數的個數；利用非均勻變異思想改進傳統模擬退火算法的擾動模型來加快收斂速度；通過實際回波信號與模擬回波信號的差值來提取被強回波覆蓋的時延信息，增強算法對薄層介質的識別能力，本專利技術實現了對含薄層的層狀介質模型的波形反演，能準確有效地估計出含薄層的層狀介質模型的介電常數和厚度信息，并具有較好的實時性和穩定性。為解決上述問題，本專利技術是通過以下技術方案實現的：一種基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法，包括如下步驟：1)構建地下層狀介質模型，通過探地雷達對構建模型進行探測，利用匹配濾波方法處理原始回波信號得到實際回波信號；2)對實際回波信號提取雙程時延信息，設置循環控制變量，初始化各層介質介電常數的估計值，再根據雙程時延信息和波速公式得到各層介質的估計厚度；3)利用估計的參數值對構建模型進行正演，獲得模擬回波信號，并根據誤差公式得到實際回波信號與模擬回波信號的誤差大小；4)將步驟3)得到的當前誤差與最大允許誤差對比，若當前誤差小，說明反演波形正確，估計的參數信息即為被測模型參數信息；若當前誤差大，則按一定規則判定是否接受當前估計的參數信息；5)依據改進的擾動模型對估計參數進行干擾，產生新的估計參數；6)重復步驟4)到步驟5)直到符合精度要求或迭代次數達到最大，保留誤差最小的模擬回波信號；7)若迭代次數達到最大時依舊不符合精度要求，則利用保留的誤差最小的模擬回波信號與實際回波信號進行差值處理，得到差值波形；8)對步驟7)得到的差值波形提取雙程時延；9)利用之前步驟得到的所有時延信息，重復步驟3)到步驟8)，得到最優模擬回波信號，此時參數即為模型參數。通過上述步驟，可獲得基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法。步驟2)中，設置循環控制變量初始值為T0，初始化各層介質介電常數的估計值εj，再根據雙程時延信息和波速公式得到各層介質的估計厚度，波速公式表示為：其中dj,εj和tj分別表示第j層介質的厚度、介電常數和在該介質層中的雙程時延，c為真空中的波速；步驟3)中，利用步驟2)得到的參數估計值結合時域有限差分方法對構建的層狀介質模型進行正演，獲得模擬回波信號rmodel(i)，根據誤差公式得到模擬回波信號與實際回波信號的誤差大小，誤差公式為：其中rreal(i)為實際回波信號，rmodel(i)為模擬回波信號，i為采樣點。步驟4)中，將步驟3)得到的當前誤差S'與最大允許誤差對比，若當前誤差S'小，說明反演波形正確，估計的參數信息即為被測模型參數信息；若當前誤差S'大，則讓當前誤差S'與上一次的誤差S對比，S初始設置為1，若前者小，則接受當前估計的參數信息；若前者大，計算ΔS＝S'-S并同時產生一個(-1,1)區間上的隨機數ξ，比較exp(-ΔS/T)和ξ的大小，如果exp(-ΔS/T)大，也接受當前估計的參數信息，否則，不接受，其中T為循環控制變量。步驟5)中，依據改進的擾動模型對估計參數進行干擾，產生新的估計參數，改進的擾動模型為：ε'＝ε+(Tk/T0)b·sgn(ζ-0.5)(εmax-εmin)(3)其中ε'表示擾動后模型介電常數，ε為擾動前的模型介電常數，Tk為循環控制變量的當前值，T0為循環控制變量的初始值，b為常數，sgn為符號函數，ζ為(0,1)區間上的隨機值，εmax和εmin分別表示模型介電常數可取的最大值和最小值；步驟7)中，若迭代次數達到最大時依舊不符合精度要求，則利用保留的誤差最小的模擬回波信號與實際回波信號進行差值處理，差值處理公式為：r(i)＝rreal(i)-rmodel(i)(4)上述方案中，所述模擬回波信號和實測回波信號均為A-Scan回波數據。有益效果：本專利技術提供了一種基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法，該方法降低技術的法復雜度、提高收斂速度和增強了方法的薄層識別能力問題：1)本專利技術利用電磁波在各介質層中雙程時延的先驗信息，減少了波形反演的參數，降低了算法求解的復雜度，提高了反演效率；2)本專利技術利用非均勻變異思想，通過對模擬退火算法的擾動模型的改進，顯著提高了收斂速度；3)本專利技術通過實際回波信號與模擬回波信號的差值，提取出被強回波覆蓋的時延信息，增強了算法對薄層介質參數反演的適應能力，提高了算法的實用性。附圖說明圖1為實施例中含薄層的水平分層結構五層介質模型；圖2為實施例中模擬回波信號與實際回波信號的A-Scan對比圖；圖3為實施例中通過對所有A-Scan進行波形反演得到的模型厚度的估計值。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本
技術實現思路
作進一步的闡述，但不是對本專利技術的限定。實施例：一種基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法，包括如下步驟：1)如圖1所示構建地下層狀介質模型，通過探地雷達對構建模型進行探測，利用匹配濾波方法處理原始回波信號得到實際回波信號；2)對實際回波信號提取雙程時延信息，設置循環控制變量，初始化各層介質介電常數的估計值，再根據雙程時延信息和波速公式得到各層介質的估計厚度；3)利用估計的參數值對構建模型進行正演，獲得模擬回波信號，并根據誤差公式得到實際回波信號與模擬回波信號的誤差大小；4)將步驟3)得到的當前誤差與最大允許誤差對比，若當前誤差小，說明反演波形正確，估計的參數信息即為被測模型參數信息；若當前誤差大，則按一定規則判定是否接受當前估計的參數信息；5)依據改進的擾動模型對估計參數進行干擾，產生新的估計參數；6)重復步驟4)到步驟5)直到符合精度要求或迭代次數達到最大，保留誤差最小的模擬回波信號；7)若迭代次數達到最大時依舊不符合精度要求，則利用保留的誤差最小的模擬回波信號與實際回波信號進行差值處理，得到差值波形；8)對步驟7)得到的差值波形提取雙程時延；9)利用之前步驟得到的所有時延信息，重復步驟3)到步驟8)，得到最優模擬回波信號，此時參數即為模型參數。圖2所示為模擬回波信號與實際回波信號的A-Scan對比圖，圖3所示為通過對所有A-Scan進行波形反演得到的模型厚度的估計值。步驟2)中，設置循環控制變量初始值為T0，初始化各層介質介電常數的估計值εj，再根據雙程時延信息和波速公式得到各層介質的估計厚度，波速公式表示為：其中dj,εj和tj分別表示第j層介質的厚度、介電常數和在該介質層中的雙程時延，c為真空中的波速；本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法，其特征是，包括如下步驟：1)構建地下層狀介質模型，通過探地雷達對構建模型進行探測，利用匹配濾波方法處理原始回波信號得到實際回波信號；2)對實際回波信號提取雙程時延信息，設置循環控制變量，初始化各層介質介電常數的估計值，再根據雙程時延信息和波速公式得到各層介質的估計厚度；3)利用估計的參數值對構建模型進行正演，獲得模擬回波信號，并根據誤差公式得到實際回波信號與模擬回波信號的誤差大小；4)將步驟3)得到的當前誤差與最大允許誤差對比，若當前誤差小，說明反演波形正確，估計的參數信息即為被測模型參數信息；若當前誤差大，則按一定規則判定是否接受當前估計的參數信息；5)依據改進的擾動模型對估計參數進行干擾，產生新的估計參數；6)重復步驟4)到步驟5)直到符合精度要求或迭代次數達到最大，保留誤差最小的模擬回波信號；7)若迭代次數達到最大時依舊不符合精度要求，則利用保留的誤差最小的模擬回波信號與實際回波信號進行差值處理，得到差值波形；8)對步驟7)得到的差值波形提取雙程時延；9)利用之前步驟得到的所有時延信息，重復步驟3)到步驟8)，得到最優模擬回波信號，此時參數即為模型參數。...

【技術特征摘要】
1.一種基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法，其特征是，包括如下步驟：1)構建地下層狀介質模型，通過探地雷達對構建模型進行探測，利用匹配濾波方法處理原始回波信號得到實際回波信號；2)對實際回波信號提取雙程時延信息，設置循環控制變量，初始化各層介質介電常數的估計值，再根據雙程時延信息和波速公式得到各層介質的估計厚度；3)利用估計的參數值對構建模型進行正演，獲得模擬回波信號，并根據誤差公式得到實際回波信號與模擬回波信號的誤差大小；4)將步驟3)得到的當前誤差與最大允許誤差對比，若當前誤差小，說明反演波形正確，估計的參數信息即為被測模型參數信息；若當前誤差大，則按一定規則判定是否接受當前估計的參數信息；5)依據改進的擾動模型對估計參數進行干擾，產生新的估計參數；6)重復步驟4)到步驟5)直到符合精度要求或迭代次數達到最大，保留誤差最小的模擬回波信號；7)若迭代次數達到最大時依舊不符合精度要求，則利用保留的誤差最小的模擬回波信號與實際回波信號進行差值處理，得到差值波形；8)對步驟7)得到的差值波形提取雙程時延；9)利用之前步驟得到的所有時延信息，重復步驟3)到步驟8)，得到最優模擬回波信號，此時參數即為模型參數。2.根據權利要求1所述基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法，其特征在于，步驟2)中，設置循環控制變量初始值為T0，初始化各層介質介電常數的估計值εj，再根據雙程時延信息和波速公式得到各層介質的估計厚度，波速公式表示為：dj=12×cϵj×tj---(1)]]>3.根據權利要求1所述基于模擬退火算法的層狀介質的波形反演方法，其特征在...

【專利技術屬性】
技術研發人員：歐陽繕，呂昌民，謝躍雷，晉良念，劉慶華，姚連明，李浩然，汪瑞，李貝貝，王魯豫，
申請(專利權)人：桂林電子科技大學，
類型：發明
國別省市：廣西;45