[發明專利]一種層狀介質介電常數和厚度同時反演算法

有效

• 申請號: 201710293854.7
• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN107305226B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 劉海;龍志軍;邢邦安;陳強;韓峰;朱錦鋒;柳清伙
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26;G01B7/06
• 代理公司: 廈門市新華專利商標代理有限公司 35203
• 代理人: 朱凌

本發明一種層狀介質介電常數和厚度同時反演算法，利用菲涅爾定律及射線跟蹤原理，考慮到電磁波在不同介質中的折射性質，精準計算出不同天線收發偏移距下信號旅行時的值；對于多層層狀介質的探測，將計算得到的上一層的電磁參數作為已知，迭代反演出以下多層層狀介質的介電常數和厚度，解決了傳統的速度譜反演算法對于多層層狀介質反演的精度不夠的問題。

技術領域

本發明屬于公路路面結構無損檢測的技術領域，具體涉及一種層狀介質介電常數和厚度同時反演算法。

背景技術

公路路面結構無損檢測技術是一項具有挑戰性的研究，眾多的科學技術致力于解決這個問題。探地雷達是一種新型的無損檢測技術，由于其具有快速、高精度、高分辨率等特點，已經發展成為公路路面無損檢測最重要的技術手段。

精準的公路面層厚度信息以及公路瀝青層/混凝土層介電常數的變化對道路質量的控制、結構性能的評價以及道路壽命的預測都有著十分重要的意義。速度譜反演算法是探地雷達領域探測分析層狀介質的一種常用方法，它通過反演出電磁波在層狀介質的速度，從而可計算出分層介質的介電常數和厚度。但就目前的研究狀況來看，對于多層層狀介質，傳統的速度譜反演算法在計算傳輸信號的旅行時沒有考慮電磁波在不同介質中的折射，而是將傳播路徑近似為直線，因此速度譜計算結果不夠精確，反演出來的速度會略大于真實值。

發明內容

本發明的目的在于提供一種層狀介質介電常數和厚度同時反演算法，通過反演出電磁波在多層層狀介質中的不同速度，從而精確計算出分層結構的介電常數和厚度，以提高多層層狀介質探測精度。

本發明一種層狀介質介電常數和厚度同時反演算法，包括如下步驟：

步驟1、計算電磁波從發射源S至接收點G傳輸信號各路徑的旅行時t_k：

電磁波從發射源S到接收點G在層狀介質中傳播，由菲涅爾定律及射線跟蹤原理，計算得到電磁波的發射源S與接收點G的偏移距Δ為：

其中，是射線參數，θ_k、v_k、h_k分別是傳輸信號在第k層層狀介質的入射角、傳輸速度、第k層層狀介質的層厚，層狀介質共分M層，對于給定發射源S與接收點G的偏移距Δ₀，式(1)寫成關于射線參數p的非線性方程：

通過牛頓迭代法解此方程得到p，從而計算出傳輸信號各路徑的旅行時t_k：

步驟2、將傳輸信號各路徑的旅行時t_k應用于速度譜反演算法,得到電磁波在各層狀介質中的真實速度：

在速度譜反演算法中，采用時域信號互相關公式疊加各接收信號：

其中，t_i和t_j分別代表第i，j個信號接收點時域信號f(t)的時間，f(t)是表示接收信號，N是信號接收點總數，τ代表天線相位中心時延，v代表速度譜反演得到的電磁波速度；

當計算的該層的信號旅行時對應上接收信號幅值最大點時，此時速度譜的能量最強，因此，把此點近似為電磁波在此層狀介質中對應的真實速度；

步驟3、改進傳統的速度譜反演算法，分別獲得每層層狀介質的介電常數和厚度：

步驟3.1、判斷分層結構是否為單層層狀介質，若是，則利用單層速度譜反演出該層狀介質的介電常數與厚度，計算結束；若否，對于多層層狀介質，需要借助空氣層，利用空氣層的單層速度譜反演出發射源S離地面的高度；

步驟3.2、將發射源S離地面的高度作為已知參數輸入多層速度譜中，計算出下一層介質的介電常數和厚度；