[發明專利]基于探地雷達的土壤分層信息識別方法和裝置

在審

• 申請號: 202110567368.6
• 申請日: 2021-05-24
• 公開（公告）號: CN113391283A
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 李俐;許佳薇;黃健熙;謝小曼;張遷遷;蔣朝為;白鐵成;苗雙喜
• 申請（專利權）人: 中國農業大學;塔里木大學
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41;G01S13/88
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 宋玉環

1.一種基于探地雷達的土壤分層信息識別方法，其特征在于，所述方法包括：

在作業區進行探地雷達回波信號采集；

對獲得的探地雷達回波信號進行預處理，得到目標回波信號r(t)；

使用卡爾曼濾波對目標回波信號r(t)進行重構，計算所述重構后目標回波信號r_p(t)對應的解析信號R(t)的維格納-威利分布WVD(t，ω)，計算瞬時頻率ω(t)；對ω(t)作積分，得到瞬時相位識別相位跳變，確定土壤分界面的時域位置，計算第i層電磁波雙程時延Δτ_i；

構建CNN神經網絡，并利用已知作業區的樣本數據進行CNN網絡調參、訓練；對所述目標回波信號r(t)進行小波變換，得到第i層特征量T_i；利用土壤水分傳感器讀取第i層土壤含水量S_i；將T_i、S_i輸入訓練好的CNN模型，得到第i層土壤介電常數ε_i；基于第i層土壤介電常數ε_i，得到電磁波在第i層中的傳播速度v_i；

基于所確定的土壤分界面的時域位置和電磁波在第i層中的傳播速度v_i，確定土壤第i層厚度Δh_i，實現對土壤分層信息的識別。

2.根據權利要求1所述的基于探地雷達的土壤分層信息識別方法，其特征在于，所述預處理包括：增益處理、濾波處理與降噪處理，所述濾波處理包括：通過均值法去除背景的影響；通過帶通濾波去除外界射頻信號的干擾；以及通過中值法去除來自地面反射的直達波。

3.根據權利要求1所述的基于探地雷達的土壤分層信息識別方法，其特征在于，所述解析信號R(t)、解析信號R(t)的維格納-威利分布WVD(t，ω)、瞬時頻率ω(t)、瞬時相位第i層對應的電磁波雙程時延Δτ_i的計算過程如下：

對所述重構后目標回波信號r_p(t)作希爾伯特變換：

計算重構后目標回波信號r_p(t)對應的解析信號R(t)：

計算解析信號R(t)的維格納-威利分布WVD(t，ω)：

其中，為解析信號R(t)的自相關函數，t表示時間，τ表示時間延遲，則重構后目標回波信號的瞬時頻率ω(t)：

對瞬時頻率ω(t)作積分，得到瞬時相位

分析重構后目標回波信號瞬時相位譜，識別瞬時相位跳變，得到第i層對應的電磁波雙程時延Δτ_i。

4.根據權利要求1所述的基于探地雷達的土壤分層信息識別方法，其特征在于，所述方法還包括：構建和訓練CNN模型，所述構建和訓練CNN模型包括：

獲取已知作業區探地雷達回波信號，并對所述探地雷達回波信號進行預處理，得到樣本探地雷達回波信號r(t)；獲取土壤剖面數據；獲取第i層土壤的介電常數ε_i；獲取土壤水分信息，得到第i層土壤含水量S_i；

對樣本探地雷達回波信號r(t)進行小波變換，得到土壤第i層特征量T_i；

構建卷積神經網絡CNN模型；

將所述特征量T_i、所述土壤含水量S_i以及所述土壤介電常數ε_i輸入卷積神經網絡CNN模型，優化模型參數，得到訓練好的卷積神經網絡CNN模型。