[发明专利]一种基于非单调线搜索的探地雷达参数反演方法

说明书

本发明公开了一种基于非单调线搜索的探地雷达参数反演方法，包括建立真实模型和初始模型，并以真实模型和初始模型构建目标函数，求取函数中介电常数的梯度和电导率的梯度以及计算介电常数的步长和电导率的步长，并更新介电常数模型和电导率模型，并基于新模型重新提取数据，作为新的理论数据，重新计算目标函数值；判断新的目标函数值是否满足非单调线性搜索条件和判断反演过程是否符合终止条件，本发明使用非单调下降的模型更新方法，仅要求目标函数值在有限步内降低，进而提高了反演的收敛速率，同时该方法中较宽松的收敛条件也降低了反演陷入局部极小点的可能，从而保障探地雷达全波形反演的稳定性和时效性。

技术领域

本发明涉及探地雷达成像技术领域，具体为一种基于非单调线搜索的探地雷达参数反演方法。

背景技术

探地雷达是一种高效且具有较高分辨率的无损检测手段，可应用于地下结构探测、地质灾害评估、土壤地质信息评定、烃类污染检测等许多方面。探地雷达可通过拾取雷达剖面上的典型特征并辅以人工判断进行异常体识别，进而确定被检测体的异常分布。但该方法不适用于地下结构复杂的情况，当地下存在多种形态目标体时，剖面特征会相互叠加，导致异常体难以判断，甚至有时由于不同目标体的特征相似而难以识别，从而无法获得地下目标体的准确分布。参数反演方法以介质的电性差异为基础进行地下成像，可以清晰地反映被检测体的空间分布情况，其中，全波形反演方法是近几年来比较热门的一种参数反演方法。

Ernst(2006)实现了时间域探地雷达全波形反演，并对亚波长异常体进行了精准定位；Meles(2010)利用钻孔雷达全波形反演获得了河边较清晰的地下地层结构；胡周文(2018)利用全波形反演对混凝土进行了无损检测，冯德山(2018)等利用GPU并行实现了雷达数据的双参数反演，可见雷达数据的全波形反演是可行的。

尽管全波形反演可以较好的提高探地雷达的分辨率，但反演本身也有一定的局限性；一方面，全波形反演使用局部优化算法进行模型优化，其弊端是当反演的初始模型精度不足时，全波形反演会由于初始波形和理论波形间较大的差异而陷入局部极小点，从而导致反演失败；另一方面，全波形反演由于涉及的数据量较大，其本身运算耗时就比较久，再加上模型的更新往往要求单调下降，导致反演的计算效率不高，不满足探地雷达的时效性要求；所以急需一种基于非单调线搜索的探地雷达参数反演方法来解决上述问题，

发明内容

本发明提供一种能提高反演的计算效率，同时避免反演陷入局部极小点基于非单调线搜索的探地雷达参数反演方法，可以有效解决上述背景技术中提出的现有技术反演易陷入局部极小点和无法满足雷达的时效性”的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于非单调线搜索的探地雷达参数反演方法，包括如下步骤：

步骤一、建立探地雷达全波形反演的真实模型，并在真实模型基础上进行正演模拟并抽取道集得到观测数据；

步骤二、建立探地雷达全波形反演的初始模型并设定反演终止精度，在初始模型基础上进行正演模拟并抽取道集以获得理论数据；

步骤三、构建目标函数，并采用二范数形式表示：

其中，D_cal表示理论数据，D_obs表示观测数据；

步骤四、对目标函数求一阶导数，求取介电常数的梯度和电导率的梯度以及计算介电常数的步长和电导率的步长；

步骤五、更新介电常数模型和电导率模型，并基于新模型重新提取数据，作为新的理论数据，重新计算目标函数值；

步骤六、判断新的目标函数值是否满足非单调线性搜索条件，若不满足搜索条件，则重新计算步长直至满足搜索条件；