[发明专利]一种基于CMP模型与参数搜索OMP算法的分层介质参数反演方法

说明书

本发明涉及一种基于CMP模型与参数搜索OMP算法的分层介质参数反演方法，属于探地雷达技术领域，尤其涉及对分层介质场景的参数反演。采用OMP算法与参数搜索代价函数相联合的稀疏求解策略，首先基于OMP算法估计离格介质参数，然后在OMP算法的迭代内部，基于参数搜索代价函数消除字典失配效应，然后进行分道残差更新、逐层字典更新，实现介质参数精确反演。

技术领域

本发明涉及一种基于CMP模型与参数搜索OMP算法的分层介质参数反演方法，属于探地雷达技术领域，尤其涉及对分层介质场景的参数反演。

背景技术

随着市政交通的快速发展，城市干道的交通路况日益复杂，路面塌陷、裂缝危害等道路病害问题层出不穷，存在一定的安全隐患，这一问题为实时、高效检测路面结构情况的研究提出了挑战。

传统对于路面结构的测量方法包含取芯法，即从道路上钻取芯样，评定结构质量，但是取芯的成本高、效率低，且破坏了路面结构，是传统测量方法的重大弊端。以探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)技术为代表的电磁勘探方法解决了取芯的弊端，具有探测速度快、穿透能力强、分辨率高的特点，被广泛应用于地下勘探、道路检测、建筑监测等领域。基于探地雷达的参数反演方法实现对介质厚度、介电常数等结构信息的精确估计，为道路病害、建筑结构损伤提供了高效的检测与预防手段，也为后续的地下目标成像和识别检测提供精准的参数信息。

针对道路等经典分层场景的介质参数估计问题，基于共中心点(Common MiddlePoint,CMP)数据的参数反演方法包含共中心点法、速度谱法、机器学习等。共中心点法基于地下多层介质的建模，构建不同收发偏移距下电磁波在介质层中的传播路径，建立各个层反射波的传播方程组，求解方程估计层参数，但是在层数较多的情况下传播方程组的求解十分复杂，具有极大的计算量。速度谱法首先通过假设电磁波在介质中的传播速度，构建不同速度下的反射波轨迹，在B-scan中进行对应双曲线轨迹的幅值叠加，绘制得到传播速度与时延的相干功率谱图，拾取谱图中的分层反射波响应，利用Dix公式实现参数反演，但是受到信号震荡特性与分层介质内部多次反射波的影响，速度谱图存在许多干扰，难以准确获取分层响应。机器学习的参数反演方法基于SVM或神经网络的结构，进行数据集的训练与学习，在测试数据与训练数据属于相似特征分布时可以达到精确的反演效果，但是实际场景中分层介质可能受到表面粗糙度、介质均匀性、外部物体干扰等其他因素影响，导致特征分布难以统一，大大降低神经网络的泛化能力，而无法适用于复杂的工程场景。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于CMP模型与参数搜索OMP算法的探地雷达分层介质参数反演方法。本发明针对传统时延估计信号模型仅适用于一维A-scan波形以及反演结果仅含时延信息的问题，将共偏移距的信号模型推广到CMP模型，基于OMP算法实现反射波时延与分层介质参数的联合反演；针对OMP存在的字典失配效应，构建离格补偿的参数搜索代价函数，建立参数搜索OMP算法，实现对于分层介质的精确参数估计。

本发明的技术解决方案是：

一种基于CMP模型与参数搜索OMP算法的分层介质参数反演方法，针对传统时延估计信号模型仅适用于一维A-scan波形以及反演结果仅含时延信息的问题，将共偏移距的信号模型推广到CMP模型，基于OMP算法实现反射波时延与分层介质参数的联合反演；针对OMP存在的字典失配效应，构建离格补偿的参数搜索代价函数，建立参数搜索OMP算法，实现对于分层介质的精确参数估计，该方法基于步进频回波信号，通过以下步骤实现：

步骤1，构建多层CMP模型的传播时延，方法为：

(1)基于单层CMP模型，入射电磁波在单层介质底部存在反射现象，第1个分层界面反射波的传播时延表示为：