專利名稱：基于系統辨識理論的機場道面介質層電磁特性的反演方法
技術領域：
本發明屬于機場道面無損檢測技術領域，特別是涉及一種基于系統辨識理論的機場道面介質層電磁特性的反演方法。
背景技術：
機場道面介質層電磁特性、厚度及脫空狀況是評價機場場道質量的重要因素，對提高機場道面承載能力、延長道面使用壽命、保證機場安全運營具有重要的意義。探地雷達 (Ground Penetrating Radar,GPR)作為一種高分辨率、高精度、高速度的無損探測技術，已廣泛應用于道面狀況、跟蹤道面變化、檢測道面病害等方面的評價。機場道面結構層厚度的計算是探地雷達在機場道面檢測中的一個重要應用。為了準確地計算出道面下介質層厚度及被測目標深度，需要計算電磁波在道面下介質層中的傳播速度，為此要能夠較為精確地反演出道面介質層的電磁參數。基于探地雷達的地下介質電磁特性反演方法主要包括層剝反演和基于接收信號模型的電磁反演兩種，但這兩種方法的缺點是均未考慮地下介質層的損耗特性。近幾年，大多研究圍繞基于雷達波正演模型來反演有耗介質層的電磁特性。其中主要包括基于高斯-牛頓的迭代算法及基于常規的系統辨識方法。雖然基于高斯-牛頓的迭代算法得到了介質介電常數隨頻率的變化關系，但缺點是該算法只限于單層介質。基于常規的系統辨識方法實現了單層及多層介質介電常數和厚度的聯合反演，該算法將系統辨識理論引入到路面結構層電磁特性反演中，從而能夠基于有效的參數調整算法來解決雷達波模擬合成信號和實測信號的擬合問題。該方法所建立的電磁波在多層介質中的傳輸模型認為介質層介電常數虛部是發射脈沖帶寬內各頻率分量所對應虛部的一個綜合效應，即介電常數虛部是一個與頻率無關的常量，因而介質層介電常數的估計精度會受到一定程度的影響；電磁波在各結構層中的傳輸時間是根據雷達接收波形直接搜索得到的，若實現回波信號時延估計，則要求各回波能夠完全分開且具有一定的強度。在實際的機場道面結構中，為找平基層表面，保證面層的厚度均勻，一般在混凝土面層與基層之間有一個找平薄層，此時該薄層的回波信號與表層回波不能完全分開。因此基于該方法將無法得到薄層的回波時延及其厚度的反演。

發明內容
為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種精度高、考慮發射帶寬內各頻率分量對介質層介電常數的影響、同時引入高分辨率參數估計方法WRELAX估計回波時延的基于系統辨識理論的機場道面介質層電磁特性的反演方法。為了達到上述目的，本發明提供的基于系統辨識理論的機場道面介質層電磁特性的反演方法包括按順序進行的下列步驟(1)建立電磁波在機場道面介質層中傳輸的傳輸模型，得到探地雷達在層狀介質中的模擬回波信號；
(2)基于系統辨識方法實現機場道面介質層的介電常數及電導率的估計；(3)基于超分辨率參數估計WRELAX方法估計雷達接收回波信號的時延，并根據介質層介電常數及回波時延反演介質層厚度。在實現機場道面檢測的探地雷達系統中，所述的發射脈沖信號為Ricker波形， Ricker脈沖的中心頻率在700MHz到IGHz之間。本發明提供的基于系統辨識理論的機場道面介質層電磁特性的反演方法是首先建立一個合理的電磁波在道面下多層介質中的傳輸模型來模擬未知系統，所建立的傳輸模型考慮了探地雷達發射信號帶寬內各個頻率分量對介質層介電常數虛部的影響，即引入了介質層介電常數虛部、電導率及信號頻率之間的關系，從而獲得模型數據，同時提高了介質層介電常數的估計精度，然后通過迭代過程修改模型參數，使模型數據與實際系統輸出數據之間的誤差在某種意義下達到最小，從而得到道面下介質層介電常數及電導率的估值。 最后利用基于超分辨率參數估計WRELAX算法估計接收回波信號的時延，進而得到機場道面介質層厚度的估值。本發明能分別在含有找平薄層及不含找平薄層的機場道面結構中實現道面介質層介電常數、電導率及其厚度的估計，同時可以提高介質層介電常數的估計精度，解決了機場道面檢測中的一個關鍵問題，因此對保證機場安全運營具有重要的意義。


圖1為本發明提供的基于系統辨識理論的機場道面介質層電磁特性的反演方法流程圖。圖2為探地雷達接收的不含找平薄層的機場道面回波信號波形圖。圖3為探地雷達接收的含找平薄層的機場道面回波信號波形圖。
具體實施例方式下面參照附圖和具體實施例對本發明提供的基于系統辨識理論的機場道面介質層電磁特性的反演方法進行詳細說明。如圖1所示，本發明提供的基于系統辨識理論的機場道面介質層電磁特性的反演方法包括按順序進行的下列步驟(1)建立電磁波在機場道面介質層中傳輸的傳輸模型，得到探地雷達在層狀介質中的模擬回波信號；當探地雷達天線發射出的電磁波到達機場道面時，其波前可近似看成為平面，且當收發天線間距很近及道面傾角很小時，發射波波前可近似看作與道面垂直。根據探地雷達電磁波的波動方程及其傳輸特性，當同時考慮電磁波在介質層交界面上的反射、折射及其在介質層中傳播的能量衰減(介質層電導率的影響)時，對于N層介質，電磁波在其中傳輸時所對應的傳輸函數可以表示為
權利要求
1.一種基于系統辨識理論的機場道面介質層電磁特性的反演方法，其特征在于所述的反演方法包括按順序進行的下列步驟(1)建立電磁波在機場道面介質層中傳輸的傳輸模型，得到探地雷達在層狀介質中的模擬回波信號；(2)基于系統辨識方法實現機場道面介質層的介電常數及電導率的估計；(3)基于超分辨率參數估計WRELAX方法估計接收回波信號的時延，并根據介質層介電常數及回波時延反演介質層厚度。
2.根據權利要求1所述的基于系統辨識理論的機場道面介質層電磁特性的反演方法， 其特征在于在實現機場道面檢測的探地雷達系統中，所述的發射脈沖信號為Ricker波形，Ricker脈沖的中心頻率在700MHz到IGHz之間。
全文摘要
本發明公開了一種基于系統辨識理論的機場道面介質層電磁特性的反演方法。主要涉及機場道面結構層介電常數、電導率及其厚度的估計。本發明首先建立電磁波在道面結構層中傳輸的傳輸模型，傳輸模型中考慮了發射帶寬內各個頻率分量對介質層介電常數虛部的影響，同時引入超分辨率參數估計WRELAX算法估計雷達接收回波信號的時延，進而基于系統辨識理論實現了機場道面結構層電磁特性的反演。本發明能分別在含有找平薄層及不含找平薄層的機場道面結構中實現道面介質層介電常數、電導率及其厚度的估計，同時可以提高介質層介電常數的估計精度，解決了機場道面檢測中的一個關鍵問題，因此對保證機場安全運營具有重要的意義。
文檔編號G01B7/06GK102495293SQ201110369909
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月21日 優先權日2011年11月21日
發明者何煒琨, 劉家學, 吳仁彪 申請人:中國民航大學