专利名称：基于系统辨识理论的机场道面介质层电磁特性的反演方法
技术领域：
本发明属于机场道面无损检测技术领域，特别是涉及一种基于系统辨识理论的机场道面介质层电磁特性的反演方法。
背景技术：
机场道面介质层电磁特性、厚度及脱空状况是评价机场场道质量的重要因素，对提高机场道面承载能力、延长道面使用寿命、保证机场安全运营具有重要的意义。探地雷达 (Ground Penetrating Radar,GPR)作为一种高分辨率、高精度、高速度的无损探测技术，已广泛应用于道面状况、跟踪道面变化、检测道面病害等方面的评价。机场道面结构层厚度的计算是探地雷达在机场道面检测中的一个重要应用。为了准确地计算出道面下介质层厚度及被测目标深度，需要计算电磁波在道面下介质层中的传播速度，为此要能够较为精确地反演出道面介质层的电磁参数。基于探地雷达的地下介质电磁特性反演方法主要包括层剥反演和基于接收信号模型的电磁反演两种，但这两种方法的缺点是均未考虑地下介质层的损耗特性。近几年，大多研究围绕基于雷达波正演模型来反演有耗介质层的电磁特性。其中主要包括基于高斯-牛顿的迭代算法及基于常规的系统辨识方法。虽然基于高斯-牛顿的迭代算法得到了介质介电常数随频率的变化关系，但缺点是该算法只限于单层介质。基于常规的系统辨识方法实现了单层及多层介质介电常数和厚度的联合反演，该算法将系统辨识理论引入到路面结构层电磁特性反演中，从而能够基于有效的参数调整算法来解决雷达波模拟合成信号和实测信号的拟合问题。该方法所建立的电磁波在多层介质中的传输模型认为介质层介电常数虚部是发射脉冲带宽内各频率分量所对应虚部的一个综合效应，即介电常数虚部是一个与频率无关的常量，因而介质层介电常数的估计精度会受到一定程度的影响；电磁波在各结构层中的传输时间是根据雷达接收波形直接搜索得到的，若实现回波信号时延估计，则要求各回波能够完全分开且具有一定的强度。在实际的机场道面结构中，为找平基层表面，保证面层的厚度均勻，一般在混凝土面层与基层之间有一个找平薄层，此时该薄层的回波信号与表层回波不能完全分开。因此基于该方法将无法得到薄层的回波时延及其厚度的反演。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种精度高、考虑发射带宽内各频率分量对介质层介电常数的影响、同时引入高分辨率参数估计方法WRELAX估计回波时延的基于系统辨识理论的机场道面介质层电磁特性的反演方法。为了达到上述目的，本发明提供的基于系统辨识理论的机场道面介质层电磁特性的反演方法包括按顺序进行的下列步骤(1)建立电磁波在机场道面介质层中传输的传输模型，得到探地雷达在层状介质中的模拟回波信号；
(2)基于系统辨识方法实现机场道面介质层的介电常数及电导率的估计；(3)基于超分辨率参数估计WRELAX方法估计雷达接收回波信号的时延，并根据介质层介电常数及回波时延反演介质层厚度。在实现机场道面检测的探地雷达系统中，所述的发射脉冲信号为Ricker波形， Ricker脉冲的中心频率在700MHz到IGHz之间。本发明提供的基于系统辨识理论的机场道面介质层电磁特性的反演方法是首先建立一个合理的电磁波在道面下多层介质中的传输模型来模拟未知系统，所建立的传输模型考虑了探地雷达发射信号带宽内各个频率分量对介质层介电常数虚部的影响，即引入了介质层介电常数虚部、电导率及信号频率之间的关系，从而获得模型数据，同时提高了介质层介电常数的估计精度，然后通过迭代过程修改模型参数，使模型数据与实际系统输出数据之间的误差在某种意义下达到最�。佣玫降烂嫦陆橹什憬榈绯Ｊ暗绲悸实墓乐�。 最后利用基于超分辨率参数估计WRELAX算法估计接收回波信号的时延，进而得到机场道面介质层厚度的估值。本发明能分别在含有找平薄层及不含找平薄层的机场道面结构中实现道面介质层介电常数、电导率及其厚度的估计，同时可以提高介质层介电常数的估计精度，解决了机场道面检测中的一个关键问题，因此对保证机场安全运营具有重要的意义。
图1为本发明提供的基于系统辨识理论的机场道面介质层电磁特性的反演方法流程图。图2为探地雷达接收的不含找平薄层的机场道面回波信号波形图。图3为探地雷达接收的含找平薄层的机场道面回波信号波形图。
具体实施例方式下面参照附图和具体实施例对本发明提供的基于系统辨识理论的机场道面介质层电磁特性的反演方法进行详细说明。如图1所示，本发明提供的基于系统辨识理论的机场道面介质层电磁特性的反演方法包括按顺序进行的下列步骤(1)建立电磁波在机场道面介质层中传输的传输模型，得到探地雷达在层状介质中的模拟回波信号；当探地雷达天线发射出的电磁波到达机场道面时，其波前可近似看成为平面，且当收发天线间距很近及道面倾角很小时，发射波波前可近似看作与道面垂直。根据探地雷达电磁波的波动方程及其传输特性，当同时考虑电磁波在介质层交界面上的反射、折射及其在介质层中传播的能量衰减(介质层电导率的影响)时，对于N层介质，电磁波在其中传输时所对应的传输函数可以表示为
权利要求
1.一种基于系统辨识理论的机场道面介质层电磁特性的反演方法，其特征在于所述的反演方法包括按顺序进行的下列步骤(1)建立电磁波在机场道面介质层中传输的传输模型，得到探地雷达在层状介质中的模拟回波信号；(2)基于系统辨识方法实现机场道面介质层的介电常数及电导率的估计；(3)基于超分辨率参数估计WRELAX方法估计接收回波信号的时延，并根据介质层介电常数及回波时延反演介质层厚度。
2.根据权利要求1所述的基于系统辨识理论的机场道面介质层电磁特性的反演方法， 其特征在于在实现机场道面检测的探地雷达系统中，所述的发射脉冲信号为Ricker波形，Ricker脉冲的中心频率在700MHz到IGHz之间。
全文摘要
本发明公开了一种基于系统辨识理论的机场道面介质层电磁特性的反演方法。主要涉及机场道面结构层介电常数、电导率及其厚度的估计。本发明首先建立电磁波在道面结构层中传输的传输模型，传输模型中考虑了发射带宽内各个频率分量对介质层介电常数虚部的影响，同时引入超分辨率参数估计WRELAX算法估计雷达接收回波信号的时延，进而基于系统辨识理论实现了机场道面结构层电磁特性的反演。本发明能分别在含有找平薄层及不含找平薄层的机场道面结构中实现道面介质层介电常数、电导率及其厚度的估计，同时可以提高介质层介电常数的估计精度，解决了机场道面检测中的一个关键问题，因此对保证机场安全运营具有重要的意义。
文档编号G01B7/06GK102495293SQ201110369909
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者何炜琨, 刘家学, 吴仁彪 申请人:中国民航大学
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