探地雷達三維高分辨成像與樹根參數(shù)估計.pdf

1、探地雷達(Ground Penetrating Radar, GPR)是一種利用電磁波對地下目標進行無損探測的技術(shù)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，GPR被越來越頻繁地用于地下目標三維重構(gòu)以及目標特征分析，這對GPR三維成像技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)據(jù)解譯能力的提高提出了迫切的要求。樹根生物量的估計屬于生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究范疇，而 GPR在樹根無損探測及生物量估計方面已顯現(xiàn)出巨大的潛力。本文以地下根系為研究對象，從GPR數(shù)據(jù)的三維高分辨成像和樹根生物量估計兩

2、方面切入，進行了深入的研究。
　　首先研究了基于矩形網(wǎng)格采樣GPR數(shù)據(jù)的三維高分辨成像算法。高分辨成像的意義在于成像結(jié)果能無失真地恢復(fù)地下目標的三維結(jié)構(gòu)，因此，本文提出了矩形網(wǎng)格采樣的Nyquist空間采樣定理以及兩種采樣間隔的預(yù)估方法。針對傳統(tǒng)矩形網(wǎng)格采樣測量時間長，精度不高的缺點，本文使用具有精確定位裝置的3D-GPR系統(tǒng)來完成二維掃描，顯著地克服了傳統(tǒng)方法的缺點。由于樹根這類圓柱體目標在電磁波探測中具有明顯的去極化效應(yīng)，而商

3、用GPR設(shè)備多采用線極化天線，矩形網(wǎng)格采樣GPR數(shù)據(jù)的成像結(jié)果受到了嚴重影響。針對這一問題，本文提出了GPR圓周掃描方式，有效地去除去極化效應(yīng)對根系成像結(jié)果的影響。
　　其次提出了基于GPR圓掃的極坐標采樣方式，定義了新的采樣幾何模型，并理論推導(dǎo)了新采樣方式應(yīng)滿足的Nyquist空間采樣條件。對于極坐標采樣GPR數(shù)據(jù)，本文提出了四種不同的實現(xiàn)三維高分辨成像的技術(shù)路線，并逐一進行了理論研究和公式推導(dǎo)。根據(jù)仿真實驗的結(jié)果，所提的波數(shù)域

4、FBP(Filtered Back Projection)三維成像算法兼具較高的運算效率和較好的成像精度。此外，本文設(shè)計開發(fā)了圓周掃描GPR系統(tǒng)，利用樹根實測數(shù)據(jù)檢驗了所提的極坐標采樣方式和波數(shù)域FBP成像算法的有效性。
　　在利用GPR進行樹根生物量估計方面，本文依據(jù)根直徑與生物量的正相關(guān)性，提出利用樹根回波雙曲線來估計根直徑，從而間接地估計生物量。根直徑的估計建立在收發(fā)天線分置的回波雙曲線模型基礎(chǔ)之上，利用改進的Levenbe

5、rg-Marquardt算法，以最小二乘為最優(yōu)化求解準則，依次估計出模型中四個未知參量，最終得到樹根直徑的最優(yōu)化估計值。此外，本文提出利用逆 Q濾波來校正因土壤有耗色散特性導(dǎo)致的波形畸變，以提高雙曲線樣本點提取的精度，從而減小根直徑最優(yōu)化估計結(jié)果的誤差。
　　最后研究了3D-GPR系統(tǒng)獲得的野外松樹根系的三維高分辨GPR數(shù)據(jù)。根據(jù)實際樹根GPR數(shù)據(jù)的特點，本文提出了基于迭代搜索的三維粗根檢測方法。粗根檢測的起始位置定在了主根位置，