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原文传递一种公路介质参数反演方法

专利名称：	一种公路介质参数反演方法
摘要：	本发明公开了一种公路介质参数反演方法，建立公路铺设层状介质模型，选择天线工作高度；确定收发天线的初始位置、移动步长、测量点数，记录每个测量点位置，在每个测量点上采集探地雷达回波信号；从探地雷达回波信号中提取直达波、地波以及各个界面反射波双程走时；根据天线工作高度和地波与直达波的双程走时差，计算得到面层介电常数，根据面层反射电磁波双程走时，利用CMP法计算得到面层厚度；在CMP法中引入路径搜索过程，在各层分界面上选取电磁波传播折射点，使该条路径对应的双程走时最短；使用遗传算法求解方程，计算出基层的厚度和介电常数。本发明提高了参数反演的精度和效率，为公路质量监测提供一种无损、快速、准确的方法。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	哈尔滨工程大学
发明人：	李一兵;李思旗;叶方;田园;汤春瑞;孙骞
专利状态：	有效
申请日期：	2022-10-24T00:00:00+0800
发布日期：	2023-01-13T00:00:00+0800
申请号：	CN202211305405.7
公开号：	CN115597530A
分类号：	G01B15/02;G01R27/26;G01S7/41;G01S13/88;G06N3/12;E01C23/01;G;E;G01;G06;E01;G01B;G01R;G01S;G06N;E01C;G01B15;G01R27;G01S7;G01S13;G06N3;E01C23;G01B15/02;G01R27/26;G01S7/41;G01S13/88;G06N3/12;E01C23/01
申请人地址：	150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学科技处知识产权办公室
主权项：	1.一种公路介质参数反演方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立公路铺设层状介质模型，包括面层、基层和垫层，面层和基层分界面为第一界面，基层和垫层分界面为第二界面；步骤2：在步骤1得到的层状介质模型下，根据公路表面电磁波传播速度与收发天线的高度关系选择天线工作高度；步骤3：在选定路段确定收发天线的初始位置、移动步长、测量点数，记录每个测量点的位置，并在每个测量点上采集探地雷达回波信号；步骤4：从探地雷达回波信号中提取直达波、地波以及各个界面反射波的双程走时；步骤5：根据所述天线工作高度和地波与直达波的双程走时差，计算得到面层的介电常数，根据第一界面反射电磁波的双程走时，利用CMP法计算得到面层的厚度；步骤6：根据步骤4得到的第二界面反射波与直达波的双程走时差，将各个测量点双程走时的表达式转换成关于基层介电常数和层厚的方程，在CMP法中引入路径搜索过程，在各层分界面上选取电磁波传播的折射点，使该条路径对应的双程走时最短；使用遗传算法求解方程，计算出基层的厚度和介电常数。 2.根据权利要求1所述的一种公路介质参数反演方法，其特征在于：使用GPRMax软件模拟公路铺设情况，建立层状介质模型。 3.根据权利要求1所述的一种公路介质参数反演方法，其特征在于：步骤2所述根据公路表面电磁波传播速度与收发天线的高度关系选择天线工作高度具体为：步骤2.1：控制收发天线的距离不变，改变天线距离路面的高度，从回波信息中提取直达波的走时；步骤2.2：改变天线工作高度，并计算相应高度下电磁波在空气中的传播速度，当波速与光速的误差小于预设值时，此时的天线高度即为合适的工作高度。 4.根据权利要求1所述的一种公路介质参数反演方法，其特征在于：步骤4所述从探地雷达回波信号中提取直达波、地波以及各个界面反射波的双程走时具体为：取各个测量点的回波信号，记录直达波波峰对应的采样点数Nd、地波对应的采样点数Ng、第一个界面反射波波峰对应的采样点数N1、第二个界面反射波波峰对应的采样点数N2，直达波的双程走时td具体为： td＝Nd/Δf 地波的双程走时tg具体为： tg＝Ng/Δf 第一界面反射波的双程走时t1具体为： t1＝N1/Δf 第二界面反射波的双程走时t2具体为： t2＝N2/Δf 其中，Δf为信号的采样率。 5.根据权利要求1所述的一种公路介质参数反演方法，其特征在于：所述面层的介电常数具体为：其中，c是电磁波在空气种的传播速度，Δt0是地波与直达波的时间差，Δt0＝tg-td，L是收发天线距离的一半，h是步骤二得到的天线工作高度。 6.根据权利要求1所述的一种公路介质参数反演方法，其特征在于：所述利用CMP法计算得到面层的厚度具体为：其中，c是电磁波在空气种的传播速度，t1是第一界面反射波的双程走时，εr1是面层的介电常数，L是收发天线距离的一半。 7.根据权利要求1所述的一种公路介质参数反演方法，其特征在于：步骤6包括：步骤6.1：根据第二界面反射波与直达波的双程走时差，将各个测量点双程走时的表达式转换成关于基层介电常数和厚度的方程，并引入路径搜索过程： εr1,εr2分别为面层和基层介质的介电常数，d1,d2分别为面层和基层介质的厚度，Li为第i个测量点与建立模型路段长度中点的水平距离，x1i为第i个测量点的电磁波在第一界面的折射点与建立模型路段长度中点的水平距离，x2i为第i个测量点的电磁波在第二界面的折射点与建立模型长度建立模型路段长度中点的水平距离，Δti为第i个测量点接收到的第二界面反射波与直达波走时差；min项是改进后的CMP法对应的电磁波路径搜索过程，通过选择电磁波在各层分界面上传播的折射点，使该条路径对应的双程走时最短；所述各个测量点双程走时的表达式为：其中，L是收发天线距离的一半，c是电磁波在空气种的传播速度，x1，x2分别为电磁波在第一界面和第二界面的折射点；v1为电磁波在面层传播的速度，v2为电磁波在基层传播的速度；步骤6.2：将各个测量点关于基层介电常数和厚度的方程转化为关于基层介电常数和厚度的代价函数方程： wt为代价函数中用于补偿两项值差异的加权系数；步骤6.3：使用遗传算法来求取基层介电常数和厚度,以基层介电常数和厚度[εr2,d2]作为优化对象，以x＝[εr2,d2]和X＝[x1,x2,…,xM]作为个体与种群，个体总量为M；根据建立模型路段设置的先验条件，在参数的约束范围内随机获取个体，构成初代种群，初始化后的初代种群，进行适应度函数计算，将步骤6.2得到的代价函数的倒数作为遗传算法的适应度函数，并根据适应度数值大小采取轮盘赌选择法，经过单点交叉、基本位变异的遗传步骤构成高适应度的子代，再进行种群迭代，寻找种群中适应度最高的个体，输出对应的基层介电常数和厚度的理想解[εr2,d2]。 8.根据权利要求1至7所述的任一公路介质参数反演方法，其特征在于：将参数反演结果面层厚度、介电常数和基层的厚度、介电常数用于公路的质量评估。