基于FastICA的低信噪比探地雷达信号去噪

在背景条件复杂的工区,为了提高探地雷达(GPR)勘探资料解释的准确性和可靠性,利用独立分量分析理论进行了强噪声背景下的探地雷达信号去噪研究。阐述独立分量分析(ICA)基本理论,着重讨论了基于负熵最大化的快速独立分量分析(FastICA)算法。应用FastICA算法对单道探地雷达数据和正演含噪雷达剖面分别进行去噪分析,得到去噪后的探地雷达信号。以湖北恩施彭家寨隧道GPR实测数据为例,将Fast ICA算法应用于探地雷达剖面数据去噪。研究结果表明,将FastICA算法应用于探地雷达信号处理,摆脱了传统方法参数设置的束缚,流程简单,在GPR去噪方面有独特的优势,可较好地对低信噪比的GPR原始数据进行噪声去除,有助于突出探地雷达剖面中异常体特征,达到了提高资料解释准确性和可靠性的目的。     

Shearlet变换在GPR数据随机噪声压制中的应用

随机噪声是探地雷达(ground penetrating radar,GPR)数据处理存在的主要问题之一,直接影响到GPR数据后续处理及最终解释的准确性和可靠性。为了有效地去除随机噪声,同时更好地保留GPR信号的有效信息,本文提出基于Shearlet变换的GPR数据随机噪声去除方法。作为一种非自适应多尺度、多方向性的几何分析方法,Shearlet变换能够近乎最优地表示含奇异点的高维曲线。在Shearlet域,GPR数据能够得到更加稀疏的表示,通过阈值去噪的方法,有效地去除了随机噪声,使信噪比提高了4dB,最大程度地保留了GPR有效信号。利用理论和实际数据进行验证,体现了Shearlet变换阈值去噪方法的有效性和准确性。     

基于主成份分析的探地雷达信号去噪研究

探地雷达是估计地下介质分布的重要浅层地球物理方法,实际记录中包含噪声是不可避免。为了提高探地雷达(GPR)勘探资料解释的准确性和可靠性,这里利用主成份分析(PCA)理论进行了强噪声背景下的探地雷达信号去噪研究。阐述PCA的基本理论,着重讨论了PCA去噪算法的实现步骤。在时间域和频率域应用PCA去噪算法,对含噪声的合成雷达剖面分别进行去噪分析,采用L曲线法确定最佳参数K,达到最佳信噪分离效果,在时域和频域中使用最佳K值进行去噪,可以提高探地雷达数据的信噪比。以GPR实测数据为例,将PCA算法应用于探地雷达剖面数据去噪,可以在保持有用信号不丢失,幅值不失真的基础上,使噪声得到了较好地抑制,有助于突出探地雷达剖面中异常体特征,达到了提高资料解释准确性和可靠性的目的。     

双边滤波在探地雷达数据去噪处理中的应用

在探地雷达数据的采集过程中,受外界因素影响会不可避免地混入噪声,严重干扰有效回波的识别与解译。为此,利用双边滤波算法进行探地雷达数据的去噪处理,通过在探地雷达正演记录加入高斯白噪声来模拟实测的探地雷达记录,利用双边滤波器对含噪声的合成记录进行滤波处理,结果表明双边滤波算法能除去大部分高斯噪声,突出有效回波信息,峰值信噪比(PSNR)由初始的15.8451增加到22.1477。进一步将双边滤波器用于实测记录的滤波,从滤波结果来看,噪声除去效果较好,表明双边滤波器能有效应用于探地雷达数据的去噪处理。     

探地雷达数据的S变换时频分析

S变换自问世以来,凭借其优越性已经被广泛地应用于数字信号处理中。对模拟的探地雷达数据和实测的探地雷达数据进行S变换时频分析。其中探地雷达数据的模拟采用时域有限差分法,地电模型为层状介质,通过S变换时频分析,可以更有效地区分薄层状介质。对实测的探地雷达数据进行S变换时频分析,去除了部分噪音干扰,突出有效信号,图像更直观,易于图像的解译。     

短时傅里叶变换在GPR数据解释中的应用

小波变换、经验模态分解、奇异值分解是提高探地雷达数据信噪比、突出深部异常的有效手段。笔者提出一种快速的短时傅里叶变换技术,对探地雷达噪声信号进行解译,利用雷达发射信号与噪声信号的频谱差异提高雷达数据的信噪比;并以数值算例进行验证,分别从单道波信号的频率能量差异,主频等值分布差异等方面详细分析了该方法与小波变换、经验模态分解方法的优势。结果表明,短时傅里叶分析技术能实现探地雷达数据的快速解译,为探地雷数据的反演成像提供更精确的约束条件。     

基于GprMax的道路空洞三维探地雷达正演数值模拟

探地雷达(GPR)方法具有高效、高分辨率、无损探测等优势,广泛应用在城市道路病害体探测中。三维探地雷达是近年来发展起来的新技术,通过三维阵列天线进行三维数据采集,对道路病害体具有更高的空间分辨率和测量精度。本文利用基于三维时域有限差分方法原理的GprMax 3D软件,针对以空洞为代表的典型道路病害体,开展充气型和充水型空洞三维探地雷达正演模拟工作,获得两种不同填充类型空洞的三维雷达数据体,对数据体不同方向的图像特征进行分析,并结合工程实例,验证了正演模拟结果的可靠性。该研究对三维探地雷达实测图像解译和提高检测结果判定的可靠性具有重要的指导意义。     

探地雷达图像数据处理及应用研究

对探地雷达数据构成及干扰来源进行了分析,利用均值法去除背景噪声;运用HIL-BERT变换数据处理技术得到雷达图像的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率等瞬时剖面图像,以提高图像的分辨力,增强目标识别的准确性。通过对工程实际探地雷达图像数据的处理,验证了方法的有效性。     

探地雷达在桥塔塔基岩溶勘查中的应用及信号分析

以湖南省张家界—花垣县高速公路岩溶勘查为例,探讨探地雷达在竖直型岩溶勘查中的应用和效果;同时,说明复信号分析方法在探地雷达数据处理中的有效性。竖向岩溶的横向规模小,在雷达图像中相应的异常范围比较窄,异常不易分辨。首先对原始采集信号进行二维空间域滤波,再对信号进行Hilbert变换,提取雷达信号的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率,然后对这些处理后的信号进行综合分析。研究结果表明,二维空间域滤波可大大消除高频噪声的干扰,提高信号的信噪比,多参数综合分析可提高探地雷达解释的精度,最终的钻探成果也验证了反演解释结果的正确性。     

基于OC-Seislet变换的海洋涌浪噪声衰减方法

在海上地震资料采集过程中,涌浪噪声是一种常见的噪声干扰,这类噪声一般表现为低频、强能量、长周期,使用一般的方法很难在去噪的同时达到信号保真的效果。笔者针对该噪声的特征,选取了基于波动方程炮检距连续(offset continuation,OC)算子的OC-Seislet变换方法进行消噪处理;该方法应用OC算子来表征复杂波场,对含噪声数据进行压缩,在变换域通过软阈值处理实现信噪分离,再将结果反变换到数据域,从而达到去除涌浪噪声的目的。通过对模型数据和实际数据的处理,验证了OC-Seislet变换方法能够在去除原始数据中涌浪噪声的同时,最大程度地保护复杂构造下的地震波信息。     

主成分分析在航空瞬变电磁去噪中的应用

由于航空瞬变电磁二次场数据是一种宽频带信号且幅度较小,因此常常受到随机噪声、天电噪声以及人文噪声的影响。研究针对上述噪声的去噪方法,可以提高处理和解释的精度。这里给出了基于主成分分析的航空瞬变电磁去噪方法,首先应用主成分分析方法对叠加抽道后的单测点衰减曲线进行分解,然后应用曲线趋势对比法和L曲线法对分解后的成分进行分析,确定出有效信号成分,最后使用这些有效信号成分进行重构,从而达到抑制噪声的目的。模拟信号分析以及实测数据的实验结果表明,应用主成分分析法处理航空瞬变电磁数据,在保持反映地下介质分布的有效信号幅度基本不变的条件下,能有效抑制天电噪声和人文噪声,为保幅处理和解释奠定了良好的基础。     

基于Hilbert-Huang变换的探地雷达信号增强及复信号分析

阐述了Hilbert-Huang变换原理,着重讨论了EMD分解应满足的条件及具体分解过程.以黑麋峰抽水蓄能电站进厂交通隧洞实测GPR剖面为例,应用EMD分解去除部分噪声,再利用Hilbert变换求取GPR剖面复信号,提取瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率3个参数,绘制出相互独立的瞬时参数剖面图,根据不同地质状况进行多参数综合解释.结果表明,该方法避免了使用单一时距剖面分析所造成的解释偏差,能够更好地对异常信息做出反映,提高了GPR数据的解析精度.     

基于背景矩阵减法的探地雷达杂波信号抑制方法研究

探地雷达是探测浅层地下目标并对其空间分布进行成像的重要地球物理方法之一,但在实测雷达剖面中,目标反射信号不可避免地会受到直达波和地面反射波等杂波信号的干扰。为了提高探地雷达数据解译的可靠性和准确性,需要对杂波进行抑制或去除。提出一种背景矩阵减法来抑制杂波信号,并通过两组仿真数据和两组实测数据示例与减平均道法、奇异分解法对杂波抑制效果进行对比分析,结果表明背景矩阵减法的效果明显优于减平均道法和奇异分解法,可以在保证有效信号不丢失,幅值和相位不失真的基础上,使杂波得到较好地抑制,有助于识别探地雷达剖面中目标信号的特征,提高数据解译准确性和可靠性。     

Buried pipe detection by ground penetrating radar using the discrete wavelet transform

Ground penetrating radar (GPR) is widely used for non-invasive examination of man-made structures, especially to determine the depth of pipes buried underground. Unfortunately, shallower objects may obscure GPR raw data that is reflected from deeper ones. This study introduces a signal processing technique, called the discrete wavelet transform (DWT), to filter and enhance the GPR raw data in order to obtain higher quality profile images. Laboratory experiments were conducted and the locations of buried pipes under different conditions were analyzed. The buried pipes were made of plastic and metal, and both single and two parallel horizontal pipes are discussed. The experimental results indicate that the DWT profiles can provide more information than the traditional GPR profile. The images of the diameter and position of pipes, even two pipes of different materials and in horizontal alignment, can be enhanced by using the DWT profile.     

复信号分析技术在地质雷达信号处理中的应用

作者利用复信号分析方法分离出地质雷达信号的瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率等参数,通过一维数值模拟对其进行多参数分析,并进行了工程应用。模拟实验和工程实测表明,地质雷达瞬时相位有助于提取深部弱信号;瞬时振幅与瞬时频率为进一步进行土层和岩石特性方面的研究提供了依据;多参数综合分析方法对提高地质雷达图像解释的准确性具有重要意义。     

复信号分析技术在地质雷达预报岩溶裂隙水中的应用研究

对岩溶裂隙水进行及时准确的预报,是当前岩溶隧道设计和施工中亟待研究和解决的关键问题。复信号分析技术能够提取多个参数进行综合判断,基于此优点,尝试将复信号分析技术引入到地质雷达探查水体的研究中。对雷达数据中的水体异常分别从振幅、频率和相位等方面进行综合判断,克服了以往判断依据单一的缺点,为利用地质雷达进行岩溶裂隙水预报提供了一种切实可行的方法。首先,介绍了复信号分析技术的原理,阐述了在地质雷达信号处理中引入复信号分析技术的必要性;然后探讨了基于复信号分析技术的地质雷达预报岩溶裂隙水的可行性,得出了判断水体的依据。最后结合工程实例,对地质雷达数据进行了复信号处理,并对岩溶裂隙水进行了综合判断。与开挖结果对比显示,复信号分析技术的运用较大的提高了岩溶裂隙水预报的准确性和可信性。     

偏移方法用于探地雷达图像处理的有效性研究

从克希霍夫积分偏移和绕射扫描偏移的基本原理出发，通过对探地雷达（GRP）实测资料进展对比处理，说明偏移处理能够使地下及空中绕射归位收敛，用改变偏移速度的方法识别空中绕射有的特殊效果，从而为解释提供依据并提出了解释精度。     

Mapping subvertical discontinuities in rock cuts using a 400-MHz ground penetrating radar antenna

Hidden subvertical discontinuities oriented parallel to subparallel to the exposed faces of outcropping sandstone were effectively mapped at three different study sites in central Missouri using a ground-penetrating radar system (GPR) equipped with a 400-MHz monostatic antenna and a survey wheel. At each site, a suite of 2-D ground-penetrating radar profiles were acquired along multiple closely spaced traverses on relatively smooth exposed rock surfaces. Time-zero correction was applied to the raw GPR data which were then processed using band-pass filtering, range and display gain, color transformation, and deconvolution techniques. Pseudo 3D images of each identified discontinuity at each site were constructed based on the interpretation of the nonmigrated ground-penetrating radar profiles. These pseudo 3D images were hand-migrated and transformed into true 3D images which depict variable depths at “perpendicular horizontal distance” to each discontinuity relative to the exposed rock face. The results demonstrate that GPR can be used to detect and map hidden discontinuities. This information can then be used for rock slope stability analysis and rock engineering purposes.