一种基于非接触式探地雷达的松散堆积体含水率预测方法技术

一种基于非接触式探地雷达的松散堆积体含水率预测方法，属于环境检测技术领域。方法如下：S1：对实验用松散堆积体进行取样，并对取样土样进行电磁信号数据集采集以及含水率计算；S2：对探地雷达的电磁信号数据进行处理；S3：进行数据训练后得到实验用松散堆积体含水率的预测模型；S4：对预测模型进行验证与调优。S5：应用S4得到的预测模型对检测区松散堆积体进行含水率预测。本发明专利技术弥补了传统测量方法效率低且对土体造成破坏的不足，避免了传统雷达方法中波速估算误差大以及层状面人工解译等缺点，可以自动提取土壤含水率特征，检测速度快、准确度高。准确度高。准确度高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非接触式探地雷达的松散堆积体含水率预测方法


[0001]本专利技术涉及一种基于非接触式探地雷达的松散堆积体含水率预测方法，属于环境检测


技术介绍

[0002]土壤的含水率是评价土壤质量的一项重要指标，同时也是土木工程中重点关注的土体质量指标，现有技术中对于土壤的含水率的计算方式有烘干法、电容器传感法以及张力法等。烘干法最为准确，但其需要现场钻孔取样，操作过程耗时长效率低下，费时费力且会破坏原有松散堆积体结构，不适宜大面积实施。
[0003]探地雷达作为新型的近地微波遥感技术，具有大范围连续探测、快速、无损、低成本等优点，可以弥补传统测量方法效率低且对土体造成破坏的不足。探地雷达的硬件系统主要包括主机、发射天线、接收天线以及PC端，通过主机产生一定范围内(1MHz～2GHz)的高频电磁波，由发射天线向介质层发射，在地下传播的过程中遇到具有不同电性的目标体或者界面时会发生发射、折射和透射等，并由接收天线对回波进行接收。
[0004]不同介质电磁性质具有一定差异，其根本原因是介电常数的不同。该种电磁性质的差异决定了在不同介质中，电磁波的传播速度是不一样的。而土体属于由土颗粒、水与空气组成的三相非均匀混合介质，其介电常数难以准确刻画，因此电磁波波速存在相当大的误差，基于波速估计得到的相关结果也存在很大误差。
[0005]目前，探地雷达图像想要正确解译，需要大量先验信息，而这些先验信息难以通过计算机学习获取，需要人工经验结合先验信息对雷达图像进行解译。

技术实现思路

[0006]为解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种基于非接触式探地雷达的松散堆积体含水率预测方法。
[0007]实现上述目的，本专利技术采取下述技术方案：一种基于非接触式探地雷达的松散堆积体含水率预测方法，所述方法包括如下步骤：
[0008]S1：对实验用松散堆积体进行取样，并对取样土样进行电磁信号数据集采集以及含水率计算；
[0009]S2：对探地雷达的电磁信号数据进行处理；
[0010]S3：进行数据训练后得到实验用松散堆积体含水率的预测模型；
[0011]S4：对预测模型进行验证与调优。
[0012]S5：应用S4得到的预测模型对检测区松散堆积体进行含水率预测。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0014]1、本专利技术以探地雷达为平台，借助近地微波遥感技术，其具有大范围连续探测、快速、无损、低成本等优点，可以弥补传统测量方法效率低且对土体造成破坏的不足。
[0015]2、本专利技术的时频分析法是采用经验模态分解与希尔伯特变换得到瞬时振幅，从瞬
时振幅的角度分析信号变化的特征，以此分析不同介质下信号时间域的能量分布等信息，从而避免了传统雷达方法中波速估算误差大以及层状面人工解译等缺点。
[0016]3、本专利技术不仅可以自动提取土壤含水率特征，而且在检测精度方面也取得了良好的效果，检测速度快、准确度高。
附图说明
[0017]图1是本专利技术的流程图；
[0018]图2是MLP神经网络的结构示意图。
具体实施方式
[0019]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0020]探地雷达是探测地表下结构和埋设物的新型无损探测仪器，它利用电磁波对地表的穿透能力，从地表向地下发射某种形式的电磁波，电磁波在介质特性变化的界面上发生反射，通过接收反射回波信号，根据其延时、形状及频谱特性等参数，解译出目标深度、结构及性质。
[0021]在数据处理的基础上，应用数字图像的恢复与重建技术，对地下目标进行成像处理，以期达到对地下目标真实和直观的再现。其通过天线向介质发射高频电磁波，利用电磁波反射原理可分析判断介质的缺陷和质量。雷达主机记录电磁波传播的时间ΔT，根据波动理论，波在遇到不同的介质时会产生反射和折射，其反射强度也存在差异，这样可确定某一介质界面的反射，从主机的雷达图像上可直接求出底面反射的时间，波在相对均匀的同一介质中速度V是一个定值，由此根据式(1)可求出介质的厚度H：
[0022]H＝V
×
ΔT/2
[0023]地质雷达波在真空中的速度c＝0.3m/ns，结合介质相对介电常数ε，由波动理论可知电磁波在低损耗介质中传播速度可表示为：
[0024][0025]因此，可得：
[0026][0027]从上式可以看出一般低损耗介质(比如混凝土、路基填土、沥青等)波在其中的速度V与相对介电常数ε有密切关系。土壤含水率不同，其介电常数也不同，相应探地雷达的电磁回波信息也不同，根据这一原理，分析电磁回波信息，进而确定土壤含水率。
[0028]本专利技术的一种基于非接触式探地雷达的松散堆积体含水率预测方法，所述方法包括如下步骤：
[0029]S1：对实验用松散堆积体进行取样，并对取样土样进行电磁信号数据集采集以及含水率计算；
[0030]S101：对实验用松散堆积体具有代表性的区域至少20处不同深度的点位进行土样
取样；
[0031]S102：设置好探地雷达的参数后，在室内使用探地雷达分别对每个点位的取样土样进行非接触式测试并记录数据，此过程中探地雷达与土样全程无接触；
[0032]S103：计算取样土样的含水率。
[0033]S10301：称取8
‑
12g其中一个点位的取样土样后置于已知重量的器皿中；
[0034]S10302：在105
‑
110℃的烘干箱中烘干至恒重，工作过程约8小时；
[0035]S10303：取出烘干后的土样放入干燥器中冷却18
‑
25分钟；
[0036]S10304：对冷却后的土样进行称重，求得烘干土重：
[0037]烘干土重＝冷却后土重
‑
器皿重
[0038]S10305：计算土壤含水率：
[0039]土壤含水量＝(原土重
‑
烘干土重)/烘干土重
×
100％
[0040]S10306：对其余点位的取样土样依次重复S10301
‑
S10305，并记录相应数据；
[0041]本专利技术采用的烘干法是事先选择部分代表性区域进行取样测试得到松散体含水率与雷达图像的关系，然后基于这个关系再对需要真正需要探测的区域进行含水率预测。
[0042]S2：对探地雷达的电磁信号数据进行处理；
[0043]S201：对探地雷达的电磁信号数据进行预处理；
[0044]包括去零点漂移、静校正、AGC能量增益、带通滤波、去除背景和反褶积处理，出去空气层对电磁信号的影响；
[0045]S202本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非接触式探地雷达的松散堆积体含水率预测方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：S1：对实验用松散堆积体进行取样，并对取样土样进行电磁信号数据集采集以及含水率计算；S2：对探地雷达的电磁信号数据进行处理；S3：进行数据训练后得到实验用松散堆积体含水率的预测模型；S4：对预测模型进行验证与调优；S5：应用S4得到的预测模型对检测区松散堆积体进行含水率预测。2.根据权利要求1所述的一种基于非接触式探地雷达的松散堆积体含水率预测方法，其特征在于：所述S1包括如下步骤：S101：对实验用松散堆积体至少20处不同深度的点位进行土样取样；S102：使用探地雷达分别对每个点位的取样土样进行非接触式测试并记录数据；S103：计算取样土样的含水率。3.根据权利要求2所述的一种基于非接触式探地雷达的松散堆积体含水率预测方法，其特征在于：所述S103包括如下步骤：S10301：称取8
‑
12g其中一个点位的取样土样后置于已知重量的器皿中；S10302：在105
‑
110℃的烘干箱中烘干至恒重；S10303：取出烘干后的土样放入干燥器中冷却18
‑
25分钟；S10304：对冷却后的土样进行称重，求得烘干土重：烘干土重＝冷却后土重
‑
器皿重S10305：计算土壤含水率：土壤含水量＝(原土重
‑
烘干土重)/烘干土重
×
100％S10306：对其余点位的取样土样依次重复S10301
‑
S1...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯杨州，景明明，安宁，覃玉龙，王帆，田永强，李正发，闫江，闫寅起，崔自旺，刘晓慧，
申请(专利权)人：国网甘肃省电力公司陇南供电公司，
类型：发明
国别省市：