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地质雷达在道路工程中的应用及其数据分析研究

作　者: 许建文
导　师: 高燕希；吴江宁
学　校: 长沙理工大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 道路工程地质雷达数据处理杂波抑制自适应小波分析特征提取
分类号: U412.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 520次
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内容摘要

在道路工程中使用广泛的地质雷达是一种通过利用地下介质的不连续性来探测地下目标的无损检测工具,是一种高频电磁法。与探空雷达相似,地质雷达利用发射天线以宽频短脉冲形式向地下发射高频电磁波,电磁波在介质电磁性质不同的界面处会产生反射,并被接收天线所接收,通过分析电磁波在时间、空间的传播特性实现探测地下目标体的空间位置、规模和物理性质等目的。具有探测速度快、探测过程连续、操作方便灵活、分辨率高、不损坏被探测目标等特点,使得在公路、桥梁、隧道中的应用日益频繁。地质雷达在公路建设中的应用范围不断扩大,对其的研究也越来越多。地质雷达的应用主要集中在探测目标体的空间位置、规模及物理性质等方面,在资料处理和解释中通常假设目标体周围介质是均匀的。然而事实上,应用于道路工程建设探测时,如隧道掌子面、衬砌,道路的路基路面等介质,是由多种成分组成的,因此这些物质的电磁性质既取决于物质组成成份的物理性质,也受物质的结构及其孔隙度、含水率、温度等多种因素影响。在大多数情况下,这些因素在一定尺度范围内并非处处相同。因此,天然物质存在着不均匀性,电磁波在其中的传播特性会因此发生一定程度的改变。当介质出现不均匀性变化,电磁波在局部不均匀颗粒表面会产生电磁散射和绕射,使雷达波在其中的传播特性发生畸变,产生地质“噪声”。同样介质对电磁波的吸收特性也会发生不同程度的改变。从而可以看出,使用的固定滤波器去噪分析是不合理的。本文在研究浅地层地质雷达信号处理技术时,在分析了工程中采用的固定滤波器杂波抑制效果的基础上,把一系列对信号去噪具有良好效果的滤波器引入地质雷达信号去噪。主要工作如下所述:1.首先介绍了地质雷达的基本原理及其在工程中的应用情况,分析了地质雷达信号中噪声的畸变情况;2.根据现阶段地质雷达去噪中使用的滤波器为固定滤波器的情况,分析一些常用固定滤波器的杂波抑制效果;3.针对地质雷达探测数据中直达波的能量大,对数据的影响也大的特点,在数据处理时把自适应引入其中,得到了很好的去噪效果;4.将小波分析与自适应方法有机结合,在地质雷达信号去噪方面取得理想的效果;5.应用形态学处理方法对衬砌雷达图像进行特征提取,直观且方便地得到了衬砌边界线,发现了衬砌中的异常点。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-29
  1.1 研究的背景及意义  12-13
  1.2 国内外地质雷达的研究概况  13-14
    1.2.1 国外地质雷达研究情况  13
    1.2.2 国内地质雷达研究情况  13-14
    1.2.3 存在的问题  14
  1.3 地质雷达及其在公路工程中的应用  14-27
    1.3.1 地质雷达的工作原理  14-17
    1.3.2 地质雷达在工程中的应用  17-23
    1.3.3 瑞典地质雷达在江西婺源的应用  23-27
    1.3.4 地质雷达及其在公路工程中的应用小结  27
  1.4 本文的主要工作  27-29
第二章基于MATLAB 的 IIR、FIR 与自适应滤波器的地质雷达数据处理  29-61
  2.1 MATLAB 实现IIR 与FIR 滤波器及其它滤波器  29-47
    2.1.1 IIR 滤波器  30-35
    2.1.2 FIR 滤波器  35-47
  2.2 自适应滤波去除直达波  47-60
    2.2.1 LMS 算法  48-52
    2.2.2 各种改进自适应滤波器应用于地质雷达去噪  52-55
    2.2.3 RLS 自适应滤波器应用于地质雷达去噪  55-59
    2.2.4 自适应卡尔曼滤波器  59-60
  2.3 小结  60-61
第三章地质雷达数据的小波分析  61-80
  3.1 小波分析基本理论  61-64
  3.2 小波分析应用于地质雷达图像理论分析  64-71
    3.2.1 小波分析应用于地质雷达函数的选择  65-68
    3.2.2 小波分析应用于地质雷达数据去噪阀值类型选取  68-71
  3.3 小波分析在地质雷达数据处理中的综合应用  71-73
    3.3.1 重构信号误差的检测  71-72
    3.3.2 多分辨分析的应用  72-73
    3.3.3 小波综合应用小结  73
  3.4 小波分析结合自适应滤波器  73-77
    3.4.1 小波自适应滤波  73-74
    3.4.2 软阀值去噪后作为目标函数  74-76
    3.4.3 硬阀值处理  76-77
    3.4.4 小波分析结合自适应方法分析总结  77
  3.5 故障诊断方法应用于地质雷达数据处理  77-79
  3.6 小结  79-80
第四章地质雷达数据的小波包分析  80-96
  4.1 小波包分析基本理论  80-81
  4.2 小波包分析应用于地质雷达图像去噪  81-84
    4.2.1 全局阀值去噪  81-82
    4.2.2 小波包的综合应用  82-83
    4.2.3 小波包比值  83-84
  4.3 小波包自适应滤波器  84-90
    4.3.1 小波包结合自适应滤波应用于地质雷达图像数据去噪  84-89
    4.3.2 小波分析结合自适应方法分析总结  89-90
  4.4 小波包分析进行特征提取  90-95
    4.4.1 特征提取整体思路  90-91
    4.4.2 地质雷达信号进行小波包分析的具体算法  91-93
    4.4.3 计算时需要注意的地方  93-94
    4.4.4 具体计算实例  94-95
    4.4.5 数据比较  95
  4.5 小结  95-96
第五章基于形态学的地质雷达数据特征提取  96-131
  5.1 基于形态学的地质雷达数据特征提取  96-114
    5.1.1 形态学基本理论  96-98
    5.1.2 图像特征提取的总体思路  98-99
    5.1.3 形态学应用于地质雷达衬砌数据处理  99-114
  5.2 图像增强用于检测衬砌中的微小结构  114-127
    5.2.1 图像增强基本理论  114-115
    5.2.2 灰度变换增强应用于地质雷达图像加强  115-127
  5.3 基于小波的图像增强处理  127-130
    5.3.1 基本理论  127-128
    5.3.2 基于小波的图像增强应用于地质雷达图像处理  128-130
  5.4 小结  130-131
第六章结论与展望  131-133
  6.1 全文简要总结  131-132
  6.2 进一步研究与展望  132-133
致谢  133-134
参考文献  134-141
附录 A(攻读学位期间发表论文目录)  141-142
详细摘要  142-152

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