2023年第45卷第12期文章目次

2023, 45(12):1-6.

[摘要](5326) [HTML](0) [PDF 8.38 M](257)

摘要:
探地雷达(GPR)回波信号经常被各种随机噪声所干扰,引起后续目标解译的困难。近年来,模态分解方法被广泛地应用于GPR 数据噪声压制,然而,现有应用基于一维信号的模态分解需要对B-scan 的每一道分别进行处理,忽略了道之间的相关性。除此之外,在复杂场景下的去噪效果也有待提升。为此,文中提出了一种基于二维变分模态分解的GPR 噪声自动抑制方法,可以有效识别多个二维模态及其对应的中心频率。通过应用这种自适应方法,将图像分解为不同的信号模态和噪声模态,最终以带限方式准确再现输入的B 扫描图像。此外,为了进一步完善信号提取过程,采用频谱分析技术自动选择最相关的信号模态。仿真和实测数据验证表明,所提方法可以较好地实现对低信噪比GPR 数据的噪声去除,提高后续目标检测与识别等解译工作的精度。

2 地下管线渗漏探测与定位方法研究

刘　海，邓　新，戴定武，陈志杰，何　钦，孟　旭

2023, 45(12):7-14.

[摘要](5174) [HTML](0) [PDF 16.17 M](230)

摘要:
管线渗漏作为城市地下管网系统中普遍存在的病害之一,不仅导致水资源浪费和环境污染,还会引起道路空洞等隐蔽缺陷,严重时造成塌陷事故。听音法已广泛用于地下管线渗漏探测,但受环境噪声影响该方法的定位精度较低且工作时段需选择夜间等低干扰时段。探地雷达(GPR)是地下管线探测的重要方法,然而使用GPR 探测和定位管线渗漏仍处于实验室研究阶段。文中提出了一种基于GPR 和小波熵分析的地下管线渗漏探测与定位方法,并通过现场模型试验进行了验证。试验结果表明,相较于听音法,所提出的基于GPR 数据的小波熵方法能够精确定位地下管线的渗漏位置,研究成果可有效弥补当前地下管线渗漏探测与定位方法的不足,为管线渗漏探测与定位提供有效工具。

3 不同测量角度下渗流微裂隙的全极化探地雷达响应特征研究

董泽君，冯　晅，周皓秋

2023, 45(12):15-23.

[摘要](4694) [HTML](0) [PDF 13.57 M](227)

摘要:
含流体的裂隙会对石窟文物造成破坏,而毫米级裂隙的探测是石窟文物保护中的一个难题。文中首先基于水文建模模拟了水在裂隙中的流动以及在围岩中的扩散现象,然后建立了不同渗流时刻的介电常数和电导率模型,并通过坐标旋转生成了一系列不同旋转角度的模型进行全极化探地雷达(FP-GPR)正演模拟。最后,分析了H-Alpha 分解和Freeman分解获得的H、α、Ps、Pd 及Pv 参数与测量角度和渗流时间的关系。结果表明:α、Ps 和Pd 三个参数与渗流时间呈现良好的一致性,而H 和Pv 两个参数与渗流时间没有表现出明显的变化关系;在渗流开始的一段时间,测量角度对五个参数会产生很大影响,这与所使用的电磁波的频率有关。文中的研究结果对实际中利用时移FP-GPR 探测渗流微裂隙提供了重要的理论支撑和技术指导。

4 基于时空神经网络的探地雷达层状介质参数反演

李远强，张　健

2023, 45(12):24-30.

[摘要](5119) [HTML](0) [PDF 12.18 M](209)

摘要:
探地雷达(GPR)凭借其无损、高效、准确等优势已被广泛应用于道路检测、市政及环境工程等领域。GPR 数据反演是获取地下层状介质参数的一种有效手段,但传统基于模型驱动的GPR 反演存在线性反演精度不足,非线性反演求解难度大、时效性差等问题,无法满足现有工程勘探需求。近年来,基于深度学习的数据驱动反问题求解算法得到飞速发展,为GPR 层状介质参数反演提供了一种新的思路。考虑到GPR 传播的时空特性,文中提出一种基于时空神经网络的层状介质参数反演方法。首先,利用随机模拟算法生成大量一维介质参数模型,并结合有限差分算法计算得到对应GPR 数据,构建出神经网络训练所需的输入/ 输出数据对;然后,设计合适的层状介质参数反演网络模型,并利用构建的训练数据对训练神经网络模型,得到GPR 数据与地下介质参数之间映射关系的网络参数;最后,利用训练好的神经网络模型对不同层状介质模型进行反演测试,验证了所提方法的有效性和准确性。

5 基于改进UNet的探地雷达信号反演

邓　宇，肖建平，刘郅静，刘志航

2023, 45(12):31-39.

[摘要](5171) [HTML](0) [PDF 20.41 M](323)

摘要:
探地雷达(GPR)信号反演的目的是提高资料解释的准确性。针对GPR 信号在反演解释的过程中传统反演方法面临的反演流程耗时和反演结果受专业人员主观经验影响较大的问题,文中提出了一种基于数据驱动的融合多尺度卷积和空间注意力机制的深度学习反演GPR 信号的神经网络GInet。首先通过B-Scan 数据维度变换单元实现对GPR 图像数据的压缩和特征提取,然后再经过多尺度UNet 单元实现从GPR 图像到对应地下介电常数分布图像的转换。实验采用基于时域有限差分法构建的仿真数据集进行网络训练和测试,GInet 反演结果的均方误差值降为了0. 005 54,结构相异性值为0. 000 026 7。使用砂槽实测数据对GInet 进行测试,反演得到的相对介电常数图像与真实模型接近,表明该方法可以准确高效地完成GPR 图像反演任务。

6 基于微动和探地雷达的城市轨道交通岩溶探测研究

龙　斌，张　军，李宏伟

2023, 45(12):40-46.

[摘要](4961) [HTML](0) [PDF 19.53 M](277)

摘要:
贵阳属于典型的喀斯特地貌,受城市地形条件和电磁干扰,导致深层的岩溶区域探测手段受限,使轨道交通建设面临透水等严重风险。针对贵阳地铁3 号线面临的复杂岩溶环境的问题,提出了微动与探地雷达(GPR)相结合的岩溶综合物探方法。在道路表面采用微动法实现40 m 以内的大探深检测,通过改变台阵形式、调整检波器间距、避开管线位置等方法避开地表面管线干扰,实现岩溶状态的大范围判断。在隧道开挖掌子面采用100 MHz 屏蔽GPR 天线进行复核探测,实现岩溶区域的精确定位。在贵阳轨道交通3 号线开展了微动与GPR 融合的岩溶排查实验,并通过超前水平钻探对判断的岩溶区域进行了取芯验证。实验结果表明,岩溶区域与围岩密实区域波速差异较大,微动方法可以有效实现大探深范围内的岩溶探测,适合城市道路内部岩溶区大探深判断;电磁波在岩溶区域存在强反射、低频特征,在GPR 图谱中特征明显,微动与GPR 联合可实现岩溶区域的精确定位。超前水平钻探开挖结果验证了所提方法的正确性,避免城市轨道的透水事故。微动和GPR 联合的探测方法为城市轨道交通建设大探深病害探测提供了可靠的无损检测方法,保证市政施工的安全性。

7 无人机航空瞬变电磁法未爆弹探测试验研究

徐正玉，罗朝鹏，付志红，廖　先，刘龙欢，吕荣其

2023, 45(12):47-52.

[摘要](4974) [HTML](0) [PDF 19.94 M](365)

摘要:
瞬变电磁法具有探测深度大、抗干扰能力强、对金属异常体探测敏感的特点,在未爆弹探测领域有着显著应用前景。现有未爆弹探测装置存在施工效率低、人员伤亡风险大以及复杂地形适应能力弱等缺点,无法满足小目标体精细、快速探测的需求。基于此,文中提出采用无人机搭载的瞬变电磁装置进行探测,采用理论分析和野外实验相结合方法进行研究。首先,建立含有未爆弹的正演模型进行仿真计算,研究结果表明:无人机瞬变电磁探测方法能反映出未爆弹异常响应特征;其次,采用非线性优化方法进行反演计算,反演结果能较好反映出未爆弹空间位置信息;最后,以重庆市潼南区某试验区探测为例,开展无人机瞬变电磁未爆弹探测研究。将探测结果与现场实际情况相比较,验证无人机瞬变电磁未爆弹探测结果准确性和有效性。研究工作为未爆弹等小目标体精细探测提供更有效的探测方法和手段。

8 城市道路拖曳式地震数据精细化成像方法

鲁兴林，刘旭华，王　唯，廖　先，付志雄，付志红

2023, 45(12):53-61.

[摘要](5037) [HTML](0) [PDF 27.61 M](220)

摘要:
城市道路塌陷已造成严重的经济损失和生命安全损害,需要精细化的探测方法查明潜在的隐患。文中提出城市道路拖曳式地震数据精细化成像方法,充分利用逆散射波、面波和反射波实现城市道路目标体的精细化成像,并建立完整的数据处理流程。依据模型数据和实测数据结果总结得出:逆散射波的横向分辨率高,能实现空洞等异常体的准确横向定位;不参与反演计算的面波快速成像方法避免反演计算的多解性和假异常,能提高横向和纵向分辨率;从反射波得到的叠加剖面能追踪反射波和绕射波的变化特征,准确分析物性分界面的横向变化特征,实现绕射点的准确定位。综合以上三种成像方法,能精细化分析空洞的横向位置和深度信息。随着拖曳式地震设备的持续发展,逆散射波、面波和反射波的数据处理方法在城市道路精细化探测工作得到广泛应用。

9 基于改进型支持向量机的目标微弱磁异常信号检测方法研究

杨宇欣，张鹏飞，李宝聚，沈　莹，陈之岳，杨晓宝

2023, 45(12):62-68.

[摘要](5100) [HTML](0) [PDF 9.59 M](163)

摘要:
磁异常探测具有跨介质传播稳定、不受制于环境介质(如水、空气、沙石,泥土)的干扰、不受水文气象条件限制的优势,在工业、军事等领域一直作为研究的热点。依托于无人机平台的磁异常探测具有机动灵活的特点,极大提升了工作效率,适用于大范围区域、复杂地形等极端环境下的探测作业。未爆弹、地下线缆与管道、地下金属废弃物等埋藏物小目标所产生的磁异常有效信号幅值较小,常受到环境噪声的干扰,且无人机动态噪声的引入进一步降低了数据质量。传统的目标检测算法主要应用于数据质量较好、信噪比较高的条件下,在复杂作业环境中无法有效检测出掩埋小目标的存在。文中提出了一种改进型遗传支持向量机(GSVM),对低信噪比下掩埋小目标磁异常信号进行检测,其采用遗传算法对支持向量机模型参数进行优化,提升模型训练效率与泛化性能。在数值实验与现场实验对比中,GSVM 能够有效提升航磁探测中掩埋小目标探测与识别的正确率。

10 有源频率选择表面回波调制器研究

张　强，周　浩，李树良，潘宇虎，马天野，王卫华

2023, 45(12):69-74.

[摘要](5051) [HTML](0) [PDF 6.42 M](147)

摘要:
有源频率选择表面(FSS)源于对无源FSS 加载有源器件,器件状态可变,因而可以调控有源FSS 的响应,例如通过调节反射系数相位,构成一种数字电磁信息表面, 该技术已经用于移动通信系统。如何增加传输功能,对阵列天线的回波进行调制,使相控阵功能更强,成为一个新的问题。相控阵天线回波调制与现有的电磁调控技术有本质的不同,除了要对反射波进行信息调控,还要在相当带宽、扫描空域、大功率情况下保持高传输,因而技术更加复杂,难度更大。文中重点论述了有源FSS 在时域雷达散射截面调制中的一些理论性问题、关键技术、解决途径,期望对其未来发展有所帮助。

11 基于遗传算法的子阵划分和子阵权值联合优化

陈希信，龙伟军

2023, 45(12):75-78.

[摘要](5174) [HTML](0) [PDF 2.65 M](145)

摘要:
雷达中经常采取和波束在阵元级最优形成、差波束在子阵级次优形成的波束形成方式,此时差波束的子阵划分和子阵权值需要联合优化解决。文中提出了基于遗传算法的子阵划分和子阵权值联合优化方法。在子阵数量预先确定的前提下,该方法对子阵划分采用Grefenstette 编码,以避免二进制编码的个体缺失或重复问题,对子阵权值则采用二进制编码,两种编码构成混合染色体用于优化迭代,并给出了遗传算法的迭代实现过程。仿真结果表明:所得到的差波束方向图主瓣形状良好,副瓣分布均匀,无明显栅瓣,达到了预期目的。

12 基于Vision Transformer 的毫米波雷达手势识别算法

郭　剑，张　姝，王书轩，韩　崇，孙力娟

2023, 45(12):79-86.

[摘要](5218) [HTML](0) [PDF 11.56 M](177)

摘要:
基于毫米波雷达的手势识别在体感游戏、远程操控、医疗监护等领域具有广阔的应用前景,现有的研究大多利用卷积神经网络、循环神经网络等对雷达提取到的二维手势特征图进行处理,以实现手势分类。对于复杂的动态手势,存在训练效率低、并行能力差等不足。针对上述问题,文中提出了一种基于距离-多普勒-角度多维特征的卷积自注意力机制网络(CVTNet)模型。CVTNet 模型针对射频手势信号,先利用卷积层对距离-多普勒-角度图进行特征提取,再使用Vision Transformer 进行手势的识别与分类。仿真结果表明,基于CVTNet 的手势识别算法拥有更高的识别准确率,达到96. 29%。同时,该算法在微手势及静态手势的识别上具有更大的优势。

13 机场终端区GNSS 信号干扰源定位研究

黄裕文，李怡恒，程　擎，陈　超，鲁合德

2023, 45(12):87-93.

[摘要](5052) [HTML](0) [PDF 15.68 M](167)

摘要:
为提高机场终端区无线电干扰源排查效率,结合当前干扰源排查方法,在阐述了测向交叉定位原理的基础上建立三维空地协同交叉定位模型,对模型的定位误差进行分析与仿真。仿真结果表明:空地协同交叉定位精度相对于传统地面双站定位精度有较高提升,在20 km 处定位误差下降17. 9??。通过分析微弱周期信号的自相关性,以绵阳南郊机场无线电干扰源排查为契机,采用空地协同无线电干扰源定位方法,利用自相关小信号侦测算法提高干扰信号的信噪比,验证了该模型对GNSS 信号干扰源定位的可行性。

14 基于值分布多智能体强化学习的无人机协同方法

张伯雷，马艳琴，刘　林

2023, 45(12):94-101.

[摘要](5031) [HTML](0) [PDF 8.02 M](142)

摘要:
在无人机环境监测问题中,通过协同分布式无人机的角度、速度、方向等,能够有效提升监测的覆盖率和准确率。以往的工作通过组合优化、博弈建模等来实现无人机的协同,但是这些方法往往采用了集中式的调度策略,或者假设环境是静态的;而在实际情况中,由于环境的复杂性,不同的无人机会动态调整自己的策略,因此很难通过寻找博弈均衡来设置无人机协同策略。针对上述问题,提出一种基于值分布多智能体强化学习的无人机协同方法,将每个无人机看做一个智能体,无人机通过与环境交互来最大化集体长期累积收益。在该环境中,由于无人机的移动策略可能是动态的,因此引入了值分布来刻画每个智能体的累积收益。相比于传统的多智能体强化学习,通过值分布学习,可以用概率分布对多智能体的累积收益进行评估,从而可以更全面地取得更稳定的结果。在模拟环境中的实验表明,以上的方法可以有效提升多个无人机协同的长期收益,相比于其他最新的算法,可以提升平均收益约17. 2%。

15 基于模糊关联空间的激光雷达三维扫描数据过滤研究

陈改霞，叶萧然

2023, 45(12):102-108.

[摘要](5065) [HTML](0) [PDF 10.96 M](177)

摘要:
激光雷达三维扫描数据中存在大量无效点和有效点,但是两者之间的空间关联性阈值处在不断变动中,以固定关联规则的过滤方式很难准确区分,造成实际过滤应用效果较差。为此,提出基于模糊关联空间的激光雷达三维扫描无效数据过滤方法。采集激光雷达三维扫描样本数据构建无效数据识别规则库,将无效数据识别规则库中的无效数据集合转换为模糊集合,并利用聚类算法填补无效数据造成的数据空格,以避免出现数据过滤误差。填补后运用支持向量机分类器计算激光雷达三维扫描数据之间的模糊关联度,并对其进行分类。结合分类结果利用网闸过滤组织对激光雷达三维扫描无效数据过滤。实验结果表明:这种方法过滤精度高,具有较好的过滤效果,时间复杂度低、过滤耗时短,实际应用效果较好。

16 基于快时间反转变换的雷达目标检测算法

周瑞岩，王春蕾，周传睿

2023, 45(12):109-115.

[摘要](5040) [HTML](0) [PDF 9.33 M](164)

摘要:
随机脉冲重复间隔雷达具备优良的抗干扰能力,可用于干扰环境下高速机动目标的检测任务。然而,针对这一问题的研究却并不充分。该问题的难点主要在于距离徙动、多普勒频率徙动和非均匀的慢时间采样。针对该问题,文中创新性地提出了一种具备低计算复杂度优点的高速机动目标检测算法。该算法首先通过快时间反转变换来校正距离徙动,然后再采用非均匀相位补偿技术,克服慢时间采样的非均匀性,完成对目标运动参数的估计,进而消除多普勒频率徙动并实现目标回波能量相参积累,随后通过恒虚警检测完成目标检测。最后,通过理论分析评估了所提算法的计算复杂度,并通过仿真实验验证了所提算法的有效性和低计算量优势。

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