任 望,姚振岸,陳龍鳳,王向騰,李紅星,陳振昊

(東華理工大學(xué)地球物理與測(cè)控技術(shù)學(xué)院,330013,南昌)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,工程建設(shè)和城市發(fā)展的需求日益增長(zhǎng),進(jìn)而對(duì)于淺地表工程的勘探也有了不斷迫切的需求,比如城市道路和高速公路的危害檢測(cè)、城市地下管線的查找和定位、工程質(zhì)量和建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測(cè)及礦產(chǎn)勘探和災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查方面等。針對(duì)上述的淺地表工程勘探的項(xiàng)目需求,探地雷達(dá)技術(shù)作為一種有效且經(jīng)濟(jì)的地球物理勘探技術(shù)能夠很好地解決上述的工程需求。

探地雷達(dá)(Ground Penetating Radar,簡(jiǎn)稱GPR)是以地下介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率等物性參數(shù)差異為基礎(chǔ),通過發(fā)射天線在地面發(fā)射高頻電磁波信號(hào),信號(hào)在地下介質(zhì)中進(jìn)行一系列的傳播后被接收天線所接受,根據(jù)處理、分析與解釋所接收到的電磁波信號(hào)的振幅、波形、頻率等運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征來查明介質(zhì)內(nèi)部物性特征和分布規(guī)律,其原理示意圖如圖1所示[1]。與探空雷達(dá)不同,探地雷達(dá)使用的頻率較低,其主要研究是電磁波在介質(zhì)中的傳播,由于地下介質(zhì)的各向異性和不均勻性等,因此,探地雷達(dá)研究的復(fù)雜程度相較于探空雷達(dá)更加復(fù)雜。探地雷達(dá)技術(shù)是一門集高精度、高效率以及無損等眾多優(yōu)點(diǎn)的地球物理勘探方法,但作為一種地球物理勘探方法,自身也是存在著一定的缺陷,限制探地雷達(dá)在各方面的應(yīng)用,探地雷達(dá)的優(yōu)越性和局限性詳見表1。因此,在對(duì)于探地雷達(dá)技術(shù)勘探的選取和應(yīng)用時(shí),要確?？碧揭蠛湍繕?biāo)具有一定的針對(duì)性,而不是盲目選擇使用。自20世紀(jì)90年代末開始,我國開始重視探地雷達(dá)技術(shù),并投入大量的研究。之后,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子科學(xué)的飛速發(fā)展,探地雷達(dá)技術(shù)也逐漸趨向成熟,不僅在理論技術(shù)、儀器制造、實(shí)際應(yīng)用和數(shù)據(jù)解釋等方面有重大的突破,而且其應(yīng)用范圍也在不斷地?cái)U(kuò)大,如應(yīng)用在地質(zhì)、軍事、環(huán)境和工程等領(lǐng)域。

表1 探地雷達(dá)的性能

圖1 探地雷達(dá)原理示意圖[1]

1 探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

關(guān)于探地雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的研究最先起步于國外,且在20世紀(jì)初就有相關(guān)的學(xué)者開始具體的研究。1904年,德國學(xué)者Hulsemeyer第一次利用電磁波信號(hào)來探測(cè)地下預(yù)埋的金屬物體的位置,這一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也被后人認(rèn)為是探地雷達(dá)的首次應(yīng)用[2]。1910年,Gottheif Leiback和Heinrick Lowy首次使用連續(xù)的電磁波對(duì)地下預(yù)埋物體進(jìn)行探測(cè)并正式提出了探地雷達(dá)技術(shù)的概念[3]。1926年,Hulsenbeck首次提出并使用電磁脈沖來對(duì)地下介質(zhì)進(jìn)行勘探,并得出電磁波在介電常數(shù)變化的界面會(huì)很容易產(chǎn)生反射這一理論[4]。1929年,德國物理學(xué)家Sterm首次利用電磁脈沖進(jìn)行冰川厚度的探測(cè)研究,雖然勘探結(jié)果不盡人意,但卻為后面的地層厚度探測(cè)工作提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[5]。1937年,Melton提出的脈沖雷達(dá)系統(tǒng)標(biāo)志著探地雷達(dá)技術(shù)的系統(tǒng)化發(fā)展。在之后的二十年時(shí)間里,探地雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用發(fā)展卻很慢[3],其主要原因是地下介質(zhì)情況較為復(fù)雜,電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)有很大的衰減,也限制了電磁波的穿透能力,并且當(dāng)時(shí)使用的設(shè)備也較為落后。直到20世紀(jì)60年代左右,探地雷達(dá)技術(shù)重新被學(xué)者和研究家們重視起來,并投入大量的時(shí)間和精力致力于探地雷達(dá)的研究工作中。1960年, Cook研究員使用脈沖雷達(dá)在礦井中做勘探實(shí)驗(yàn)并取得了不錯(cuò)的解釋成果,也因此研發(fā)一套較為完整的探地雷達(dá)系統(tǒng)[4]。1968年,MIT專門為軍隊(duì)研發(fā)了一套可用于檢測(cè)地下坑道的雷達(dá)系統(tǒng),在后來的使用中也受到了軍隊(duì)的青睞[5]。1978年,Unterberger等也嘗試將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在介質(zhì)鹽層的探測(cè)中。之后,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷提高和對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)的大量研究,探地雷達(dá)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,同時(shí)這一時(shí)期也涌現(xiàn)出一大批探地雷達(dá)設(shè)備研發(fā)制造公司。21世紀(jì)初,隨著數(shù)字化探地雷達(dá)系統(tǒng)的研發(fā)成功,解決了探測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)難題,加快了數(shù)據(jù)處理速度,提高了工作效率,因此,探地雷達(dá)技術(shù)也開始應(yīng)用在各行各業(yè)中,如工程地質(zhì)探測(cè)、地下礦產(chǎn)資源探測(cè)、考古檢測(cè)、水文探測(cè)、道路以及城市管線探測(cè)領(lǐng)域。Chan等[6]使用探地雷達(dá)對(duì)淺水層下目標(biāo)的識(shí)別,勘探結(jié)果表明有著良好的識(shí)別能力。 Young等[7]使用探地雷達(dá)技術(shù)成功地識(shí)別地下的金屬管線和非金屬管線并確定其位置和管徑等。

相對(duì)于國外來說,我國對(duì)于探地雷達(dá)技術(shù)的研究起步較晚,開始于1980年,研究初期主要是依靠從國外引進(jìn)或買入的探地雷達(dá)設(shè)備。1985年,鐵道部引進(jìn)一臺(tái)SIR-8型探地雷達(dá)和市政部引進(jìn)一臺(tái)SIR-3型探地雷達(dá),并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究工作[8]。1990年,中國地質(zhì)大學(xué)首次引進(jìn)加拿大公司的EKKO-IV型探地雷達(dá)并用于一系列的研究中,這也為我國的探地雷達(dá)技術(shù)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[8]。國內(nèi)的研究探地雷達(dá)技術(shù)的主要地方是各個(gè)省的高校和研究所,如中國地質(zhì)大學(xué)、東南大學(xué)、北京遙感設(shè)備研究所等。1993年,方廣有等[9]研究了探地雷達(dá)脈沖在土壤中傳播時(shí)的失真特性,并指出了引起該特性的原因和如何恢復(fù)原波形的方法。1998年,徐興新等[10]將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在堤壩隱患探測(cè)中,其應(yīng)用結(jié)果表明,該技術(shù)能夠很好地查明堤壩中的多種隱患(如洞穴、裂隙和蟻巢)的位置和規(guī)模,且還將該技術(shù)推廣于探測(cè)庫底土工膜和蓄水區(qū)塌陷位置。2002年,劉敦文等[11]將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在古墓完整性的探測(cè)中,其探測(cè)結(jié)果表明,該技術(shù)能夠較準(zhǔn)確地查明古墓的地下形態(tài)、結(jié)構(gòu)與規(guī)模情況并得出土層速度的不均勻性有時(shí)會(huì)影響結(jié)果精度的結(jié)論。2015年,劉瀾波等[12]詳談了探地雷達(dá)在幾個(gè)基礎(chǔ)地學(xué)與工程技術(shù)鄰域中的應(yīng)用、評(píng)述了探地雷達(dá)技術(shù)的變異形式(如鉆孔雷達(dá)、探月雷達(dá))并強(qiáng)調(diào)了該技術(shù)是淺地表地球物理科學(xué)的重要工具。2022年,曾雄鷹等[13]提出一種基于雙主頻高動(dòng)態(tài)探地雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)并應(yīng)用于道路病害檢測(cè)中,該雙主頻檢測(cè)系統(tǒng)兼顧了探測(cè)深度和縱向分辨率,能夠很好地識(shí)別地下病害類型、位置、埋深及影響范圍。

2 探地雷達(dá)正演的發(fā)展

探地雷達(dá)的正演模擬技術(shù)是指在給定初始條件和邊界條件下求解方程的問題,即給定介質(zhì)模型和相關(guān)物理參數(shù)條件下,研究探地雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的波在介質(zhì)模型中的傳播規(guī)律并計(jì)算在地面所接收到的電磁場(chǎng)信號(hào)的一種技術(shù)。正演模擬技術(shù)能夠獲得地下介質(zhì)中異常體在地表的反射波形態(tài),能夠從實(shí)測(cè)剖面上觀察出異常區(qū)域,進(jìn)而進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和解釋,因此,正演模擬技術(shù)是探地雷達(dá)的核心內(nèi)容。

探地雷達(dá)的正演模擬方法主要分為射線追蹤法和波動(dòng)方程法。射線追蹤法[14]是把電磁波波動(dòng)理論簡(jiǎn)單化為放射線理論,其原理是雷達(dá)波發(fā)射的運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)理論。這種方法有著運(yùn)算方便、適應(yīng)性強(qiáng)、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn),能夠直觀反映電磁波的幾何傳播路徑的優(yōu)點(diǎn),但由于缺少雷達(dá)波相關(guān)的動(dòng)力學(xué)信息,無法體現(xiàn)出電磁波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。因此,現(xiàn)如今占據(jù)主流的正演模擬方法是波動(dòng)方程法。波動(dòng)方程法[15]以電磁波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征為基礎(chǔ),運(yùn)用數(shù)學(xué)上比較完善的理論方法來解決雷達(dá)波的微分方程。波動(dòng)微分方程的運(yùn)算中通常會(huì)包含比較多的波動(dòng)性變化信號(hào)與波場(chǎng)介質(zhì)參數(shù),可為模型的求解和處理提供了良好的憑證,使得波動(dòng)性微分方程正演仿真方式在探地雷達(dá)正演仿真中具有絕對(duì)的主導(dǎo)地位。然而,波動(dòng)方程法中最為廣泛使用的2種方法為有限差分法和有限單元法。

時(shí)域有限差分法(Finite Diffience Time Domain,簡(jiǎn)稱FDTD)是探地雷達(dá)正演模擬最原始的數(shù)值計(jì)算方法,其基本原理[9]是通過麥克斯韋方程組,利用二階和高階的差分方程近似將旋度方程中的微分格式全部轉(zhuǎn)換為差分格式,再根據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的邊界條件方程和初值條件方程,從而能夠?qū)B續(xù)的電磁場(chǎng)的方程進(jìn)行離散求解。YEE[16]在其所撰寫的《各向同性介質(zhì)中麥克斯韋方程組初邊值問題的數(shù)值解》論文中指出利用YEE氏網(wǎng)格的空間離散,將麥克斯韋方程組轉(zhuǎn)變成了有限差分的格式,自時(shí)域有限差分法被提出后,該技術(shù)便在探地雷達(dá)正演模擬中獲得了普遍的運(yùn)用。1975年,Taflove等[17]使用瞬態(tài)麥克斯韋方程組求解穩(wěn)態(tài)電磁散射問題。1981年,Mur[18]提出Mur吸收邊界從而能夠解決使用有限差分技術(shù)求解電磁場(chǎng)方程時(shí)有角所引起的場(chǎng)奇異性問題。1990年,Luebbers等[19]提出一種與高度分散材料(如雪、冰、等離子體等)頻率相關(guān)的時(shí)域有限差分公式。2006年,劉四新等[20]提出一種全新的時(shí)間域有限差分算法,該算法能夠計(jì)算出介電常數(shù)并且隨頻率變化滿足Debye關(guān)系的頻散介質(zhì)中麥克斯韋方程。2009年,馮德山等[21]提出了一種探地雷達(dá)時(shí)域多分辨正演模擬方法,并推導(dǎo)了三維DB2-MRTD法的差分方程,并且還設(shè)計(jì)出小波域探地雷達(dá)三維偏移處理算法。2009年,吳豐收等[22]應(yīng)用高階時(shí)域有限差分法時(shí),使用各向異性完全匹配層作為吸收邊界條件,在處理不同復(fù)雜介質(zhì)中分布的信號(hào)上,可以很好地表現(xiàn)信號(hào)的細(xì)微變化。

有限單元法(Finite Element Method,簡(jiǎn)稱FEM),其基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法,其基本求解思想是把計(jì)算域劃分為有限個(gè)不規(guī)則單元,在每個(gè)單元內(nèi),選擇單元上的節(jié)點(diǎn)作為插值點(diǎn),將微分方程中的方程式改寫成由各節(jié)點(diǎn)值和插值函數(shù)組成的表達(dá)式,最后對(duì)該表達(dá)式進(jìn)行求解。有限單元法最初是應(yīng)用在固體地球?qū)W領(lǐng)域中,但隨著正演技術(shù)的進(jìn)一步研究發(fā)展,部分學(xué)者開始嘗試把有限單元法運(yùn)用到地球物理學(xué)中,并首先運(yùn)用在地震波相關(guān)的正演模擬領(lǐng)域。1982年,杜世通[23]首次使用有限單元法來處理不均勻介質(zhì)的波動(dòng)方程并取得了較為準(zhǔn)確的數(shù)值解,同時(shí)還提出了一維和二維波動(dòng)方程有限元數(shù)值解法數(shù)學(xué)原理。由于雷達(dá)波與地震波傳播原理較為相似,所以較少數(shù)學(xué)者也開始試著將有限單元法應(yīng)用于探地雷達(dá)的正演模擬中。1994年,沈飆等[24]根據(jù)雷達(dá)波波動(dòng)方程與地震波波動(dòng)方程的一致性,首次將地震波正演處理方法應(yīng)用到探地雷達(dá)中,并取得了不錯(cuò)的正演結(jié)果,為探地雷達(dá)有限單元法正演技術(shù)奠定了一定的理論基礎(chǔ)。2001年,Faning和boothby[25]在利用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)拱橋進(jìn)行檢測(cè)時(shí),使用了三維有限單元法正演技術(shù)并取得了較好的檢測(cè)結(jié)果。1999年,底青云等[26]使用麥克斯韋方程組的同時(shí)考慮到了其衰減項(xiàng),對(duì)大量的復(fù)雜地電模型進(jìn)行有限單元法正演模擬。2003年,謝輝等[27]使用二十節(jié)點(diǎn)等參數(shù)單元對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行三維有限元計(jì)算并且還依此建立了電磁波全反射傳播的正演模型。2011年,陳承申[28]根據(jù)麥克斯韋方程組,詳細(xì)推導(dǎo)了探地雷達(dá)的有限元波動(dòng)方程并介紹了探地雷達(dá)二維有限元波動(dòng)方程數(shù)值解的方法原理。

3 探地雷達(dá)反演的發(fā)展

探地雷達(dá)反演是指根據(jù)所測(cè)得的雷達(dá)數(shù)據(jù),用相關(guān)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行推算地下介質(zhì)物性參數(shù)以及建立介質(zhì)模型。目前,我國在探地雷達(dá)領(lǐng)域的反演方法主要分為基于射線的層析反演和基于波動(dòng)方程的全波形反演2種,且2種方法理論技術(shù)均為不成熟。

1980年,Dines等首次將計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)應(yīng)用到地球物理勘探領(lǐng)域并提出了層析成像這一概念,這也為今后的探地雷達(dá)反演技術(shù)提供了一定的理論基礎(chǔ)。Mangué[29]等提出一種基于探地雷達(dá)首波的旅行時(shí)間的井間層析成像反演的新方法,該方法考慮了地質(zhì)結(jié)構(gòu),并能依靠較少的物性參數(shù)進(jìn)行反演,對(duì)地下介質(zhì)中的界面位置和傾角等有著較好的識(shí)別效果。2013年,杜翠等[30]提出運(yùn)用探地雷達(dá)層析成像技術(shù)進(jìn)行復(fù)墾土壤的層次檢測(cè),并構(gòu)建了介質(zhì)波速模型,其研究結(jié)果表明,反演的準(zhǔn)確率較高,使用效果較好。2014年,楊峰等[31]建立一個(gè)典型的金屬礦區(qū)速度模型,并在有代表性的切片上使用層析成像算法進(jìn)行反演計(jì)算,其反演結(jié)果表明,誤差控制在1%之內(nèi)。近年來,隨著工程建設(shè)的需要和各種反演方法的不斷改進(jìn)和完善,層析成像反演技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)地較為多樣性,并且能夠具有解決實(shí)際工程問題的能力。

反演問題分為線性反演問題和非線性反演問題,前者在解決問題中困難較少易解決,而后者在解決問題中較為復(fù)雜難解。一般的復(fù)雜地質(zhì)反演問題均屬于非線性反演問題,因此,為了在解題中減少問題的出現(xiàn)和復(fù)雜度,一般會(huì)將該類問題做近似線性化處理。早期的線性近似方法有Born法和Rytow法[32]。2004年,Cui等[33]提出當(dāng)介質(zhì)特性相差較大時(shí),利用Born近似法進(jìn)行求解較為困難甚至完全不能解決。2015年,Backus等[34]提出一種逐步線性化的方法,形成較完善的BG反演理論。同年,Métivier等[35]提出一種將Born遷移算子設(shè)計(jì)用于求解線性化逆問題的漸近算子與全波形反演相結(jié)合的算法。將非線性化問題做近似線性化處理雖然能夠降低難度和減少運(yùn)算量但卻不能夠滿足高精度要求。為了處理更加復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和滿足高精度工程要求,許多學(xué)者不得不開始著手研究非線性反演方法。2015年,雷林林等[36]使用時(shí)間域全波形反演算法對(duì)地下相對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行反演,并將反演后的地下相對(duì)介電常數(shù)模型作為逆時(shí)偏移成像的初始速度模型。2017年,Guan等[37]利用基于遺傳算法的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行全波形反演進(jìn)而對(duì)石灰?guī)r的進(jìn)水情況進(jìn)行檢測(cè)并取得不錯(cuò)的結(jié)果。2019年,張崇民等[38]將全波形反演技術(shù)應(yīng)用到隧道施工領(lǐng)域中,對(duì)不良地質(zhì)體建立數(shù)值模型和反演運(yùn)算,最后也取得了不錯(cuò)的效果。

4 人工智能應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

人工智能(Artificial Intellgence,簡(jiǎn)稱AI)是用于模擬和延展人類智能的理論與思維的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能的主要功能是通過研究人類的活動(dòng)規(guī)律和思維變化,使得該系統(tǒng)具有一定仿人的能力,通俗的講就是研究如何讓計(jì)算機(jī)去完成以往需要人的智力才能勝任的工作。1956年,麥卡賽和明斯基等眾多科學(xué)家共同研究如何用機(jī)器來模擬人類智能的一系列相關(guān)問題,并首次提出人工智能這一概念。在此之后,人工智能技術(shù)領(lǐng)域取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,也廣泛地應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)明,計(jì)算機(jī)也逐漸被科學(xué)家變成來模仿人類思維的工具。

隨著人工智能的興起,一些地球物理專家開始試著將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到地球物理中,看是否能夠促進(jìn)物探方法的發(fā)展以及解決一些人為無法求解的難題等。21世紀(jì)初左右,國內(nèi)外的學(xué)者開始將人工智能應(yīng)用在探地雷達(dá)領(lǐng)域中,主要是解決一些道路檢測(cè)和雷達(dá)數(shù)據(jù)圖像識(shí)別問題等。2000年,王群等[39]利用Welch功率譜來提取探地雷達(dá)所獲取的目標(biāo)信號(hào)特征,并將該特征用于訓(xùn)練LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測(cè)目標(biāo)的分類且還能達(dá)到實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的能力。2004年,劉敦文等[40]提出了一種用于隧道探地雷達(dá)信號(hào)解釋的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和算法,在對(duì)隧道襯砌厚度進(jìn)行實(shí)際探測(cè)后,結(jié)果表明該方法有著較高的工作效率和解釋精度。2007年,希臘Loizos等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在瀝青混凝土剛度的評(píng)價(jià)中,有著良好的效果[41]。2009年,意大利Caorsi等[42]將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在道路災(zāi)害探地雷達(dá)檢測(cè)診斷中,根據(jù)解釋成果對(duì)異常區(qū)進(jìn)行實(shí)地深挖檢查,最后表明正確率較高。同年,我國鄒華勝等[43]應(yīng)用支持向量機(jī)方法,通過建立向量機(jī)回歸模型和計(jì)算研究,實(shí)現(xiàn)了對(duì)油田儲(chǔ)層厚度的預(yù)測(cè)和計(jì)算。2010年,杜攀峰等[44]提取各種鐵路路基病害的特征,通過學(xué)習(xí)向量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來識(shí)別路基的各種病害類型。2012年,甘建強(qiáng)等[45]將改進(jìn)后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到探地雷達(dá)圖像識(shí)別技術(shù)中,其結(jié)果表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能高效且準(zhǔn)確地自動(dòng)識(shí)別雷達(dá)圖像里的異常圖像。同年,胡浩幫等[46]將Faster R-CNN算法應(yīng)用在探地雷達(dá)對(duì)管線的智能識(shí)別中,其結(jié)果表明該算法較傳統(tǒng)圖像識(shí)別方法有著抗干擾能力強(qiáng),運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。2013年,法國Bastard等[47]將支持向量機(jī)應(yīng)用在探測(cè)地面厚度的應(yīng)用中。同年,南昌大學(xué)項(xiàng)雷[48]也實(shí)現(xiàn)了支持向量機(jī)應(yīng)用在公路檢測(cè)探地雷達(dá)圖像的自動(dòng)識(shí)別。以及周輝林等[49]也應(yīng)用支持向量機(jī)到自動(dòng)檢測(cè)高速路基的病害中且檢測(cè)的結(jié)果正確率達(dá)到了92.7%。2014年,上官鵬程等應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到提取瀝青路面密度中,其結(jié)果數(shù)據(jù)表明該方法具有實(shí)用和高效性[50]。2015年,美國E.Besaw等[51]率先使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)來提取和分類探地雷達(dá)B掃描中包含的復(fù)雜特征。2016年,Li等[52]將隨機(jī)霍夫變換算法(RHT)在不同中心頻率下應(yīng)用在雷達(dá)剖面中樹根的識(shí)別中,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明準(zhǔn)確識(shí)別率達(dá)到了80%。2017年,鄭晶等[53]提出一種探地雷達(dá)圖像分割方法并詳細(xì)介紹了該方法實(shí)現(xiàn)的步驟。這種方法是利用聚類思路將雷達(dá)圖像進(jìn)行分割,放大異常圖像區(qū),舍棄正常的圖像且無需大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù),便能實(shí)現(xiàn)精確提取目標(biāo)。2019年,Lei等[54]將Faster R-CNN算法應(yīng)用于灰色GPR-B掃描圖像中識(shí)別雙曲線特征,然后將提取檢測(cè)到的區(qū)域轉(zhuǎn)換為二值圖像,根據(jù)提出一種新的雙聚類搜索估計(jì)算法(DCSE)將目標(biāo)點(diǎn)相互分離,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙曲線特征的識(shí)別。同年,Kang等[55]開發(fā)一種基于追蹤的背景過濾算法并建立深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),然后將其應(yīng)用在三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分類地下物體中,并且還能實(shí)現(xiàn)快速和全自動(dòng)的數(shù)據(jù)解釋。2020年,Lei等[56]提出自適應(yīng)目標(biāo)區(qū)域檢測(cè)算法(ATRD)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)短時(shí)記憶框架(CNN-LSTM),并將ATRD應(yīng)用于從包含雙曲線特征的B掃描中提取區(qū)域,將CNN和LSTM網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來提取雙曲線區(qū)域特征從而達(dá)到地下圓柱物體檢測(cè)以及直徑識(shí)別。

5 總結(jié)與展望

目前,國產(chǎn)探地雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)品均有著良好的用戶使用反饋,且該產(chǎn)品也能夠滿足絕大部分的工程需求和實(shí)驗(yàn)精度要求。但相比較于國外的儀器產(chǎn)品,仍存在著一定的差距。在面對(duì)一些高難度和高精度需求的工程和實(shí)驗(yàn)上,用戶所使用的儀器大部分還是進(jìn)口產(chǎn)品,如SIR系列、MK系列等,但同時(shí)也會(huì)帶來價(jià)格昂貴和售后不易等難題。綜上所述,國產(chǎn)探地雷達(dá)系統(tǒng)的前景還是非常廣闊的,但仍需要大量的研究、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用使得該產(chǎn)品向著更智能、更簡(jiǎn)便、更高精度、更高性價(jià)比的方向發(fā)展。

目前,探地雷達(dá)的正演模擬技術(shù)得到了許多學(xué)者的廣泛關(guān)注,時(shí)域有限差分法和有限元法2種正演模擬方法在實(shí)際應(yīng)用中均有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。時(shí)域有限差分法在目前算是使用率最高、理論技術(shù)最為成熟的正演技術(shù),但由于采用較為規(guī)則的網(wǎng)格單元,不能很好地模擬復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。然而有限單元法能夠采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分,對(duì)一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行正演模擬,但該方法所生成的系數(shù)矩陣和稀疏方程組的求解較復(fù)雜且量多。所以,在未來為了滿足高精度和高效率的條件,可以將各種正演模擬方法優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ),開展一系列的混合算法進(jìn)行探地雷達(dá)的正演模擬,這也將會(huì)是未來探地雷達(dá)的正演模擬技術(shù)的發(fā)展與主攻方向。

同時(shí),探地雷達(dá)的反演模擬技術(shù)也同樣備受關(guān)注。探地雷達(dá)層析成像技術(shù)的橫縱向分辨率較高,但其誤差會(huì)隨著速度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度而增大,特別是遇到一些較為不好的界面如陡峭界面時(shí),其反演的結(jié)果受干擾較大從而導(dǎo)致精度的差異。全波形反演算法有著精度較高的優(yōu)點(diǎn),但因其算法終究還是非線性算法,其反演的結(jié)果是不穩(wěn)定的,在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)還欠佳?？傊?在探地雷達(dá)的反演領(lǐng)域中,還需要不斷地提出、改進(jìn)和聯(lián)合反演算法使得反演結(jié)果有著更高的精度、更快的效率和更好的穩(wěn)定性。

從人工智能應(yīng)用于探地雷達(dá)技術(shù)的研究進(jìn)展中可以看出,在探地雷達(dá)領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)開始伴隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的摻入,大部分的應(yīng)用研究目標(biāo)領(lǐng)域是能夠自主對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行分析并找到異常區(qū)域以及自主分類,并作進(jìn)一步的解釋以及對(duì)地下目標(biāo)體的大小、位置和形狀進(jìn)行測(cè)量與分析。目前,已有大量的關(guān)于人工智能與探地雷達(dá)相關(guān)結(jié)合的研究,研究階段也從“人能做、AI能做,但AI沒有人做的好”的階段開始向“人能做,AI能做,AI做得比人好”的階段飛速發(fā)展,但其研究的最終階段是“人做不到,但AI能做”的階段。因此,前方仍然需要更多的專業(yè)研究學(xué)者和技術(shù)專家的不懈努力,使得探地雷達(dá)系統(tǒng)在有了人工智能的加入后,不僅是能夠?qū)走_(dá)圖像進(jìn)行自主分析,而且是拓展到探地雷達(dá)技術(shù)的各個(gè)方面。

從上述篇幅的論述中可以知道,探地雷達(dá)的各方面技術(shù)已經(jīng)逐漸趨向于成熟,技術(shù)研究、數(shù)據(jù)的處理和解釋等方面也在不斷地進(jìn)步,應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。隨著探地雷達(dá)的影響不斷增加,各國的研究學(xué)者也將會(huì)把目光聚焦在探地雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的未來發(fā)展研究中,不斷地更新和研發(fā)技術(shù),但同時(shí)也會(huì)將面臨更大的難題和挑戰(zhàn)。