全极化孔中雷达多极化联合的频率域全波形反演与极化属性分析

A fully polarimetric borehole radar system has been developed in the laboratory. This system can be used to acquire the fully polarimetric components,VV,VH,HV,and HH,with the four combinations of dipole and slot antennas. The usage of the combination of the transmitter and receiver with dipole and slot antennas is very unique for the system. Using the fully polarmetric components,VV,VH,HV,and HH, in this study multi-polarization components-based joint full-wave inversion in the frequency domain is proposed to improve data interpretation of the system'two operation modes, cross-hole and vertical radar profile(VRP) in finite element method. The methodology of joint inversion enables us to extract and make full use of all polarimetry components' dynamic characteristics to obtain the accurate distributions of dielectric constant and conductivity in the illumination area of the system. On the basis of joint inversion, polarimetric attribute analysis can be carried out with radar polarization decomposition technqiues, we have developed in the previous study,to implement the recognition,classification and physical characterization of subsurface targets. . Multi-polarization components-based joint inversion can greatly weaken the multiple solution of inversion problem, and has a strong ability of antinoise; the problem of local optimal solution based on the gradient iteration inversion method could be solved to some extent, using multi-scale frequency-scanning inversion strategy in frequency domain, which will enhance the convergence and the stability of inversion, and weaken the dependence of solution on an initial velocity model; radar polarization decomposition techniques can reveal the electomegnatic wave scattering mechanism, as a result, data interpretation could be greatly improved. This research will have a significant meaning for improving the detection accuracy and success rate through borehole radar.

以一套实验室开发的全极化孔中雷达为实验依托，针对跨孔、井-地（VRP）两种工作模式，利用全极化孔中雷达独特的偶极子天线和狭缝天线四种收发组合所获取的全极化信息（VV,VH,HV,HH），实施基于有限元的多极化联合的频率域全波形反演：目标是充分挖掘和利用该系统采集到的所有极化分量的动力学特征，实施多极化分量的联合反演，以获取精确的地下介质介电常数与电导率分布；在此基础上，充分利用现有的雷达极化属性分析技术对地下目标体进行进一步的识别、分类和描述。.多极化联合反演可以消弱反问题的多解性，并具有较强的抗噪能力；基于频率域由低频到高频-逐频反演的多尺度策略，可以规避梯度迭代类波形反演固有的局部最优解的干扰，能够提高反演的收敛性和稳定性，以及对初始速度模型的弱依赖性；雷达极化分解技术通过阐明电磁波散射机制的方式能够补充和提高资料的可解释度。因而本研究对提高孔中雷达的探测精度和成功率具有重要的意义。

本项目主要以一套实验室开发的全极化孔中雷达为实验依托，针对跨孔、井-地（VRP）两种工作模式，利用全极化孔中雷达独特的偶极子天线和狭缝天线四种收发组合所获取的全极化信息（VV,VH,HV,HH），实施基于有限元的多极化联合的频率域全波形反演：目标是充分挖掘和利用该系统采集到的所有极化分量的动力学特征，实施多极化分量的联合反演，以获取精确的地下介质介电常数与电导率分布；在此基础上，充分利用现有的雷达极化属性分析技术对地下目标体进行进一步的识别、分类和描述。多极化联合反演可以消弱反问题的多解性，并具有较强的抗噪能力；基于频率域由低频到高频-逐频反演的多尺度策略，可以规避梯度迭代类波形反演固有的局部最优解的干扰，能够提高反演的收敛性和稳定性，以及对初始速度模型的弱依赖性；雷达极化分解技术通过阐明电磁波散射机制的方式能够补充和提高资料的可解释度。因而本研究对提高孔中雷达的探测精度和成功率具有重要的意义。..本项目的主要研究内容实际上为如何针对4种天线组会（VV,VH,HV,HH），实现基于有限单元法的频率域2.5维高频电磁波的跨井正演模拟，并在此基础上尝试使用四种天线组会的数据进行联合反演。通过4年的努力，我们已经在基于2.5维频率域的4种天线组合正演模拟系统开发方面取得了比较大的进展，而在反演方面由于工作量比较大，已经得到初步的结果，但还未得到最理想的结果，而这也是我们后面努力的目标与方向。..本研究工作的重要科学意义在于，我们在地下探测中首次提出并实现了利用多极化联合探测地下目标体的概念与任务，对于地下目标体的精确探测提出了一种新的研究思路与工作方法。可以预期地下目标体探测的精度大幅提高。