基于深度学习及广义高斯分布的时空多尺度GPR全波形反演
批准号:
42104143
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王珣
依托单位:
学科分类:
空间物理学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王珣
中文摘要
探地雷达(GPR)的全波形反演(FWI)是一种定量获取探测对象物性参数的高分辨成像技术。然而该技术计算量庞大,非线性、不适定性问题突出,且在实际应用中会受到源子波未知、噪音干扰等问题的制约,无法快速精确地指导生产实践。为此,申请人通过构建广义高斯分布目标函数,解决FWI的子波依赖和数据噪音问题;利用多信息约束的复合正则化方法,改善多参数反演中的串扰问题,提高反演稳定性和精度;结合深度学习的低频数据预测器和深度学习的超分辨技术构建时空多尺度反演框架,减少反演的非线性,避免陷入局部极值;最后,通过深度学习的快速正演方法和梯度预测器方法,提高反演的计算效率。可以预见,通过结合深度学习、广义高斯分布及复合正则化等技术提升GPR数据FWI的性能,能达到增强GPR反演算法高效性、可靠性和实用性的目的,加快推动实测雷达数据高精度实时反演的进程。
英文摘要
The full-waveform inversion (FWI) of ground penetrating radar (GPR) is a high-resolution imaging technology for quantitatively obtaining the physical parameters of the detected object. However, this technology has a large amount of calculation, the nonlinearity and ill-posedness of it are prominent, and in practical application, it will be restricted by unknown source wavelet, noise, and other problems, so it cannot guide the production implementation quickly and accurately. Therefore, the applicant first proposes to construct the generalized Gaussian probability distribution misfit function for solving the problem of wavelet dependence and noise of FWI; secondly, the multi-information constrained compound regularization method is used to eliminate the crosstalk problem in multi-parameter inversion, so as to improve the inversion stability and accuracy; then, a spatiotemporal multi-scale inversion framework is constructed by combining the deep learning (DL) based low-frequency data predictor and the DL based super-resolution technique to reduce the nonlinearity of inversion and avoid falling into local minima; and finally, the DL based fast forward modeling method and DL based gradient predictor method are used to increase the efficiency of inversion. It can be predicted that the combination strategy of deep learning, generalized Gaussian distribution and compound regularization could improve the performance of FWI, enhance the efficiency, reliability, and practicability of the inversion algorithm for GPR data, so as to accelerate the process of the real-time inversion of field radar data with high precision.
项目通过开展基于深度学习与广义高斯分布的时空多尺度GPR全波形反演研究,取得了一系列研究进展和成果,具体包括:(1) 实现了基于GPU并行计算的时间域谱元法探地雷达正演,通过吸收边界条件和谱元法参数的选取讨论给出了最优参数选取方案,显著提高了正演精度和效率。(2) 开发了不依赖子波的褶积型目标函数,结合奇异值分解自动选择时间窗口,无需精确估计子波即可准确重构地下介质的介电常数和电导率分布。(3) 采用震源编码策略,有效提升了井间数据、多偏移距数据和共偏移距数据的反演效率。(4) 提出了基于κ-广义高斯概率分布的κ-FWI方案,为强噪声环境下的GPR数据反演提供了新的解决思路。(5) 采用频率多尺度策略与全变差正则化的FWI方法,对GPR树木病害进行成像,并通过综合树干模型和现场试验证明了算法的有效性、鲁棒性和实用性。(6) 通过频率加权与多尺度方法进行波场重构反演,有效降低了反演过程中的非线性问题与对初始模型的依赖,增强了反演的稳定性。(7) 提出了基于深度学习的多频率与多尺度融合策略的全波形反演框架,显著提高了空间分辨率、算法鲁棒性及效率,增强了网络的泛化能力。(8) 基于超分辨技术的时空优化GPR全波形反演方法,结合超分辨梯度重构方法,进一步提升了计算效率,降低内存损耗至原有水平的4.17%,很大程度上增加了FWI方法在小型微机上的实用性。该项目研究发表了21篇SCI,其中JCR一区11篇,申请专利5项,软件著作权1项,完成学术著作1本,项目负责人获得2项省部级奖励。培养毕业硕士研究生1名,在读硕士研究生3名。通过本项目的实施,形成了一套具有实际应用价值的抗噪性强、鲁棒性高、泛用性广以及快速高精度的探地雷达全波形反演算法,有效提高了探地雷达的正反演速度,为探地雷达技术在国家重点工程建设中的应用发展提供了理论基础和技术支撑。
工程隐蔽病害的探地雷达精细智能反演
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批准号:2025JJ40033
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2025
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负责人:王珣
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依托单位:
基于足迹引导的频率域探地雷达三维反演
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批准号:2022JJ40584
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2022
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负责人:王珣
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依托单位:
国内基金
海外基金