一种基于空耦SFCW技术的矿山滑坡体土壤含水率测量方法与流程

本发明属于矿山物性参数监测，更具体的说涉及一种基于空耦sfcw技术的矿山滑坡体土壤含水率测量方法。

背景技术：

1、在工程勘探领域，监测土壤含水量是保障岩土工程质量和施工仪器设备安全的重要环节。目前针对土壤含水率的测量有许多方法，其中比较典型的包括取样烘干法、时域反射法(tdr)、频域反射法(fdr)、中子法和电容法等，但这些测量方法基本都属于接触式测量方法。面对矿山井下复杂的环境，接触式测量方法存在一定的局限性，插入式测量装置不仅会对土壤造成破坏，而且测量效率低，大多只能用于小范围或单点土壤含水率测量。

2、随着科学技术的发展，雷达作为一种新型的、快速的、无损的中尺度土壤含水量探测方法，受到了国内外广大学者的关注。美国首先提出将探地雷达运用于土壤含水率检测，随后美国、芬兰的科学家们对此展开深入研究，我国从1990年才逐步开始探地雷达在土壤含水率测量方面的研究。近些年，研究中大多数用于土壤含水率监测的都是基于窄带脉冲式探地雷达，研究发现，这种脉冲的频宽较窄，使用时需要多组雷达天线组合使用才能进行不同深度的全范围探测，探测分辨率低，且探测过程中信号容易受噪声影响，而sfcw信号可以根据具体需求调整信号的频率范围和步长，用于探地雷达相比于脉冲信号具有更强的抗噪性能。

3、基于以上研究背景，本发明提出了一种基于空耦sfcw的矿山滑坡体土壤含水率测量方法。本发明将该方法应用于矿山滑坡体堆积物含水率非接触式实时监测之中。及时探明矿山出矿口滑坡体堆积物水分状况，有助于巡检人员对矿区边坡的安全管理和预防治理对策做出补充修正，对矿山的安全生产和智能化建设具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是克服传统接触式土壤含水率监测技术的不足，面向矿山出矿口滑坡体土壤含水率这一特定对象，提出一种基于空耦sfcw技术的矿山滑坡体土壤含水率测量方法。

2、为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：所述的方法包括：

3、s1、利用空耦sfcw雷达对实际滑坡体土壤进行扫描并采集数据；

4、s2、对雷达数据进行信号降噪处理；

5、s3、对降噪吼雷达信号进行不同湿度土壤层反射系数r计算；

6、s4、利用高精度土壤含水率仪器测量对应的含水率以生成反射系数-含水率数据集；

7、s5、建立特征数据库并利用支持向量机模型svm进行数据拟合，训练时只依赖于支持向量，适用于小样本数据；

8、s6、利用训练好的模型预测反演得到含水率值。

9、在一个方案中，所述的s1具体实现过程如下：

10、根据电磁波理论，高频电磁波在介质中传播满足maxwell方程组，微分形式的maxwell方程组如下：

11、

12、其中，e是电场强度；b是磁感应强度；h是磁场强度；d为电位移；j为电流密度；ρ为电荷密度；t为脉冲行程时间。

13、在一个方案中，所述的s2降噪处理包括背景去除、零漂去除和带通滤波。

14、在一个方案中，所述的s3反射系数r过程如下：

15、发射天线和接收天线之间的相对距离为x，反射面深度为h，反射波在土壤中旅行时间为t，在土壤中传播速度为v；

16、计算出反射波在土壤中的传播速度v为：

17、

18、依据传播速度和介电常数之间的关系式，可以计算出相对介电常数ε为：

19、

20、假设电磁波传播方向是从介质1入射到介质2，介质1和介质2的相对介电常数为ε1和ε2，反射系数r与介电常数有如下关系：

21、

22、在一个方案中，所述的s5包括以下步骤：

23、s501、通过试验得到多组反射系数-含水率对应值，将数据集导入支持向量机模型；

24、s502、对数据集进行数据预处理，包括剔除缺失值、异常值处理及划分训练集测试集；

25、s503、从获取到的反射系数数据集中提取出与含水率相关的特征，包括通过处理得到的反射系数值、介电常数值、反射系数差值；将提取出的特征值进行特征编码并构建一个特征数据库，最后与相应的含水率数据进行关联；

26、s504、利用支持向量机算法搭建一个拟合模型对特征数据库进行训练和测试，对拟合结果是否达到精度要求进行判断，通过调整模型中的权重参数得到预测最优模型；

27、s505、得到的最优模型进行拟合预测并输出结果。

28、在一个方案中，所述的s1的雷达扫描与采集数据过程中，同时进行多点、多深度的采集，以获取更全面的土壤含水情况。

29、本发明有益效果：

30、1.采用空耦sfcw雷达技术监测矿山滑坡体土壤含水率，发射信号为步进频率连续波信号，相较于脉冲信号，步进频率连续波信号可以根据具体需求调整信号的频率范围和步长以减小干扰信号带来的影响，具有较强的抗干扰能力和扩展带宽的能力。

31、2.相较于其他接触式测量方法，采用空耦sfcw雷达技术监测矿山滑坡体土壤含水率可以实现非接触式大范围测量，克服了目前接触式测量方法的局限性。

技术特征：

1.一种基于空耦sfcw技术的矿山滑坡体土壤含水率测量方法，其特征在于：所述的方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于空耦sfcw技术的矿山滑坡体土壤含水率测量方法，其特征在于：所述的s1具体实现过程如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于空耦sfcw技术的矿山滑坡体土壤含水率测量方法，其特征在于：所述的s2降噪处理包括背景去除、零漂去除和带通滤波。

4.根据权利要求1所述的一种基于空耦sfcw技术的矿山滑坡体土壤含水率测量方法，其特征在于：所述的s3反射系数r过程如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于空耦sfcw技术的矿山滑坡体土壤含水率测量方法，其特征在于：所述的s5包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种基于空耦sfcw技术的矿山滑坡体土壤含水率测量方法，其特征在于：所述的s1的雷达扫描与采集数据过程中，同时进行多点、多深度的采集，以获取更全面的土壤含水情况。

技术总结
本发明提出了一种基于空耦SFCW技术的矿山滑坡体土壤含水率测量方法，属于矿山物性参数监测技术领域，该方法主要包括：使用空耦SFCW雷达对滑坡体土壤进行扫描并采集数据；对雷达数据进行降噪处理；计算不同湿度土壤层的反射系数；利用精密土壤含水率测量设备获得相应的含水率，生成反射系数‑含水率数据集；建立特征数据库，运用支持向量机模型对数据进行拟合训练；最后利用训练好的模型预测含水率。该方法能实时、无损伤地获取滑坡体土壤的含水率，有助于及时进行滑坡预警与防治。此外，该方法还可以应用于其他需要监测土壤含水率的领域，如农业灌溉、湖泊保护等。

技术研发人员：杨朝义,黄恒,谢航,杨云琛,都吉,周生,胡明川,李志华,陈志军,陈建国
受保护的技术使用者：云南迪庆有色金属有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/30