X3M探地雷達(dá)在城市管線探測中的應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理方法

劉海君，黃芒芒

(西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司管網(wǎng)分公司，陜西西安 710054)

X3M探地雷達(dá)在城市管線探測中的應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理方法

劉海君?，黃芒芒

(西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司管網(wǎng)分公司，陜西西安 710054)

在對探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的特點進(jìn)行分析后，得出了探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的必要性，并結(jié)合作者使用的X3M探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了具體的分析，總結(jié)出若干經(jīng)驗，并給出城市管線探測中探地雷達(dá)圖像處理和分析的方法。

探地雷達(dá)；數(shù)據(jù)處理；濾波增益

1 探地雷達(dá)工作特點及數(shù)據(jù)處理概述

探地雷達(dá)的工作可以分為野外數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)處理和資料解釋三個階段，這三個階段是緊密相關(guān)的。只有較高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)才能為處理工作提供好的物質(zhì)基礎(chǔ)，如果原始資料很差，那么無論什么先進(jìn)的處理技術(shù)也不可能得出好的時間剖面。從另一個角度看，對于同樣的原始資料，所用的處理方法不同，得出的處理結(jié)果也可能差別很大。所以可以說，在探地雷達(dá)工作中，野外數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)，處理工作是關(guān)鍵。

之所以要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這跟探地雷達(dá)工作的特點有關(guān):

(1)在探地雷達(dá)測量中，為了保持更多的反射波特征，通常利用寬頻帶進(jìn)行記錄，于是在記錄各種有效波的同時，也記錄了各種干擾波。

(2)理想探地雷達(dá)發(fā)射脈沖應(yīng)該是一個尖脈沖，然而由于天線頻譜響應(yīng)的限制，這種發(fā)射脈沖實際是一個具有一定時間延續(xù)的波形。在雷達(dá)記錄中，一個界面的反射波一般要延續(xù)約 10 ns～20 ns(使用50 MHz～100 MHz天線)，因此相距在0.5 m以內(nèi)的兩個反射界面其到達(dá)時間僅差為幾ns，難以在雷達(dá)反射剖面圖像中區(qū)分開來。

(3)探地雷達(dá)測量的是來自地下介質(zhì)交界面的反射波。偏離測點的地下介質(zhì)交界面的反射點只要其法平面通過測點，都可以被記錄下來。

(4)探地雷達(dá)圖像由于干擾及地下介質(zhì)的復(fù)雜性等問題，使得有時難以從圖像剖面識別地下介質(zhì)的分布。

(5)在探地雷達(dá)測量中，天線的耦合波以及探測表面直接反射波由于其具有很高的能量，對目標(biāo)回波信號的提取有較強的干擾；對淺層目標(biāo)，目標(biāo)可能淹沒于直達(dá)波之中，無法進(jìn)行目標(biāo)的后處理和目標(biāo)分類。

(6)探地雷達(dá)發(fā)射的脈沖在地下傳播過程中，能量均會產(chǎn)生球面衰減，也會由于介質(zhì)對波的能量的吸收而減弱。

針對這些特點，為了壓制隨機和規(guī)則的干擾，以最大可能的分辨率在探地雷達(dá)圖像剖面上顯示反射波，提取反射波的各種有用的參數(shù)(包括電磁波速度，振幅和波形)來幫助解釋，需要對探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這些處理主要包括兩種:濾波和增益。其中濾波又包括數(shù)字濾波(頻率帶通濾波)，反濾波，水平濾波(抽取平均道濾波)，平均濾波等；增益又包括自動增益，線性增益和時變增益等。

2 X3M雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法

在城市管線探測過程中，管線探測儀受其工作原理的限制存在探測工作盲區(qū):非金屬管線如水泥、塑料與陶瓷等材質(zhì)管線；傳導(dǎo)電信號弱的金屬管線(如橡膠墊接口的鑄鐵管、球墨鑄鐵管等)和探測信號難以區(qū)分的并行與交叉金屬管線等。

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)技術(shù)是利用高頻電磁脈沖波的反射探測地下目的體分布形態(tài)及特征的一種技術(shù)，探地雷達(dá)應(yīng)用的物性前提是目標(biāo)管線體與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)和電磁波波速存在明顯差異。而地下鋪設(shè)的管線與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)遇電磁波速存在明顯的差異，因此探地雷達(dá)已經(jīng)成為管線普查專業(yè)隊伍的必備的儀器設(shè)備。

筆者單位使用的是瑞典MALA公司的X3M探地雷達(dá)，X3M探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集軟件是GroundVision (GV)，同時也是數(shù)據(jù)處理及分析軟件。GV處理雷達(dá)數(shù)據(jù)的方式，主要是對采集到的雷達(dá)圖像進(jìn)行濾波和增益處理，去除各種干擾信號，并加強目標(biāo)體反射信號，提高雷達(dá)圖像的分辨率，為探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的解釋提供很好的依據(jù)。在GV中提供的濾波和增益主要有7種，分別為AGC自動增益、背景去除濾波、頻率帶通濾波、DC濾波、平均濾波、去除平均道濾波、時間增益；如圖1所示。

圖1 濾波和增益的種類

如何設(shè)置這些濾波的參數(shù)，并按照合理的順序應(yīng)用到圖像處理中，是GV處理雷達(dá)圖像的關(guān)鍵。

(1)濾波增益的參數(shù)設(shè)置方法如下:

①AGC自動增益，時窗長度一般選擇為總樣點數(shù)的1/8。

②背景去除濾波，通常只應(yīng)用于長剖面，根據(jù)情況可以選擇3種不同的強度。

③頻率帶通濾波，控制單元會根據(jù)天線頻率自動設(shè)置。

④DC濾波是從數(shù)據(jù)中去掉DC漂移，主要是對深部的1/3樣點進(jìn)行處理，開始樣點一般選用總樣點數(shù)的2/3。

⑤平均濾波是對圖像做平滑處理，窗口越大，效果越明顯，一般選擇3 cm×3 cm。

⑥抽取平均道濾波又叫水平濾波，濾波參數(shù)的設(shè)置一般取其默認(rèn)設(shè)置，即選擇移動道平均，用于平均的道數(shù)選擇為60。

⑦TVG時變增益通過調(diào)節(jié)開始的樣點可以選擇要進(jìn)行放大的信號段，通過調(diào)節(jié)線性增益和指數(shù)增益值的大小可以選擇增益的效果，因為增益值會隨波形發(fā)生改變，所以通常使用自動設(shè)置。

(2)通過分析各種濾波的數(shù)學(xué)原理，筆者總結(jié)出圖2中的濾波和增益順序能得出初步的圖像處理結(jié)果。

首先進(jìn)行的是頻率帶通濾波，它是除去探地雷達(dá)測量時記錄的有效波之外的干擾信號，因為后續(xù)的濾波和增益都會對數(shù)據(jù)進(jìn)行道間或者道內(nèi)的均衡，所以之前必須去掉干擾信號，否則會影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；其次是AGC自動增益，這個增益是一種分段(8段)增益，在指定的分段時窗內(nèi)求取等效平均振幅來對各道進(jìn)行歸一化增益，主要是對深部信號起到放大的作用，因為在某些情況下需要加以區(qū)分的目的體與周圍介質(zhì)的電性差異不大，或者地層不均一所引起的回波幅度較大，使得目的體與非目的體的回波幅度差異減小，這時候需要增強目的體的信息；然后是除去平均道濾波，這個濾波是從各道中去掉平均道的數(shù)據(jù)，除去水平或近似水平的數(shù)據(jù)，主要是為了除去直達(dá)波，因為這些數(shù)據(jù)信號非常強，常常掩蓋了一些淺層較弱的目標(biāo)反射信號(AGC自動增益之所以要放在水平濾波之前是因為AGC自動增益是在深度方向上也就是每一道上進(jìn)行平均，而水平濾波也是在深度方向上進(jìn)行道間的均衡并去掉平均道的數(shù)據(jù)，如果AGC自動增益放在水平濾波之后會使水平濾波的效果在一定程度上被抵消)；最后是平均濾波，平均濾波主要是通過對數(shù)據(jù)平均處理降低數(shù)據(jù)的隨機噪聲，從圖像上來說平均濾波是用選定窗口的所有樣點的平均值來代替圖像中的每一點，作用是對圖像做平滑處理。

圖2 濾波和增益設(shè)置的順序與方法

此外列表中的另外三個未添加的濾波增益分別為DC濾波、背景去除濾波及TVG時變增益，它們的作用分別是去除DC漂移和水平濾波及深部信號加強。DC濾波在實踐中應(yīng)用效果不明顯，而后兩個則是因為與前面所提到的四個濾波增益有相同的作用，只是在效果方面有所不同，在實際應(yīng)用中較少用到，如背景去除濾波只在長剖面時才應(yīng)用。

3 圖像處理實例分析與驗證

3.1 實例一 煤航西院實驗圖像處理

(1)圖像顏色調(diào)節(jié)

雷達(dá)圖像有兩種顯示方式——黑白顯示和彩色顯示，如圖3所示。

圖3 雷達(dá)圖像的顯示方式(黑白:左，彩色:右)

黑白顯示的波形對比度好，易于識別波形。彩色顯示可設(shè)置不同振幅(反射波強度)的顯示顏色，利于區(qū)分。在室外采集數(shù)據(jù)時，應(yīng)將顯示方式設(shè)置為彩色顯示，因為筆記本是液晶顯示器，在室外顯示效果差，用彩色顯示看得更清楚。而在數(shù)據(jù)處理時，則分別使用黑白顯示和彩色顯示，得到不同效果的圖像。

(2)圖像處理后效果

按照上述的方法將原始采集的圖像處理，把經(jīng)過處理之后的雷達(dá)圖像與采集的原始圖像進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過處理之后的雷達(dá)圖像中目標(biāo)體(即管道)的位置更明顯，并且也多了很多在原始圖像中無法看到的地下物體。而且經(jīng)過刻度的修正處理之后，目標(biāo)體的位置也更真實。這些都說明了上述總結(jié)的處理方法得當(dāng)強大，效果相當(dāng)明顯。

圖4 雷達(dá)圖像處理后的效果

在進(jìn)行雷達(dá)探測之后，我們把所得的結(jié)果與已有的管線資料進(jìn)行對照發(fā)現(xiàn)雷達(dá)所得的結(jié)果非常準(zhǔn)確且直觀。這說明在配備了適當(dāng)?shù)奶炀€之后，使用雷達(dá)進(jìn)行管線的探測，有很明顯的效果，既能探測金屬管線，也能探測到管線儀基本無信號的非金屬管線。

3.2 實例二 生產(chǎn)項目中圖像及解釋

如圖5，作者在寧波市鄞州區(qū)管線普查過程中某一疑難點圖像處理的實例。從中可以看出濾波增益的明顯效果。

圖5 濾波增益調(diào)整前后圖像對比

剖面位于唐家漕，圖中位置4.2 m，深度0.85 m，存在明顯雙曲線異常，與資料核對應(yīng)為 φ150 mm給水砼管。根據(jù)上圖中管線異常的位置，利用地質(zhì)雷達(dá)測距輪回拉定位，找到圖像中異常對應(yīng)的實際位置，就可以很清楚地判斷出管線的位置，并在相距10 m、20 m、30 m處再實測幾個剖面，可以確定管線走向和深度，與前期調(diào)查情況相符，解決了該疑難點的管線走向與深度無法求證的疑難問題。

[1]李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社，1994

[2]粟毅，黃春琳，雷文太.探地雷達(dá)理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2006

[3]熊章強，方根顯.淺層地震勘探[M].北京:地震出版社，2002

The Application and Data Processing Manner of X3M in City Pipeline Detection

Liu HaiJun，Huang MangMang
(Underground Pipeline Branch Company of Xi’an Meihang Information Industry Co.，Ltd.Xi’an 710054，China)

The paper describes the necessity of data processing for Ground Penetrating Radar by analyzing it’s data features.The authors analyze data processing manner of X3M Ground Penetrating Radar，summed up some experience，and present images processing and analysis manner of Ground Penetrating Rader in the city underground pipeline detection.

Ground Penetrating Radar；Data processing；Filtering gain

1672－8262(2010)05－152－03

P631

B

2010—07—27

劉海君(1976—)，男，工程師，從事管網(wǎng)勘查項目的生產(chǎn)和技術(shù)管理工作。