地質(zhì)雷達探測過程中干擾物的圖像識別

魯建邦

(中鐵三局集團有限公司，太原 030001)

0 引言

地質(zhì)雷達作為一種快速、高分辨率、連續(xù)的無損檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工程地質(zhì)勘測、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查以及工程施工質(zhì)量檢測、隧道襯砌質(zhì)量檢測、超前地質(zhì)預(yù)報、巖溶普查等諸多領(lǐng)域［1－7］。趙玉良等［2］、竇順等［3］認為雷達探測可以較準(zhǔn)確地查明溶洞、地下水、斷層及不良地質(zhì)體的位置和分布情況，并對探測的距離進行探討;郭有勁［4］、李江林等［5］認為采用地質(zhì)雷達對隧道襯砌質(zhì)量檢測具有較好的效果;鐘世航等［6－7］在溶洞和溶隙的探測方面通過陸地聲納技術(shù)與地質(zhì)雷達技術(shù)的綜合應(yīng)用，證明這2種方法可互證、互補;蘭樟松等［8］、陳輝光［9］對地質(zhì)雷達探測過程中部分干擾因素進行了研究和分析。

業(yè)內(nèi)有人曾就干擾物對雷達圖像的影響進行了一些分析和研究，但在實際的工程探測過程中會出現(xiàn)眾多的外界干擾物，且作業(yè)的環(huán)境也不盡相同。如在進行外業(yè)工作時遇到垂直經(jīng)過或者斜交經(jīng)過高壓線路、在進行隧底檢測中遇到模板臺車和臺架、隧道襯砌檢測過程中鄰近避車洞等均會對探測數(shù)據(jù)的采集造成影響，并在采集圖像上留下很明顯的干擾信號。識別這些干擾，對提高地質(zhì)雷達圖像識別的準(zhǔn)確性、豐富干擾物圖像庫等方面都大有裨益。本文正是基于以上考慮，結(jié)合現(xiàn)場工程實例對地質(zhì)雷達在上述領(lǐng)域使用過程中的干擾物圖像識別進行闡述。

1 地質(zhì)雷達技術(shù)

1.1 地質(zhì)雷達工作原理

地質(zhì)雷達檢測方法是利用主頻電磁波(106～109Hz)探測介質(zhì)電性分布的一種地球物理方法。高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式在介質(zhì)表面通過發(fā)射天線將信號傳入介質(zhì)內(nèi)部，其路徑、波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)變化，經(jīng)地下目標(biāo)體或地層反射界面反射后返回地面，由接收天線接收，通過對所接收的雷達信號進行分析處理，達到探測地下或者隱蔽處目標(biāo)體的目的［10］。

1.2 地質(zhì)雷達測試過程中的干擾因素

雷達設(shè)備的干擾因素主要有儀器內(nèi)部干擾和外界干擾2種。儀器內(nèi)部干擾主要表現(xiàn)為天線盒震蕩信號干擾、天線控制電路之間干擾、發(fā)射與接收天線的直接耦合干擾等。儀器的內(nèi)部干擾相對穩(wěn)定，在氣候發(fā)生變化時內(nèi)部干擾也會產(chǎn)生不穩(wěn)定的變化。儀器的外界干擾主要有現(xiàn)場的金屬臺車和臺架、檢測用的臺車、工程勘測過程中外界高壓輸電線路、外界的電磁波等，同時由于干擾因素的存在，在進行數(shù)據(jù)分析的過程中很容易將干擾因素作為異常情況進行處理;另外，由于干擾信號在雷達測試圖像上形成的結(jié)果也會覆蓋實際地質(zhì)情況信號反映的缺失，給施工安全和質(zhì)量保證留下隱患。

2 有關(guān)干擾物的干擾圖像特征分析

2.1 高壓輸電線的干擾圖像特征

2.1.1 孤立地物在地質(zhì)雷達剖面的反射

地質(zhì)雷達發(fā)射的電磁波為三維空間球面波。目前使用的地質(zhì)雷達天線多數(shù)為屏蔽式天線，實際天線在發(fā)射和接收過程中仍然會接收到來自周圍空間的干擾物及空間電磁波的干擾信號，進而在圖像上留下干擾物的電磁波反射圖像。

地質(zhì)雷達測線附近地面存在孤立的物體，電磁波就會通過空氣傳播到該物體，并產(chǎn)生反射波。電磁波在空氣中傳播時能量衰減幾乎為零，反射波的能量很強，當(dāng)天線從這些孤立的物體旁通過時會在雷達剖面上形成一個雙曲線異常［9］，見圖1。

圖1 孤立物體在雷達圖像上形成的雙曲線Fig.1 Hyperbola in radar image caused by isolated objects

由圖1可得到雙曲線方程

孤立地物在地質(zhì)雷達剖面上的完整反映同向軸應(yīng)為雙曲線形狀，與地下介質(zhì)中孤立目標(biāo)的反映類似，通過現(xiàn)場檢測證明了此類情況的存在。

2.1.2 高壓輸電線在雷達剖面的成像

蘭樟松等［8］認為當(dāng)雷達測線垂直通過輸電線，天線的極化方向與輸電線方向平行時，輸電線引起的干擾呈雙曲線型，其頂點正對于輸電線的下方，尤其是高壓輸電線，其影響范圍達50～80 m。

在進行工程地質(zhì)勘測過程中，尤其是一些市政工程施工前的管線調(diào)查時，地面有與測線垂直的高壓輸電線，高壓輸電線在雷達圖像上產(chǎn)生的反射圖像具有同向軸的反射弧，與管線的反射圖像存在很大的相似之處。因此，在進行圖像分析過程中需結(jié)合現(xiàn)場的實際地物地貌進行有針對性的分析篩選，逐一排除干擾因素。

圖2為某城市道路地質(zhì)雷達探測圖。從圖2可看出在雷達圖上存在比較明顯的雙曲線反射信號。根據(jù)前期的施工地質(zhì)勘察報告得知在該區(qū)域不存在地下管道，且該雙曲線的深度和跨度均已大大超過一般地下管道的尺寸大小，個別影響范圍已達100 m左右，初步判斷不可能是來自于地下目標(biāo)體的反射圖，應(yīng)為地上物的反射。根據(jù)現(xiàn)場記錄，發(fā)現(xiàn)在測線經(jīng)過范圍內(nèi)存在高壓輸電線，如圖3所示。綜合以上分析判斷:在圖2上明顯的雙曲線反射信號為高壓輸電線的干擾反射信號，此信號可作為干擾信號進行處理。

圖2 高壓線干擾的雷達圖Fig.2 Radar images interfered by high － voltage power line

2.2 隧道內(nèi)臺車和臺架的干擾圖像特征

電磁波在金屬表面會產(chǎn)生全反射，反射系數(shù)接近1，反射波能量強，電磁波中心頻率不會降低，應(yīng)用高頻天線探測隧道中的鋼筋時，鋼筋形成清晰的反射弧，呈半張開的傘形。地質(zhì)雷達天線通過地表金屬物時會產(chǎn)生強反射，在地質(zhì)雷達剖面上反映為強能量同向軸出現(xiàn)，并且反射波會在金屬物和天線之間產(chǎn)生多次反射，在剖面上表現(xiàn)為強能量同向軸垂向延續(xù)時間長的特點［11］。

圖3 測線上方的高壓線Fig.3 High-voltage power line above surveyline

圖4為隧道內(nèi)仰拱質(zhì)量檢測雷達圖，由于現(xiàn)場條件限制，存在1部襯砌臺車和1部臺架，在探測過程中考慮到臺車和臺架可能對采集信號產(chǎn)生干擾，故結(jié)合現(xiàn)場的具體條件，分2種工況分別對該區(qū)域進行探測，以判斷臺車和臺架對雷達探測是否存在干擾和形成干擾反射圖像。需要說明的是，由于采集過程中隧道仰拱表面平整度較差，天線與接觸面的耦合不完全，圖像上存在一些干擾。

圖4 臺車和臺架干擾的雷達圖Fig.4 Radar image interfered by formwork trolley and platform

1)第1種工況(測線方向背離隧道出口)。在臺車和臺架位置均不改變的情況下進行仰拱檢測。圖4的下部存在2處明顯的弧形反射，2處圖像的中間距離與臺車和臺架的中心點距離基本吻合。

2)第2種工況(測線方向朝向隧道出口)。改變臺車和臺架之間的距離，保持臺車的位置不變，移動臺架。測線沿與第1種工況相反的方向重新進行檢測，發(fā)現(xiàn)圖像中只存在1處明顯的弧形反射，且位置與第1種工況一致，見圖5。

綜合判斷，圖4中明顯的雙曲線反射信號是臺車和臺架產(chǎn)生的干擾信號。

2.3 隧道內(nèi)避車洞圖像特征

在左右邊墻的檢測中，天線需要經(jīng)過避車洞，圖6為經(jīng)過避車洞時的反射圖像，從圖6中可看出避車洞的反射圖像類似于雙曲線形狀。

3 結(jié)論與討論

1)在采用地質(zhì)雷達進行地質(zhì)勘探及無損檢測時，周圍介質(zhì)中存在諸多干擾因素，這些干擾因素會產(chǎn)生很強的干擾信號，但這些信號均存在明顯的特征。比如:信號的影響范圍遠超過一般的地下目標(biāo)體大小;反射信號的波速接近于電磁波在空氣中的傳播速度以及反射圖像呈現(xiàn)明顯的雙曲線等。

2)在實際的雷達數(shù)據(jù)采集過程中，需要及時準(zhǔn)確地記錄各種可能存在的干擾因素，總結(jié)各種干擾信號的圖像特征，排除干擾圖像，提高地質(zhì)雷達探測的準(zhǔn)確性。

3)地質(zhì)雷達無損探測中的干擾信號可以通過選擇一定的數(shù)字處理技術(shù)進行抑制，比如對于繞射波可采取信號壓制技術(shù)進行處理等，有針對性地提高信噪比，使得雷達圖像質(zhì)量得以提高。但同時也應(yīng)注意，在采用信號壓制技術(shù)的過程中，應(yīng)保證其他信號的完整性和真實性。在地下管線等的探測過程中，一般的管線直徑均小于高壓線的干擾圖像大小，可通過尺寸比較進行識別;同時在實際的檢測過程中，需要認真做好現(xiàn)場記錄，尤其是在地面存在諸多干擾物時，需對干擾物的大小、位置、材質(zhì)進行記錄，便于圖像分析過程中參考比對。

4)地質(zhì)雷達作為一種快速、經(jīng)濟的無損檢測手段，在地質(zhì)勘探、隧道無損檢測等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，應(yīng)該大力推廣和使用。本文的目的也在于通過對地質(zhì)雷達使用過程中一些常見干擾物體圖像的解析，提高雷達信號處理的準(zhǔn)確性和工作效率。

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