單片機(jī)輔助的探地雷達(dá)采樣方法在巖溶探測中的應(yīng)用

周醒馭,周榮官

(1.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210096;2.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所,江蘇南京210024)

1 概 述

地質(zhì)雷達(dá)(GPR)是一種利用物體不同介電特性對(duì)地下或物體內(nèi)不可見的目標(biāo)體或界面進(jìn)行定位的電磁探測技術(shù)。通過向待測方向發(fā)射高頻電磁波,利用不同介質(zhì)具有的不同介電性質(zhì),根據(jù)接收到返回波形的性質(zhì)進(jìn)行目標(biāo)判定[1]。由于地質(zhì)雷達(dá)探測手段具有精度高,適用性廣,探測無損傷等眾多優(yōu)點(diǎn),近年來在場地勘察和工程質(zhì)量檢測兩大主要領(lǐng)域已經(jīng)成為一種重要的勘探手段,并向更多方向擴(kuò)展[2-4]。

一般情況下,在實(shí)際的采樣過程中,一套雷達(dá)天線設(shè)備的使用至少需要兩個(gè)人的配合,其中一個(gè)人在前面拖動(dòng)天線并負(fù)責(zé)在合適的時(shí)間通過電腦軟件的控制對(duì)天線進(jìn)行采樣操作,另外一人則需要跟在天線后根據(jù)事先放置的工程標(biāo)尺每隔一定距離給予電腦操作者提示去采樣。

只有極少數(shù)情況下才能使用測量輪進(jìn)行等距采樣的控制,雖然測量輪原理簡單,操作方便,但是由于它對(duì)接觸面的摩阻系數(shù)要求較高,且要求接觸面較為平坦,實(shí)際現(xiàn)場很難滿足這種要求,因此,這種看似最為簡單精確的方法不能在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用[5]。

基于對(duì)探地雷達(dá)等距采樣的實(shí)際需求,本文討論了一種基于單片機(jī)的雷達(dá)等距提示裝置的設(shè)計(jì),并試圖通過這種減小實(shí)際操作中等距提示困難的裝置衍生出一種新的探地雷達(dá)現(xiàn)場采樣方法。作為一項(xiàng)專門針對(duì)探地雷達(dá)使用的硬件設(shè)計(jì),這種裝置彌補(bǔ)了國內(nèi)目前在這個(gè)領(lǐng)域的空白。

2 輔助裝置系統(tǒng)架構(gòu)及方法演變

整個(gè)輔助提示裝置系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 輔助提示裝置系統(tǒng)架構(gòu)圖

單片機(jī)作為一種低成本高性能的控制器,在測量控制領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[6-8]。整個(gè)裝置以一塊8052單片機(jī)為控制核心,以兩個(gè)發(fā)光二極管指示工作模式及狀態(tài)并通過撥鍵開關(guān)進(jìn)行模式切換,以磁傳感器作為信號(hào)源,符合條件則通過蜂鳴器發(fā)生進(jìn)行采樣提示。

作為一個(gè)采用TTL電平的輔助移動(dòng)設(shè)備,裝置選用可充電4.2 V鋰電池作為電源,以最大工作電流30 mA計(jì)算,裝置有效連續(xù)工作時(shí)間至少在20 h以上。

這種裝置雖然不與特定數(shù)據(jù)采集軟件直接掛鉤,從而具有較強(qiáng)的通用性,但同時(shí)具體使用方式也需要隨實(shí)際使用的探地雷達(dá)型號(hào)進(jìn)行調(diào)整。

以瑞典MALA公司生產(chǎn)的250 MHz天線為例,天線本身呈盒狀,寬度約40 cm,在常規(guī)方法中,由于另外至少一個(gè)人進(jìn)行報(bào)數(shù)操作,實(shí)際寬度要求至少要達(dá)到80 cm,而在使用了這種裝置后,只需要一根與行進(jìn)路線并行放置的工程卷尺與裝置連接即可,對(duì)現(xiàn)場寬度要求可以降低到50 cm,這對(duì)于地形較為復(fù)雜的現(xiàn)場無疑具有重要意義[9]。

同時(shí),在原有的采樣方法中,根據(jù)人工報(bào)數(shù)進(jìn)行取樣操作實(shí)際上帶來的是取樣點(diǎn)附近區(qū)域取樣的不均勻,在取樣點(diǎn)處出現(xiàn)停滯與一定程度上的重復(fù)。在使用機(jī)器輔助報(bào)數(shù)的情況下,使用者根據(jù)裝置上傳感器劃過卷尺上相應(yīng)后行的提示在筆記本電腦上利用雷達(dá)配套的采樣軟件直接進(jìn)行采樣控制,避免了信號(hào)的停滯與重復(fù)[10]。

3 圖像解譯理論基礎(chǔ)

圖像分割就是把圖像分成若干個(gè)特定的、具有獨(dú)特性質(zhì)的區(qū)域并提出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過程。圖像分割的一種重要途徑是通過邊緣檢測,即檢測灰度級(jí)或者結(jié)構(gòu)具有突變的地方,表明一個(gè)區(qū)域的終結(jié),也是另一個(gè)區(qū)域開始的地方。這種不連續(xù)性稱為邊緣[11]。不同的圖像灰度不同,邊界處一般有明顯的邊緣,利用此特征可以分割圖像[12]。

在原有的采樣方法中,人工報(bào)數(shù)帶來的停滯實(shí)質(zhì)上增加了所采集圖像中灰度變化,響應(yīng)梯度大小增大,所采集邊緣區(qū)域更加突出,銳化程度較大,表現(xiàn)為提取出的邊緣數(shù)目變少。

4 實(shí)際應(yīng)用案例

南京市浦口區(qū)某建筑場地在前期的鉆探及基樁施工過程中發(fā)現(xiàn)基巖中有巖溶發(fā)育現(xiàn)象,體現(xiàn)為施工場區(qū)幾處出現(xiàn)地表下沉現(xiàn)象。為了工程的安全,業(yè)主在反復(fù)調(diào)研的基礎(chǔ)上,決定采用物探方法來查明地下土洞及巖溶發(fā)育情況,為下一步修正設(shè)計(jì),安全施工等提供技術(shù)依據(jù)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求及以往物探經(jīng)驗(yàn),結(jié)合工作目的及現(xiàn)場地質(zhì)條件,提出物探工作的基本思路為:以淺地震結(jié)合探地雷達(dá)方法為主進(jìn)行基巖巖溶探測。

根據(jù)場地情況及物探方法技術(shù)要求,在場地范圍內(nèi)東西向沿樁基軸線布置淺地震及探地雷達(dá)測線計(jì)15條,南北向布置高密度電法測線3條、淺地震及探地雷達(dá)綜合測線1條,共19條測線。這里選取較為典型的一條測線結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2與圖3分別是使用傳統(tǒng)方法和使用改進(jìn)的現(xiàn)場取樣方法所得到的探地雷達(dá)圖像。

圖2 使用傳統(tǒng)方法所得圖像

對(duì)比兩幅探地雷達(dá)圖像,我們不難發(fā)現(xiàn),測線輪廓和形狀基本相同,但仔細(xì)對(duì)比還是可以發(fā)現(xiàn)細(xì)微的差異,即圖2中左邊圓圈的位置,使用傳統(tǒng)方法所取得的雷達(dá)波形存在一個(gè)基本平行的延長帶,而在使用新的方法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),這條重復(fù)波形的延長帶并不存在。這是由于傳統(tǒng)方法在使用的過程中,存在報(bào)數(shù)與拖動(dòng)步驟不一致所造成的信號(hào)采集停滯現(xiàn)象,該現(xiàn)象反應(yīng)在波形中為橫向平行線,該特征只有通過人工觀察才有可能加以判別并剔除其影響。因此在這里,新的方法實(shí)質(zhì)上是消除了采樣間隔的不均勻,從而減小了對(duì)波形產(chǎn)生的重復(fù)影響。

圖3 使用改進(jìn)方法所得圖像

與此同時(shí),根據(jù)探地雷達(dá)的波形特點(diǎn),在圖2中可以發(fā)現(xiàn)波形呈現(xiàn)圓弧形形狀,即圖中用方框畫出的區(qū)域,判斷該區(qū)域有可能是溶洞及其影響區(qū)域。對(duì)照?qǐng)D2及圖3并結(jié)合水平打標(biāo)點(diǎn)的位置,可以發(fā)現(xiàn):上下兩圖中基巖巖溶發(fā)育區(qū)的水平位置呈現(xiàn)出一定的差異。傳統(tǒng)方法的圖形中目標(biāo)區(qū)域與新采樣方法所得到的圖形中目標(biāo)區(qū)域其實(shí)際距離大約差1 m,顯然新方法對(duì)于準(zhǔn)確定位巖溶發(fā)育區(qū)有積極意義。

結(jié)合探地雷達(dá)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)分析,這種水平方向上的差異主要是由于人工采樣報(bào)數(shù)的不及時(shí)造成的采樣停滯形成。而溶洞區(qū)域的位置不統(tǒng)一是由于原有方法的持續(xù)打標(biāo)距離偏差帶來的累積漂移誤差。

為了進(jìn)一步分析這種差異,使用邊緣檢測方法對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行單獨(dú)的處理。從而得到如圖4和圖5的兩幅圖像。通過邊緣檢測可以強(qiáng)化原有雷達(dá)圖像中灰度的差異,同時(shí)又可以指出圖形沿軸變化的過程中的邊緣。

由圖4和圖5可以看出,在處理后的圖像中,用黑圈圈出的區(qū)域在線條的分布密度上存在較大差異。新采樣方法所得到的圖像在某些區(qū)域邊緣分布密度比傳統(tǒng)方法所得到的大。根據(jù)邊緣檢測的性質(zhì),更加均勻的邊緣分布可以說明更加平緩的過渡,由此可見,新采樣方法所得到的雷達(dá)圖像在某些區(qū)域顯示出比傳統(tǒng)方法所得到的更加平緩的過渡帶。

圖4 邊緣檢測處理前的雷達(dá)波形

作為相互驗(yàn)證手段,在同一位置布置了淺源地震測線,見圖6。由圖6分析可知:在時(shí)間剖面140 ms～150 ms出現(xiàn)反射相位,總體信號(hào)能量較強(qiáng),推斷為基巖反射相位。在32～49 CDP間(圖6圓圈處),出現(xiàn)相位缺失不連續(xù)、信號(hào)紊亂、能量減弱等現(xiàn)象,該異常推斷為基巖巖溶發(fā)育區(qū)。

圖5 邊緣檢測處理后的雷達(dá)波形

圖6 淺源地震法所得圖像

與此相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)圖形(圖2)中,100 ns左右出現(xiàn)一U型反射界面,據(jù)調(diào)查該場地原為水塘,該界面推斷為回填土與原地層的物性界面。8號(hào)標(biāo)點(diǎn)接近處,也即方框之間波形的視周期明顯變長,并且夾雜高頻信號(hào),推斷該處為巖溶影響區(qū)域。與此同時(shí),波形還出現(xiàn)圓弧形態(tài)(在方框中的橢圓形線框內(nèi))。圓弧形態(tài)波形符合空洞的典型特征,表明該位置存在空洞。該位置與圖6中測線地震時(shí)間剖面圖中推斷的基巖巖溶發(fā)育區(qū)(圖6圈內(nèi))相對(duì)應(yīng),兩者之間甚為吻合。

通過地震推斷的基巖巖溶發(fā)育區(qū)與地質(zhì)雷達(dá)推斷的基巖巖溶發(fā)育區(qū)的結(jié)論在隨后的鉆探中得到了驗(yàn)證。根據(jù)鉆探結(jié)果,在該測線水平約34 m,深度13 m處存在巖溶發(fā)育區(qū)。

由于本次場地中總體測線較短,累積漂移誤差仍然較小,新方法在定位精度上的優(yōu)勢沒有能充分體現(xiàn)。但值得注意的是,實(shí)際工程中可以存在長達(dá)數(shù)千米的測線,在這種情況下,累積漂移誤差將不再是一個(gè)微小可忽略的數(shù)值?？傮w而言,新采樣方法與傳統(tǒng)采樣方法相比,所得圖像主要表現(xiàn)出更加細(xì)致的線條分布并且去除了一些由于傳統(tǒng)采樣方法的欠缺造成的波形失真,對(duì)于分析可以起到簡化作用[13-14]。

5 結(jié) 論

綜上所述,這種單片機(jī)輔助的探地雷達(dá)現(xiàn)場采樣方法相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場采樣方法主要具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)減小雷達(dá)采樣過程中的干擾,從而減小圖像的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模糊,提高圖像復(fù)原質(zhì)量;

(2)降低使用條件,減小使用環(huán)境限制;

(3)由機(jī)器進(jìn)行報(bào)數(shù)操作,減少人工工作及人力成本。

在這種方法中所使用的輔助裝置作為一項(xiàng)專門針對(duì)探地雷達(dá)使用的硬件設(shè)計(jì),目前還沒有同類產(chǎn)品,新裝置彌補(bǔ)了國內(nèi)在這個(gè)領(lǐng)域的空白。

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