探地雷達(dá)在工程應(yīng)用中的典型圖像分析

王曦光

（遼寧省交通科學(xué)研究院 沈陽(yáng)市110015）

探地雷達(dá)在工程應(yīng)用中的典型圖像分析

王曦光

（遼寧省交通科學(xué)研究院 沈陽(yáng)市110015）

介紹了探地雷達(dá)基本原理，針對(duì)路面檢測(cè)、碎石樁檢測(cè)、地下管線檢測(cè)、隧道襯砌檢測(cè)、市政工程檢測(cè)的典型圖像進(jìn)行了介紹，并對(duì)圖像分析中經(jīng)常出現(xiàn)的干擾因素進(jìn)行了分析。

探地雷達(dá)；工程應(yīng)用；圖像分析

1　概述

隨著探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，該無(wú)損檢測(cè)技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、地基基礎(chǔ)施工質(zhì)量檢測(cè)、考古調(diào)查、管線探測(cè)、公路工程質(zhì)量檢測(cè)等諸多領(lǐng)域。

探地雷達(dá)的基本原理為通過(guò)發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的分界面時(shí)就會(huì)發(fā)生反射，根據(jù)接收天線接收到的反射電磁波的波形、振幅強(qiáng)度和時(shí)間的變化等特征來(lái)推斷地下空間是否存在結(jié)構(gòu)物、管線或者空洞等目標(biāo)體。因此使用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)所采集圖像的解讀分析至關(guān)重要，在進(jìn)行探地雷達(dá)圖像的解讀分析中，不但要識(shí)別出目標(biāo)體呈現(xiàn)的圖像還要能分辨出外界環(huán)境的干擾所形成的圖像，從而得到正確的判讀結(jié)論，做到不錯(cuò)判不漏判。

2　典型圖像分析

2.1路面檢測(cè)

在路面厚度檢測(cè)中，如果用于高速公路檢測(cè)，那么由于高速公路所處環(huán)境開闊，干擾信息少，探地雷達(dá)采集到的信號(hào)信噪比高，圖像清晰，非常易于分辨。圖1、圖2就是高速公路路面厚度檢測(cè)典型圖像，從圖中可以清晰地分辨出上面層與中面層，以及下面層與基層的分界線。

如果用于城市道路檢測(cè)，由于城市道路附近樓宇、燈桿、輸電線路以及地下各種管線等眾多干擾因素的影響，采集到的雷達(dá)圖像上，就會(huì)反應(yīng)出較多的干擾信息，對(duì)圖像分析結(jié)果產(chǎn)生影響，在進(jìn)行圖像分析時(shí)，需要多注意區(qū)分地下真實(shí)目標(biāo)與干擾因素形成的圖像。

其中對(duì)探地雷達(dá)圖像產(chǎn)生干擾較大的主要是人行天橋以及高壓輸電線路。進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，當(dāng)探地雷達(dá)天線的測(cè)線方向與天橋橋向垂直時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如圖3的雷達(dá)波形，該雷達(dá)圖像的主要特點(diǎn)是在圖像中形成較大的曲線波形，其頂部反射較強(qiáng)。產(chǎn)生這一圖像的原因?yàn)闃蛄毫喊宓酌鏁?huì)對(duì)雷達(dá)波產(chǎn)生繞射，如果橋梁底面較平而且較寬，圖像上顯示的反射波頂部就平而緩，如果底面不平，是T型梁或者是小箱梁，會(huì)產(chǎn)生與梁板數(shù)量相對(duì)應(yīng)的波峰。圖3的雷達(dá)圖像就是通過(guò)小箱梁天橋時(shí)的典型反射圖像，圖像中明顯可見2個(gè)繞射波波峰，其曲線頂部反射較強(qiáng)，向兩側(cè)逐漸減弱。

另一個(gè)干擾因素就是高壓輸電線路對(duì)圖像的影響，當(dāng)雷達(dá)天線的測(cè)線方向與高壓電線輸電方向垂直時(shí)，干擾圖像呈曲線型，其頂點(diǎn)位于輸電線下方，對(duì)于超高壓電線，影響范圍至少有50m，圖4就是高壓電線產(chǎn)生的典型干擾圖像。該類干擾圖像與地下構(gòu)造物反射極為相似，都是曲線型，進(jìn)行雷達(dá)圖像識(shí)別時(shí)要多加注意，以免造成誤判。判斷該類干擾的方法主要是：

（1）該類反射波形范圍更大，影響距離較遠(yuǎn)，

（2）在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，多注意附近是否有高壓線、燈桿等干擾源，并加以記錄，在分析圖像時(shí)加以區(qū)分“真假”圖像。

新生兒出生后，各種因素導(dǎo)致的感染可誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，肺內(nèi)聚集大量炎性細(xì)胞，導(dǎo)致了肺部的損傷。Van Marter等的研究發(fā)現(xiàn)，敗血癥患兒的BPD的發(fā)生率高于暴露于絨毛膜羊膜炎的患兒 [12]。在本文中，BPD組與非BPD組相比，晚發(fā)型敗血癥的發(fā)病率數(shù)據(jù)更高，而且數(shù)據(jù)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，此結(jié)果提示在出生后發(fā)生感染是導(dǎo)致BPD出現(xiàn)的可能因素，而兩組重癥肺炎發(fā)生率比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能與采集病史資料時(shí)除外呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎及敗血癥有關(guān)。

2.2碎石樁檢測(cè)

進(jìn)行軟土路基處理時(shí)，經(jīng)常采用的一種處理方法為碎石樁法，以前對(duì)于碎石樁的完整性及密實(shí)性檢測(cè)并沒有有效的手段，只能采用貫入法，但是該方法檢測(cè)速度慢，受人為影響因素大，造成在質(zhì)量監(jiān)督以及日常檢測(cè)過(guò)程中，很難對(duì)碎石樁的完整性及密實(shí)性進(jìn)行有效的控制。

遼寧省交通科學(xué)研究院應(yīng)用匹配40MHz低頻天線的探地雷達(dá)對(duì)碎石樁的密實(shí)性及完整性進(jìn)行了檢測(cè)，通過(guò)采集到的圖像，很好地判定了碎石樁的密實(shí)性及完整性，收到了良好的使用效果。

圖5是探地雷達(dá)采集到的原始數(shù)據(jù)圖，碎石樁樁身特性不明顯，基本淹沒在背景噪聲中，經(jīng)過(guò)雷達(dá)軟件背景去除以及反褶積數(shù)據(jù)處理后，樁身特性圖像見圖6，可見碎石樁樁身特性基本體現(xiàn)出來(lái)，從圖像中可以清晰地分析出碎石樁樁身與軟土路基的分界線，樁身反射信號(hào)均勻，從而判斷樁身密實(shí)性及完整性良好。

圖7、圖8為碎石樁樁身存在質(zhì)量缺陷的典型圖像，圖7中雷達(dá)信號(hào)在碎石樁樁身上部和下部反射清晰，但是中部靠上的位置反射信號(hào)弱，判定為該碎石樁中部存在斷樁現(xiàn)象，造成這一現(xiàn)象的原因初步分析為鋼桶上提時(shí)過(guò)快，中部夾泥，造成該樁中部壓實(shí)程度較低，從而形成斷樁。圖8雖然碎石樁樁身信號(hào)清晰，但是從頂部開始樁身反射信號(hào)逐漸變窄，判定為碎石樁結(jié)構(gòu)不均勻，右側(cè)部位存在輕微縮頸現(xiàn)象。

通過(guò)分析探地雷達(dá)采集到的碎石樁樁身典型圖像，若碎石樁樁身密實(shí)，那么采集到的圖像中樁身反射界面清晰，波形振幅、頻率基本一致；當(dāng)碎石樁樁身存在缺陷時(shí)，則反射信號(hào)連續(xù)性差，并且樁身反射信號(hào)與周圍介質(zhì)介電常數(shù)有較大差異，造成反射面多而亂，在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為反射波多，但波組不連續(xù)，反射能量強(qiáng)弱變化大，整個(gè)圖像不清晰，顯得雜亂無(wú)章。應(yīng)用探地雷達(dá)對(duì)碎石樁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，還可以判定該處是否存在碎石樁，以避免施工單位漏灌樁的可能性。

2.3地下管線檢測(cè)

遼寧省交通科學(xué)研究院使用100MHz天線對(duì)地下管線進(jìn)行檢測(cè)，尤其是使用100MHz天線對(duì)地下較深范圍目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，取得了良好的檢測(cè)效果。

圖9、圖10為使用100MHz天線探測(cè)地下深度為10m、直徑為4m的混凝土輸油管線，從采集到的圖像（圖9）來(lái)看，采集到的反射信號(hào)較弱，反射信號(hào)與背景噪聲摻雜在一起，分辨不出管線基本信息，經(jīng)過(guò)背景去除、反褶積等數(shù)據(jù)處理，處理到的圖像見圖10，地下管線的基本特性就清晰了，雖然該管線直徑較大，埋深較深，獲得的反射圖像并不是很清晰，但由圖中仍可見該混凝土管線頂面的弧形反射曲線，曲線從頂點(diǎn)兩側(cè)平緩下降，圖像效果還是較好的。

圖11、圖12是遼寧省交通科學(xué)研究院使用100MHz天線對(duì)地下混凝土管線進(jìn)行檢測(cè)的典型圖像，圖11的地下管線埋深5m，直徑2m，間距2m，圖12的地下管線埋深4m，直徑1.5m，從雷達(dá)圖像中可以看出由于管線埋深較淺，獲得的雷達(dá)圖像反射明顯，圖像清晰，管線與周圍介質(zhì)分界明顯。

由此可見應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，尤其是使用較低頻率的天線時(shí)，其檢測(cè)效果受深度影響還是較大的，在較深范圍時(shí)，由于信號(hào)衰減較大，分辨目標(biāo)物體的能力將受到限制，較小的目標(biāo)體將很難進(jìn)行分辨。

2.4隧道襯砌檢測(cè)

遼寧省交通科學(xué)研究院應(yīng)用900MHz天線對(duì)隧道襯砌進(jìn)行檢測(cè)，圖13、圖14是對(duì)隧道襯砌檢測(cè)的典型圖像，圖13是隧道襯砌內(nèi)鋼筋網(wǎng)典型圖像，圖像中可見密集的連續(xù)強(qiáng)烈反射，圖像明顯，圖14同樣也是鋼筋反射圖像，由于該圖像鋼筋網(wǎng)與二襯表面距離較小，在分析類似這樣的二襯雷達(dá)圖像時(shí)，需要注意由于鋼筋反射強(qiáng)烈，可能會(huì)掩蓋二襯與初襯之間的空洞，不密實(shí)缺陷，尤其是對(duì)于多層鋼筋的情況，這種情況更需要注意。

同時(shí)還要注意一點(diǎn)，鋼筋層強(qiáng)反射所形成的多次反射波，會(huì)造成虛假的空洞以及不密實(shí)圖像，進(jìn)行分析時(shí)也要多加注意。在雷達(dá)出現(xiàn)這種情況難以進(jìn)行判斷時(shí)，可以通過(guò)加密測(cè)線，改變測(cè)線方向等方法，對(duì)比同一檢測(cè)位置異常圖像的變化情況，來(lái)對(duì)襯砌缺陷進(jìn)行判讀。

圖15、圖16是二次襯砌內(nèi)缺陷的典型圖像，圖15是襯砌內(nèi)三角形空洞異常圖像，該缺陷常發(fā)生在二襯每一模板臺(tái)車接縫處，產(chǎn)生的主要原因就是每一模板臺(tái)車邊緣混凝土不容易達(dá)到，并且混凝土在邊緣處容易產(chǎn)生離析，從而容易產(chǎn)生空洞。圖16是襯砌內(nèi)空洞的典型圖像，該圖像表面表現(xiàn)為不規(guī)則的弧形反射，反射信號(hào)雜亂，邊界不清晰，反射多，局部存在強(qiáng)反射點(diǎn)，該圖像與襯砌內(nèi)鋼管、襯砌內(nèi)預(yù)埋構(gòu)件等所形成的反射圖像極為相似，進(jìn)行圖像分析時(shí)，應(yīng)注意區(qū)別，以免誤判。

2.5市政工程檢測(cè)

遼寧省交通科學(xué)研究院應(yīng)用400MHz天線對(duì)市政工程地下管線進(jìn)行檢測(cè)，圖17是地下煤氣管線檢測(cè)典型圖像，該圖像是雷達(dá)測(cè)線與煤氣管線成一定角度的雷達(dá)圖像，其特點(diǎn)是在一定區(qū)域內(nèi)形成連續(xù)反射曲線。圖18是雷達(dá)通過(guò)地下通道的典型圖像，該圖像在地下通道處形成強(qiáng)反射區(qū)域，邊界清晰，進(jìn)行該圖像分析時(shí)，要注意與地下空洞、地下隧道圖像的區(qū)別，因?yàn)檫@幾種地下構(gòu)造物形成的圖像非常相似。區(qū)別主要是雷達(dá)天線穿過(guò)這類地下通道等人工結(jié)構(gòu)物時(shí)，在一定寬度內(nèi)出現(xiàn)由淺及深的強(qiáng)反射信號(hào)，這些強(qiáng)反射信號(hào)與周邊信號(hào)具有明顯邊界特征。

非常難以分辨的是地下管道及地下井室與地下空洞的判斷，因?yàn)檫@些地下結(jié)構(gòu)物形成的就是地下空洞，但是作為檢測(cè)工作者，要將這兩者加以區(qū)別，因?yàn)闄z測(cè)結(jié)論是空洞還是地下構(gòu)造物，結(jié)果是截然相反的。這兩者產(chǎn)生的雷達(dá)的信號(hào)非常相似，都會(huì)在雷達(dá)圖像上產(chǎn)生具有較強(qiáng)的明顯反射，在進(jìn)行雷達(dá)圖像分析時(shí)，不但要分析圖像還要結(jié)合地下管線資料，以及加密測(cè)線等方式進(jìn)行區(qū)別。

進(jìn)行市政工程檢測(cè)時(shí)，還需要注意的就是金屬井蓋與地下金屬物體圖像的區(qū)分，這兩個(gè)物體所產(chǎn)生的雷達(dá)反射圖像非常相似，圖19為金屬井蓋的雷達(dá)典型圖像，圖20為地下金屬物體的典型圖像，這兩個(gè)圖像的區(qū)別在于，金屬井蓋下方為井室空洞，雷達(dá)波在井內(nèi)傳播被折射、散射和吸收，產(chǎn)生的反射波越向下消耗越明顯，最后在雷達(dá)圖像上消失，而金屬物體下方是密實(shí)的，雷達(dá)信號(hào)在地下繼續(xù)傳播，衰減程度較小，形成持續(xù)減小的多次反射波。

3　結(jié)論

采用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)于雷達(dá)出現(xiàn)的異常圖像，又不能判斷該異常是干擾還是真實(shí)目標(biāo)體，可以在異常圖像附近加密測(cè)線或者改變測(cè)線方向進(jìn)行復(fù)核，針對(duì)同一位置出現(xiàn)的異常圖像進(jìn)行對(duì)比，如果相同位置仍然出現(xiàn)相同的異常圖像，才可以對(duì)所采集的圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，以避免誤判的可能性。

以上介紹的是雷達(dá)檢測(cè)應(yīng)用中一些典型圖像，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)雷達(dá)圖像產(chǎn)生干擾以及影響雷達(dá)圖像信噪比的因素很多，雷達(dá)圖像也不是一成不變的，在檢測(cè)過(guò)程中要及時(shí)觀察雷達(dá)圖像，對(duì)出現(xiàn)的異常圖像，要及時(shí)觀察附近環(huán)境情況，并盡可能掌握周圍環(huán)境、地下管線及構(gòu)造物情況，對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行綜合分析，排除影響因素，正確解析雷達(dá)采集到的圖像。

Analysis on Typical Image of Ground Penetrating Radar in Engineering Application

WANG Xi-guang
（Liaoning Transportation Research Institute，Shenyang 110015，China）

The fundamental principle of ground penetrating radar is introduced，the typical images of pavement detection，gravel pile detection，underground pipeline detection，tunnel lining detection and municipal engineering detection are introduced，and the interference factors often appeared in image analysis are analyzed.

Ground penetrating radar；Engineering application；Image analysis

U416.03

B

1673-6052（2016）05-0138-05

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.05.038