探地雷達在道路檢測中的干擾信號分析

王林杰，袁建議，代 寧，吳長軍，高 皋，薛海陽

(1三峽大學 土木與建筑工程學院,湖北 宜昌 443000；2湖北理工學院 土木建筑工程學院，湖北 黃石 435003；3大冶市市政工程公司，湖北 大冶 435100)

探地雷達在道路檢測中的干擾信號分析

王林杰1,2，袁建議2,1*，代 寧1,2，吳長軍3，高 皋1,2，薛海陽1,2

(1三峽大學 土木與建筑工程學院,湖北 宜昌 443000；2湖北理工學院 土木建筑工程學院，湖北 黃石 435003；3大冶市市政工程公司，湖北 大冶 435100)

為減少各類干擾信號對探地雷達檢測道路病害效果的影響，準確地判斷和解釋地下介質分布情況，根據(jù)儀器工作的原理，結合路況特征，歸納了可能對檢測信號產生干擾的因素，其中包括儀器的震蕩不穩(wěn)、地面和地下構筑物及周圍電磁場干擾；提出了通過在數(shù)據(jù)采集過程中清除測線范圍內路面雜物、保持天線勻速平穩(wěn)推進、調查記錄測線范圍內工程環(huán)境并合理設定相關采集參數(shù)來減少干擾信號的影響；在后期數(shù)據(jù)處理過程中操作人員還可以通過濾波頻率設置、對比度調整，電磁波波速驗證來有效地提高識別目標體和判斷病害類型及其所在位置的準確性。

道路檢測；圖像特征；數(shù)據(jù)處理；探地雷達；干擾信號

0 引言

早在20世紀初，德國就對探地雷達進行了相應的理論和實踐研究，Hülsenbeck首次提出應用脈沖技術探測地下結構，也是他指出雷達波在到達不同介電常數(shù)的介質接觸面時會產生波反射。中國對探地雷達技術的研究則相對較晚，為了滿足工程建設的需要，于上世紀70年代著手理論研究的同時注重工程建設實踐應用的探索，取得了突出的成果。目前，國內許多研究單位都產出了自己的地質雷達，如東南大學的GPR-1型探地雷達、大連理工大學的DTL-1型探地雷達等，雖然還存在一些缺陷，但是已經(jīng)立足于市場，打破了國外雷達在中國市場上長期的壟斷地位。探地雷達技術因其高效、連續(xù)、無損、直觀和高精度等優(yōu)點在市政設施及管線探測、地質與環(huán)境探測、交通領域結構檢測、考古探測等眾多領域獲得越來越多的應用[1-7]。探地雷達是利用超高頻(106～109Hz)脈沖電磁波探測地下介質分布的一種地球物理探測方法，利用一個天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接收來自地下介質界面的反射波，根據(jù)接收到波的旅行時間、幅度與波形資料可推斷介質分布情況[8-9]。由意大利RIS探地雷達在大冶城區(qū)多條道路檢測中的實踐應用，發(fā)現(xiàn)在后期數(shù)據(jù)處理中由于受到一些干擾因素的影響，在良好路段區(qū)域也形成了許多與地下病害相似的雷達圖像特征，這將不利于檢測人員準確判斷地下病害情況，會造成許多誤判，導致不必要的工作量。因此，如何有效地應對和處理雷達探測中可能出現(xiàn)的干擾信號，準確地判斷和解釋地下介質分布情況顯得尤為重要。

1 探地雷達在道路檢測中的應用

1.1 探地雷達系統(tǒng)組成

意大利RIS探地雷達整套雷達系統(tǒng)由主機、天線和軟件3部分組成，如圖1所示。

圖1 雷達系統(tǒng)組成部分示意圖

1.2 探地雷達系統(tǒng)工作原理

天線工作原理如圖2所示，隨著天線的移動，發(fā)射天線不斷地將固定中心頻率的雷達波發(fā)射到欲探測的目標之上，在不同電磁性質的介質界面會產生反射能量波，被地面上的移動式接收天線接收，各測點的電磁波信號會被記錄下來，按幾何關系排列，數(shù)字化后存儲于主機中，通過操作處理軟件來呈現(xiàn)地下介質所反映出的剖面排列情況。當目標物在天線的信號范圍之內，且有適當?shù)男旁氡?，則可由雷達探出，雙曲線雷達圖如圖3所示。雷達圖像上的反應特征通常呈雙曲線形態(tài)，雙曲線頂部位置反射能量最強。

圖2 天線工作原理示意圖

圖3 雙曲線雷達圖

雷達可測量信號到達目標的傳輸時間，利用估算的傳播速率計算出目標的距離。假設電磁波穿過地下介質再反射回到地面所經(jīng)歷的時間為t，由于電磁波傳播速度太快，發(fā)射天線和接受天線的距離遠小于地下目標物的深度，則可根據(jù)式(1)計算目標物埋藏深度：

H=v×t/2

(1)

電磁波在介質中的傳播速度[9]：

(2)

式(2)中：u為導電率(H/m)；ε為介電常數(shù)(F/m)。

在真空中，其本構參數(shù)為:

u0=4π×10-7(H/m)。

電磁波在真空中的傳播速度為:

電磁波在地下介質中的傳播速度也可由式(3)表示：

(3)

式(3)中： c為電磁波在真空中的傳播速度；εγ為相對介電常數(shù)。

電磁波在不同的電性介質分界面產生反射，反射信號的強度指標為反射系數(shù)R，上下層的電性差異越大，則反射信號越強[10]。

(4)

式(4)中，ε1、ε2分別為界面上、下介質的相對介電常數(shù)。

1.3 路基常見病害的表現(xiàn)特征

據(jù)探地雷達實踐檢測經(jīng)驗，道路病害主要表現(xiàn)為脫空、不密實和高含水等情況，其在雷達剖面圖上的反映特征分別如圖4～6所示。

圖4 脫空的雷達剖面異常特征

圖5 不密實的雷達剖面異常特征

圖6 高含水的雷達剖面異常特征

在對路面結構進行探測時，電磁波所接觸到的介質一般包括瀝青、混凝土、砂、土、空氣和水，還有金屬、PVC、水泥等材質的管線。其中，瀝青和混凝土接觸面的電磁波反射系數(shù)R為0.139，干土和空氣、混凝土和空氣、干土和濕土的界面反射系數(shù)R分別為0.268,0.451,0.424。分析認為，水介質對路面探地雷達檢測中電磁波的反射信號強度影響較大，較容易被檢測出來，脫空現(xiàn)場次之，而瀝青和混凝土界面反射系數(shù)太小，其結構分層情況則需要用較大頻率的天線才能檢測出來。

2 城市道路病害探測中常見干擾源分析

盡管探地雷達天線增加了屏蔽功能，而且在設計上使發(fā)射電磁波具有一定方向性，但是電磁波作為一種球面波，它不只是在地下介質中傳播，接收天線會收到來自地面上和空中的干擾信號。電磁波在介質中傳播時能量呈指數(shù)規(guī)律衰減，有效信號隨深度增加而逐漸減弱[11]，致探地雷達在野外采集到的數(shù)據(jù)包含各種干擾信號。干擾信號掩蓋了有用信息，需經(jīng)過壓制噪聲、增強有用信號、提高信噪比等處理后才能夠從數(shù)據(jù)中提取出正確的特征信息[12]，幫助工作人員對地質資料進行解釋。干擾信號來源包含多個方面。

2.1 儀器內部干擾

主要表現(xiàn)為天線盒在拖動過程中震蕩干擾、天線發(fā)射端與接收端直接耦合干擾、天線控制電路之間的干擾。這些現(xiàn)象的發(fā)生都會造成探測數(shù)據(jù)的丟失。數(shù)據(jù)丟失段雷達圖如圖7所示，陰影部分為數(shù)據(jù)丟失段。

圖7 數(shù)據(jù)丟失段雷達圖

2.2 地面和地下構筑物干擾

地面干擾主要表現(xiàn)為地表金屬物和人行天橋的干擾。當天線靠近地表金屬體時，電磁波會在上面產生強反射，強反射信號在時間軸上延續(xù)的時間較長，對目標體的識別會有較大干擾。而通過人行天橋的反射波是直接通過空氣傳播的，能量衰減很小，因此也會產生類似的強反射信號干擾。

地下干擾主要表現(xiàn)為地下通道、井室的干擾，它們在雷達圖像上會反映空洞的特征，造成誤判。

2.3 電磁干擾

主要表現(xiàn)為路燈、輸電線、廣告牌等的干擾，它們在工作狀態(tài)下所產生的電磁場與探測天線相互干涉對雷達圖像造成干擾。

3 雷達采集數(shù)據(jù)中干擾信號的預防和處理

探地雷達雖是一種具有高分辨率的勘察儀器，但在工作中探測數(shù)據(jù)的品質易受到各種噪音和雜波的影響，嚴重影響資料解釋的精度。其中一些干擾因素可以通過在外業(yè)工作中優(yōu)化數(shù)據(jù)采集過程來進行改進，另一些干擾因素則需要通過后期數(shù)據(jù)處理來削弱，同時為保證雷達圖像上所顯示病害所在深度的準確性，還需對電磁波速進行調整，使其接近電磁波在該介質的實際傳播速度。

3.1 數(shù)據(jù)采集過程優(yōu)化

數(shù)據(jù)采集過程中除了要清除測線范圍內路面的雜物，保持天線低速、平穩(wěn)向前推進，做好測線周邊工程環(huán)境和地下構筑物的調查記錄，現(xiàn)場探測開始前還需對探地雷達采集參數(shù)進行設定，參數(shù)設置直接影響到記錄數(shù)據(jù)的質量，內容包括時窗大小、A/D轉換位數(shù)、掃描樣點數(shù)、每秒掃描數(shù)、增益點數(shù)等內容。

1)時窗大小直接決定探測的深度，選得太大會降低垂直分辨率，選得太小則會丟掉重要數(shù)據(jù)。一般取探測深度H為目標深度的1.5倍，寧大勿小。時窗大小(Range/ns)可由探測深度H和介電常ε數(shù)確定：

在道路探測中，一般20ns代表1m探測深度，即目標深度為1m時，取時窗大小為20×1.5=30ns。

2)A/D轉換位數(shù)有8Bit、16Bit、24Bit3種選擇，位數(shù)越高，動態(tài)越大。8Bit適合探測深度小于1m時采用，16Bit適合探測深度2～5m時采用，24Bit則在探測深度更大時采用。

3)掃描樣點數(shù)Samples/Scan有5種選擇：128,256,512,1 024,2 048/Scan。在容許的情況下盡量選大以保證高的垂向分辨率。對于不同的天線頻率Fa(Hz)、不同的時窗長度Range(ns)，選擇樣點數(shù)Samples應滿足下列關系：

Samples≥10-8×Range×Fa

大的樣點數(shù)對資料質量的提高有利，但是比較耗時，使前進的速度受到影響。

4)每秒掃描數(shù)(掃描速率Scans/s)表示每秒鐘雷達采集多少掃描線記錄，掃描速率越大，則數(shù)據(jù)采集得越密集，可增大天線的移動速度VT。天線移動速度可由掃描速率和探測目標最小尺度確定，要保證最小探測目標SOB(cm)內至少有20條掃描線記錄：

VT≤Scans×SOB/20(cm/s)

采集速率=(1/天線數(shù)量)×道間距/(脈沖間隔時間+采樣點數(shù)/A/D轉換速度)。

5)增益點的作用是使記錄線上不同時段有不同放大倍數(shù)，清楚地顯示出各段的信號。RIS雷達在探測前通過自動增益，可以使增益點數(shù)最高達到16點。增益太大會造成削頂，太小則會丟失弱小信號。

3.2 后期數(shù)據(jù)處理除噪和調整波速

后期數(shù)據(jù)處理要求處理人員掌握各類干擾源在雷達圖像上的反映特征，從而減少誤判。探地雷達在野外測量中，通常采用全通的記錄方式來使更多的信息被保留下來(包括有效波和干擾波)，需通過數(shù)字濾波的方法去除數(shù)據(jù)中的干擾信號，數(shù)字濾波是依據(jù)數(shù)據(jù)中有效信號與干擾信號間頻譜范圍的不同來去除干擾波[9]。

1)濾波參數(shù)設置主要是根據(jù)天線頻率對垂直帶通濾波(vertical bandpass filter (TD))所取頻率值范圍進行設定，一般取0.5Fa～2.25Fa(MHz)，其他都保持軟件默認值，然后即可對數(shù)據(jù)進行處理，包括去除起始時間(move start time)、背景去除(background removal)、垂直帶通濾波(vertical bandpass filter (TD)、線性增益(linear gain)等,根據(jù)圖像特征可進行相應的平滑增益(smoothed gain)、水平帶通濾波處理(horizontal bandpass filter (TD))和適當?shù)膶Ρ榷日{整,一切以使地下圖像特征顯示清晰為準。

2)在數(shù)據(jù)采集過程中，天線和地面并未緊密接觸，中間隔著一個空氣層，雷達圖中還有一個受地面噪音干擾的層面，再往下才顯示地下介質特征，原始數(shù)據(jù)反映的地下特征如圖8所示，經(jīng)過處理可以得到能夠顯示地下特征的圖像如圖9所示。

圖8 原始數(shù)據(jù)反映的地下特征

圖9 處理后數(shù)據(jù)反映的地下特征

3)為了精確顯示地下病害所在的深度范圍，有效地采取維護和修補措施，往往需要對電磁波速度進行驗證和調整，通常的做法是對已知深度的目標體進行雷達探測，在數(shù)據(jù)處理中調整波速使圖像中代表該目標體的雙曲線頂點位于該已知深度，根據(jù)目標已知深度得出電磁波在該介質中對應的傳播速度，利用此波速可探測該線路中其他的病害深度。圖10為同一目標體在不同波速80，110，140，170 mm/ns時病害所顯示的深度折線圖(此4種波速是根據(jù)電磁波在瀝青、混凝土和干土中的傳播速度來選擇的)，圖11和圖12分別為波速110 mm/ns和140 mm/ns時目標體在雷達圖像上的顯示圖，圖中拋物線頂點位置所在深度是不同的，圖11所在深度為0.3 m，圖12所在深度為0.36 m，隨著波速的增大，雷達圖像上顯示的目標體所處深度越大。同時，比較圖11和圖12發(fā)現(xiàn)，圖11中雷達圖像1.2 m深度以下圖形特征不能在圖12雷達圖像中顯示，這段數(shù)據(jù)信息丟失，說明在數(shù)據(jù)采集過程中，波速設置越大，天線所能探測到的地下深度則會越小，而且越往下信號就會越弱。

圖10 病害在雷達圖像上顯示深度隨波速變化圖

圖11 波速110mm/ns測圖

圖12 波速140mm/ns測圖

4 結論和展望

1)探地雷達檢測道路路基病害情況時，會因各種干擾因素的影響導致采集數(shù)據(jù)質量不理想，探測結果不精確，可以通過如下措施加以完善：①測前調查記錄測線范圍內可能影響探測結果的道路綜合情況，避免在圖像解釋時一些干擾性的圖像特征造成誤判。②優(yōu)化采集數(shù)據(jù)時所依據(jù)的參數(shù)，針對探測要求和地質情況使儀器最大限度地發(fā)揮自身功效，采集到更優(yōu)質的數(shù)據(jù)。③后期數(shù)據(jù)處理中采用各種酌情調整、相對比較、凸顯有用信息圖像特征、削弱干擾性圖像特征。

2)對雷達數(shù)據(jù)的處理和圖像的解釋有很強的個人主觀性存在，并不易把握，它要求解釋人員對不同病害及目標體所表現(xiàn)出的圖像特征有所了解，并具有結合地質實際情況進行數(shù)據(jù)處理的經(jīng)驗，可做一個模擬實驗類比。

3)探地雷達探測深度和雷達圖像分辨率之間此長彼消的問題一直存在，而且隨著探測深度要求的加大，它將受到地下較淺層不同介質的干擾越大，未來探地雷達在工程和軍事領域的應用會對相應的硬件和軟件系統(tǒng)提出更高的要求。

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(責任編輯 吳鴻霞)

Analysis of Interference Signal of Ground Penetrating Radar in Road Detection

WangLinjie1,2，YuanJianyi2,1*,DaiNing1,2，WuChangjun3,GaoGao1,2，XueHaiyang1,2

(1College of Civil Engineering and Architecture,China Three Gorges University,Yichang Hubei 443000;2School of Civil Engineering and Architecture,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;3Daye Municipal Engineering Company,Daye Hubei 435100)

In order to reduce the influence of various kinds of interference signals which created in pavement disease detection based on GPR,and accurately judge and explain the distribution of underground media,according to the working principle of the instrument and the characteristics of the road,this paper sums up the factors which may interfere with the detection signal,including the instability of the instrument, the interference of the ground and the underground structure and the surrounding electromagnetic field.A series of measures are put forward to reduce the effects of interference signals in the process of data acquisition,including clearing the debris on roads within the scope of the survey line,keeping the antenna uniform steady progress,investigating and recording the engineering environment within the scope of the survey line and reasonably setting the parameters related to the acquisition in the data collection process.And in the process of subsequent data-processing,the operators can effectively enhance the accuracy of identifying the target body and estimating the type and location of the disease by setting the filter frequency,adjusting the contrast and testing the velocity of electromagnetic wave.

road detection;image feature;data processing;ground penetrating radar;interference signal

2016-07-03

湖北理工學院優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新團隊項目(項目編號：13xtz03)；湖北理工學院重點項目(項目編號：14xjz01A)；地方校企合作項目(項目編號:KY2014-084)。

王林杰，碩士生。

*通訊作者：袁建議，教授，博士，研究方向：道路工程及現(xiàn)代巖土工程技術。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.01.009

U418.3

A

2095-4565(2017)01-0035-06