探地雷達(dá)應(yīng)用研究綜述

李沁璘

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004）

探地雷達(dá)是一種通過(guò)發(fā)射和反射電磁波進(jìn)而確定地下結(jié)構(gòu)和目標(biāo)體特征信息的高效無(wú)損探測(cè)方法。探地雷達(dá)的工作頻率范圍介于1MHz 至1GHz 之間，與所有雷達(dá)的工作原理類(lèi)似。發(fā)射天線(xiàn)向地下發(fā)射電磁波，電磁波信號(hào)穿過(guò)地下介質(zhì)，當(dāng)遇到不同介電特性的物體時(shí)，如空洞、水、金屬等等，由于介電常數(shù)、電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率等不同，被阻抗的變化散射或反射，產(chǎn)生類(lèi)似于發(fā)射信號(hào)形狀的回波，反射回地面由接收天線(xiàn)接收。通過(guò)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行處理分析，組成的B-scan 圖像便可以觀(guān)察到地下結(jié)構(gòu)或者目標(biāo)物的特征。探地雷達(dá)技術(shù)以其無(wú)損、高效、經(jīng)濟(jì)、操作方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、公路檢測(cè)、管道勘查、隧道勘探、考古勘察以及地雷探測(cè)等方面。

1 公路路基檢測(cè)

我國(guó)公路網(wǎng)絡(luò)縱橫東西南北，公路在日常生活中發(fā)揮不可或缺的作用，但長(zhǎng)時(shí)間的使用以及碾壓，導(dǎo)致公路路基存在疏松，坍塌的危險(xiǎn)，同時(shí)路基存在著諸多病害，如脫空病害、疏松病害、空洞病害、裂縫病害等等，而利用探地雷達(dá)就可以檢測(cè)到路基的具體情況，提前了解路基情況，避免交通事故的發(fā)生，同時(shí)也不用損壞公路進(jìn)行檢測(cè)。

探地雷達(dá)是一種使用高頻電磁波探測(cè)有損介電材料，以檢測(cè)介質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)和材料特性變化的方法。由于公路路基的各層所填充的材料不同，因而各層介質(zhì)的介電特性參數(shù)也不同。當(dāng)電磁波在一種均勻介質(zhì)的內(nèi)部傳播，由于該均勻介質(zhì)并無(wú)介電常數(shù)、電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率等電性參數(shù)的變化發(fā)生，因而傳播的電磁波不會(huì)發(fā)生反射。當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)傳播到另外一種不同的介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的交界處，電性參數(shù)發(fā)生了變化，電磁波便會(huì)在兩介質(zhì)界面處發(fā)生射，電磁波的這一特性為探地雷達(dá)探測(cè)路基提供了可能。

探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)主要由一體化控制主機(jī)、天線(xiàn)、電源和配套軟件組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示[1]。當(dāng)發(fā)射天線(xiàn)以一定的角度向路基和路面發(fā)射高頻電磁波時(shí)，一部分信號(hào)反射形成直達(dá)波被接收天線(xiàn)接收，另一部分進(jìn)入道路內(nèi)部進(jìn)行傳播。當(dāng)電磁波信號(hào)與到介質(zhì)分層界面或異常病害區(qū)域時(shí)，部分電磁波將會(huì)反射形成目標(biāo)回播被接收天線(xiàn)接收，其余部分電磁波將繼續(xù)向下穿透。就這樣逐層穿透，逐層反射，最后通過(guò)對(duì)接收天線(xiàn)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，形成二維B 掃圖像，從而確定公路路基的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及病害的分布情況。

圖1 探地雷達(dá)檢測(cè)路基的原理示意圖

2 對(duì)地下目標(biāo)信號(hào)優(yōu)化

探地雷達(dá)檢測(cè)地下目標(biāo)的基本原理是向地下發(fā)射高頻電磁波，接收反射回波，由于地下目標(biāo)大多是有耗介質(zhì)，那么電磁波在傳播的過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)衰減，這會(huì)直接影響到探地雷達(dá)的分辨率，但從儀器本身提高探地雷達(dá)的分辨率是非常困難的，那么可以通過(guò)對(duì)探地雷達(dá)的信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)提高探地雷達(dá)的分辨率。

短時(shí)傅立葉變換、小波變換、S 變換都是最常用于提高探地雷達(dá)信號(hào)的分辨率的方法。其中S 變換不但具有自適的時(shí)頻窗、輸入長(zhǎng)度不受時(shí)窗的限制等小波變換的優(yōu)點(diǎn)，而且其基本小波不用滿(mǎn)足容許性條件，它既可以保留住信號(hào)的相位信息，同時(shí)又能提供變化的時(shí)頻精度。此外，它還是一種線(xiàn)性變換。在S 變換的基礎(chǔ)下，榮霞[2]等學(xué)者提出了新的最優(yōu)廣義S 變換對(duì)信號(hào)優(yōu)化分辨率更高。

其中，k 為用來(lái)調(diào)整窗口寬度的調(diào)節(jié)因子，p 是用來(lái)調(diào)整窗函數(shù)寬度的調(diào)節(jié)參數(shù)。為了獲得良好的時(shí)頻聚集性，需要選擇合適的k、p 值。

為了對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，引入時(shí)頻聚集度這一概念進(jìn)行量化分析。文獻(xiàn)[3]中提出了利用能量集中度對(duì)時(shí)頻聚集性來(lái)進(jìn)行度量，時(shí)頻聚集度的定義具體如下：

通過(guò)，模擬信號(hào)和實(shí)測(cè)探地雷達(dá)信號(hào)的仿真，結(jié)果表明新的最優(yōu)廣義S 變換比短時(shí)傅里葉變換和S 變換具有更高的時(shí)頻分辨率。

3 目標(biāo)檢測(cè)

探地雷達(dá)利用地下材料的不同電磁特性，通過(guò)發(fā)射機(jī)不斷向地下發(fā)射高頻電磁波信號(hào)，接收機(jī)接收多道A-Scan 信號(hào)，再進(jìn)行信號(hào)處理，生成B-Scan 二維圖像。由于地下目標(biāo)通常在B-Scan 圖中呈現(xiàn)出雙曲線(xiàn)形態(tài)，因而可以將目標(biāo)檢測(cè)轉(zhuǎn)化為雙曲線(xiàn)圖像提取。傳統(tǒng)的提取方法一般是采用Hough 變換法或者是最小二乘法用在GPR 目標(biāo)檢測(cè)。由于傳統(tǒng)方法在數(shù)據(jù)量過(guò)大時(shí)，往往需要耗費(fèi)較多的人力進(jìn)行輸入特征的人工標(biāo)注，使得解譯時(shí)長(zhǎng)增多，人工經(jīng)驗(yàn)需求高等問(wèn)題日益凸顯。隨著科技的創(chuàng)新和人工智能時(shí)代的到來(lái)，機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)不斷發(fā)展，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks, CNN）的目標(biāo)檢測(cè)算法應(yīng)運(yùn)而生。

基于CNN 的目標(biāo)檢測(cè)算法，可以不需要添加任何人工模型或特征來(lái)提取有意義的特征，并能夠?qū)Π瑥?fù)雜特性的探地雷達(dá)圖像進(jìn)行準(zhǔn)確地分類(lèi)。學(xué)者BENGIO[4]提出了一種利用CNN的地雷探測(cè)算法，能夠無(wú)需人工干預(yù)，直接從探地雷達(dá)圖像中學(xué)習(xí)埋藏目標(biāo)的特征，并將該方法應(yīng)用在不同架構(gòu)的CNN 算法上進(jìn)行測(cè)試，在處理較小的圖像塊時(shí)，均能達(dá)到較高分類(lèi)精度。但由于用來(lái)訓(xùn)練模型的GPR 圖像的大小和數(shù)量都是有限的，大多數(shù)算法僅僅實(shí)現(xiàn)了分類(lèi)的步驟, 在目標(biāo)提取以及曲線(xiàn)擬合方面，缺乏更加有效和精確的算法。因此，還需要進(jìn)一步進(jìn)行聚類(lèi)算法、雙曲線(xiàn)擬合算法等處理，用以分割雙曲線(xiàn)和定位頂點(diǎn)。以上算法在得到聚類(lèi)后，利用給出的樣本點(diǎn)直接進(jìn)行曲線(xiàn)擬合。然而這些算法中的待擬合樣本點(diǎn)是如何獲取的，都沒(méi)有給出解釋?zhuān)驗(yàn)椴荒苷嬲凉M(mǎn)足大批量的自動(dòng)化需求[5]。

隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，未來(lái)GPR 的發(fā)展方向必將專(zhuān)注于針對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的深度學(xué)習(xí)框架。在檢測(cè)速度以及目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確性方面可以實(shí)現(xiàn)更大的改進(jìn)，并深入到工程領(lǐng)域的各個(gè)方面。

結(jié)束語(yǔ)

探地雷達(dá)是一種針對(duì)地下目標(biāo)的無(wú)損探測(cè)設(shè)備，在地下無(wú)損探測(cè)研究方面具有很強(qiáng)的實(shí)用性。同時(shí)，探地雷達(dá)圖像處理過(guò)程中有關(guān)回波信號(hào)雙曲線(xiàn)提取以及頂點(diǎn)識(shí)別也具有非常重要的意義。探地雷達(dá)涉及的領(lǐng)域十分廣泛，不可以忽視的是，探地雷達(dá)的使用以及深入研究推動(dòng)著時(shí)代的發(fā)展，探地雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展有利于提高我國(guó)在高新工程領(lǐng)域的國(guó)際地位。相信在未來(lái)幾十年中，人們對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展依舊會(huì)保持積極態(tài)度并更廣泛地使用該技術(shù)。