地質(zhì)雷達(dá)在地下廢棄化糞池探測中的應(yīng)用研究

吳寶杰，高岳洲，董 躍

(1.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省大成建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310012；3.浙江省建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)站有限公司，浙江 杭州 310012)

1 引 言

地下廢棄化糞池年代較遠(yuǎn)、無資料可查，難以知道其準(zhǔn)確位置，給工程界帶來了一定的困擾。為了準(zhǔn)確定位廢棄化糞池的位置，通過各種探測方法的嘗試，由于地質(zhì)雷達(dá)具有探測效率高、分辨率高、能夠?qū)崟r(shí)顯示地下探測結(jié)果且屬于無損探測等特性，故優(yōu)先選用該方法。地質(zhì)雷達(dá)憑借其優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。薛飛等[1]利用探地雷達(dá)探測地下障礙物。岳崇旺等[2]利用探地雷達(dá)探測地下空洞；趙明堂[3]利用地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查城市地面塌陷隱患；許澤善等[4]利用探地雷達(dá)檢測道路脫空空洞病害。

地質(zhì)雷達(dá)信號的瞬時(shí)分析能夠更真實(shí)地反應(yīng)目標(biāo)物的信息，有助于提高數(shù)據(jù)解釋的準(zhǔn)確性[5-8]。Hilbert變換利用實(shí)部與虛部的關(guān)系，定義出任意時(shí)刻的瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率[9]。這三個(gè)瞬時(shí)參數(shù)可以表征信號的動(dòng)力學(xué)特征，獲取信號中更多有效的信息。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)是利用超高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布的一種探測技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)可對隧道襯砌質(zhì)量[10]、機(jī)場跑道質(zhì)量、各類地下管線[11]、地基、路基、道橋質(zhì)量、工程地質(zhì)、地下埋設(shè)物、放射性廢棄物等進(jìn)行非破壞性探測。地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率越高，空間分辨率就越高，電磁波在地下介質(zhì)中衰減就越強(qiáng)，探測距離就越小。

化糞池是處理糞便并加以過濾沉淀的設(shè)備，是埋在地下的容器。地質(zhì)雷達(dá)探測地下廢棄化糞池，其工作原理是發(fā)射天線向地表以下發(fā)射電磁波信號，當(dāng)遇到電磁阻抗發(fā)生變化的目標(biāo)體(如化糞池)時(shí)，電磁波便發(fā)生反射，由接收天線接收反射波并成圖，探測原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of ground penetrating radar detection principle

3 Hilbert變換原理

假定一連續(xù)的時(shí)間信號f(t)，其Hilbert變換的定義如下[9]

假設(shè)窄帶信號μ(t)=a(t)cos(ω0t+θ0)，其共軛信號υ(t)為：

將它們組成一個(gè)復(fù)信號：

z(t)=μ(t)+jυ(t)

瞬時(shí)幅度:

瞬時(shí)相位：

瞬時(shí)頻率：

4 數(shù)據(jù)采集

工程位于杭州地鐵5號線江暉路站附近興業(yè)嘉園西側(cè)，據(jù)當(dāng)?shù)鼐用窕貞?，這個(gè)地方以前有個(gè)化糞池，但具體在哪個(gè)位置資料缺失無從考證，為了確保地鐵車站施工過程的安全性，需要找到該化糞池的具體位置。本次探測使用加拿大Sensors & Software 公司生產(chǎn)的pulse EKKO PRO型地質(zhì)雷達(dá)，根據(jù)場地環(huán)境和探測目的選用100 MHz頻率天線探測。采集參數(shù)如下：天線間距1.0 m，采樣間隔0.8 ns，時(shí)窗180 ns，疊加次數(shù)32次。本次地質(zhì)雷達(dá)探測采用剖面法，即地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線沿測線同步移動(dòng)的測量方法。這

種方式能準(zhǔn)確描述測線下方各反射界面的形態(tài)。根據(jù)場地條件，本次探測興業(yè)嘉園西側(cè)化糞池共布置6條測線，編號為1#～6#測線，見圖2。

圖2 測線布置及孔洞異常范圍Fig.2 Survey line layout and abnormal range of holes

5 數(shù)據(jù)處理與解釋

地質(zhì)雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)包含各種噪聲和干擾因素，因此需要對原始數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理。數(shù)據(jù)處理的目的就是提高信噪比，突出目標(biāo)物的有效信號。數(shù)據(jù)處理主要有濾波、增益。濾波可以把信號中的低頻或高頻等干擾成分濾掉。由于信號傳播過程的衰減性，增益可以對信號的衰減進(jìn)行一定的補(bǔ)償，從而增強(qiáng)信號能量。通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行Dewow濾波、時(shí)間域?yàn)V波、空間域?yàn)V波、信號增益等一系列處理，其中1#、2#測線雷達(dá)剖面圖見圖3、圖4。廢棄化糞池的地質(zhì)雷達(dá)信號呈現(xiàn)出頻率較低、同相軸缺失錯(cuò)斷、繞射等特征，如圖3、圖4紅線所劃異常范圍。圖3中1#測線異常位于測線0.6～6.6 m，埋深1.0～3.0 m；圖4中2#測線異常位于測線0.8～6.8 m，埋深1.0～3.0 m，結(jié)合3#～6#測線探測結(jié)果得到圖2藍(lán)線所劃孔洞異常平面分布范圍。

圖3 1#測線地質(zhì)雷達(dá)剖面Fig.3 Ground penetrating radar profile of line 1

圖4 2#測線地質(zhì)雷達(dá)剖面Fig.4 Ground penetrating radar profile of line 2

通過對地質(zhì)雷達(dá)信號進(jìn)行Hilbert變換，得到各測線瞬時(shí)振幅圖，瞬時(shí)振幅反映出給定時(shí)刻反射信號能量的大小，其中1#、2#測線瞬時(shí)振幅圖見圖5、圖6，從圖中可以較為明顯地反應(yīng)廢棄化糞池的圖像特征，如圖5、圖6黑線所劃異常范圍。圖5中1#測線異常位于測線0.6～6.8 m，埋深1.0～3.1 m；圖6中2#測線異常位于測線0.8～6.8 m，埋深1.0～3.0 m。

為了避免廢棄化糞池影響工程施工，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)所探測廢棄化糞池位置和埋深指導(dǎo)開挖，現(xiàn)場開挖照片見圖7。根據(jù)開挖情況可知，廢棄化糞池的位置和埋深與探測結(jié)果基本一致。

圖5 1#測線瞬時(shí)振幅Fig.5 Instantaneous amplitude of line 1

圖6 2#測線瞬時(shí)振幅Fig.6 Instantaneous amplitude of line 2

圖7 開挖驗(yàn)證Fig.7 Excavation verification

6 結(jié) 語

隨著城市的高速建設(shè)，對地下空間的利用率越來越高，由于地下障礙物的隱蔽性，將影響建設(shè)工程施工，而且還可能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。地質(zhì)雷達(dá)憑借其探測效率高、準(zhǔn)確率高、結(jié)果直觀，在地下障礙物探測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。

地質(zhì)雷達(dá)電磁波的傳播特性反映了地下媒質(zhì)電磁性參數(shù)的差異。廢棄化糞池與周圍土壤存在明顯的電磁性差異，因此地質(zhì)雷達(dá)能夠有效地探測地下廢棄化糞池的位置。通過對地質(zhì)雷達(dá)信號進(jìn)行Hilbert變換，提取信號的瞬時(shí)振幅，能夠更直觀地顯示廢棄化糞池的圖像特征，從而指導(dǎo)工程施工，避免經(jīng)濟(jì)損失。