低頻振蕩信號(hào)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)波形的影響及處理方法研究

楊丹丹

（廣州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

地質(zhì)雷達(dá)因其檢測(cè)效率高、無(wú)損等特點(diǎn)，在道路路基、隧道襯砌方面得到大力推廣。然而，受復(fù)雜地質(zhì)條件和工程環(huán)境的影響，加之地質(zhì)雷達(dá)解釋工作普遍缺乏比對(duì)依據(jù)，使得病害判別受人為經(jīng)驗(yàn)影響很大。道路路基多為土基，病害一般以脫空、空洞、不密實(shí)為主，較少出現(xiàn)淺部的持續(xù)低頻振蕩信號(hào)。而盾構(gòu)隧道，在下穿深度較大的情況下，往往伴隨著高含水、地層信息變化快的特征，因此，在采集數(shù)據(jù)上會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)的、深度覆蓋范圍大的低頻振蕩信號(hào)，導(dǎo)致對(duì)病害的判別造成很大的困難。目前地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理研究中，已有多種方法：李昂等[1]基于自適應(yīng)對(duì)消的直達(dá)波濾除方法，認(rèn)為其具有運(yùn)算少、信號(hào)失真小、并可實(shí)時(shí)處理的優(yōu)點(diǎn)；凌同華等[2]基于HHT 分解出瞬時(shí)剖面、瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率的HHT 分析法，得出其具有自適應(yīng)時(shí)頻分解的能力，能很好的定量識(shí)別地下病害體；王惠琴等[3]基于雙邊濾波-BM3D 算法的聯(lián)合去噪法，認(rèn)為其能夠更好的保持采集頻譜中缺陷目標(biāo)體的缺陷特征完整性；Brunzell[4]基于信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征的卡爾曼濾波法，認(rèn)為其可以利用統(tǒng)計(jì)學(xué)特征，有效識(shí)別卡爾曼特征病害；王紅庭[5]基于曲波變換方向?yàn)V波的目標(biāo)信號(hào)增強(qiáng)法，認(rèn)為其能有效去除注漿檢測(cè)探地雷達(dá)圖像中所存在的強(qiáng)烈的鋼筋雙曲線反射干擾，并增強(qiáng)空洞病害反射信號(hào)，提高了雷達(dá)圖像的解釋效率。部分學(xué)者通過(guò)1：1 模型試驗(yàn)，利用單波分析法對(duì)地質(zhì)雷達(dá)較難判別的疑似積水病害進(jìn)行識(shí)別的方法；還有學(xué)者利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)地質(zhì)雷達(dá)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正演分析的方法，認(rèn)為不同介電常數(shù)對(duì)雷達(dá)波形識(shí)別精確度有較大影響；但針對(duì)不同地區(qū)的地層條件，并未形成一種統(tǒng)一高效準(zhǔn)確的后處理方法，使得波形解釋變得非常復(fù)雜，對(duì)工程指導(dǎo)作用變得非常有限。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)雷達(dá)天線對(duì)隱蔽目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描的方式獲得斷面的垂直二維剖面圖像。

地質(zhì)雷達(dá)基本參數(shù)如下。

1.1 電磁脈沖波旅行時(shí)間

式中：z——勘查目標(biāo)體的埋深；x——發(fā)射、接收天線的距離（式中因z>x，故x 可忽略）；v——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

1.2 電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

式中：c——電磁波在真空中傳播速度（0.29979m/ns）；εr——介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；μr——介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率（一般μr≈1）。

1.3 電磁波的反射系數(shù)

電磁波在介質(zhì)傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到相對(duì)介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)。

式中：r——界面電磁波反射系數(shù)；ε1——第一層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε2——第二層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

1.4 探地雷達(dá)記錄時(shí)間和勘查深度的關(guān)系

式中：z——勘查目標(biāo)體的深度；t——雷達(dá)記錄時(shí)間。

2 地質(zhì)雷達(dá)在道路路基方面的應(yīng)用

本次以城市某道路為工程實(shí)例進(jìn)行分析。該道路發(fā)生不同程度的開裂、不均勻沉降。遂采用中心頻率600MHz 天線，設(shè)置采樣時(shí)窗1000ns，采樣道間距0.01m，對(duì)病害區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格狀探測(cè)，有效探測(cè)深度為1.5～2.0m。探測(cè)結(jié)果顯示病害類型分為空洞、脫空、不密實(shí)3 類?？斩床『Φ碾姶挪ǚ瓷湫盘?hào)幅值較強(qiáng)，呈典型的孤立體相位特征，為規(guī)整或非規(guī)整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，典型空洞病害如圖1 所示。脫空病害電磁波反射信號(hào)幅值較強(qiáng)，多呈近似水平的帶狀分布，同相軸不連續(xù)，有多次反射信號(hào)，圖像特征如圖2 所示。不密實(shí)病害電磁波反射信號(hào)幅值較強(qiáng)，同相軸不連續(xù)、錯(cuò)斷、雜亂，一般呈區(qū)域化分布。

圖1 典型空洞病害

圖2 典型脫空病害

識(shí)別干擾波及目標(biāo)體的探地雷達(dá)圖像特征是進(jìn)行探地雷達(dá)圖像解釋的核心內(nèi)容。探地雷達(dá)在接收有效信號(hào)的同時(shí)，也不可避免地接收到各種干擾信號(hào)，產(chǎn)生干擾信號(hào)的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，因此在數(shù)據(jù)后處理的分析中要加以辨別和確認(rèn)，剔除掉干擾信號(hào)。

本次對(duì)道路采集數(shù)據(jù)的后處理方法采用以下步驟：①靜校正，切除直達(dá)波。②去直流漂移。③增益，增強(qiáng)下部信號(hào)。④去背景干擾，壓制噪聲，精細(xì)化圖像。⑤Bandpassbutterworth 帶通濾波，增強(qiáng)有效信號(hào)，濾除畸變雜波。⑥滑動(dòng)平均，減少圖譜毛刺。⑦距離歸一化。經(jīng)過(guò)上述步驟處理，即可達(dá)到較為理想的效果，對(duì)病害進(jìn)行判別。

3 地質(zhì)雷達(dá)在盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用

本次盾構(gòu)隧道檢測(cè)工程實(shí)例，以某盾構(gòu)隧道為基礎(chǔ)，對(duì)其建成后盾構(gòu)襯砌進(jìn)行背后空洞探測(cè)。隧道內(nèi)徑5.4m，盾構(gòu)管片厚0.3m。隧道下穿珠江，地下水含量極其豐富，隧道頂與河底凈距為13～20m。

數(shù)據(jù)采集采用中心頻率600MHz 的屏蔽天線，設(shè)置采樣時(shí)窗1000ns，采樣道間距0.01m，對(duì)拱頂及左右拱腰進(jìn)行連續(xù)采樣。后處理過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)效果不夠理想，除去現(xiàn)場(chǎng)管片及人為因素影響外，盾構(gòu)隧道下穿富水地層，在深部產(chǎn)生持續(xù)低頻振蕩強(qiáng)反射信號(hào)，成為數(shù)據(jù)處理及病害判別的最大干擾。進(jìn)行常規(guī)處理后，典型低頻振蕩干擾信號(hào)如圖3 所示。

由圖3 可見，在深部持續(xù)出現(xiàn)的低頻振蕩信號(hào)，疊加于中心頻率之上，導(dǎo)致高頻波振幅被壓制，無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)深部病害進(jìn)行判別。通過(guò)對(duì)原始頻譜的分析，可以發(fā)現(xiàn)，低頻信號(hào)（即波峰）主要集中在200MHz 附近。原始低頻信號(hào)單道頻譜頻率分布如圖4 所示。

圖4 原始低頻信號(hào)單道頻譜頻率分布

因此，如何有效對(duì)低頻振蕩進(jìn)行濾除，尤為關(guān)鍵。第一種方案，采用“帶阻濾波”方法對(duì)其進(jìn)行濾除，同時(shí)兼顧保留有效信號(hào)。濾波之后，發(fā)現(xiàn)深部1.5m 左右仍然存在一定干擾，且上部有效信號(hào)同時(shí)被濾除一部分，無(wú)法突出連續(xù)同相軸或不連續(xù)同相軸的顯著特征。濾波后雷達(dá)灰度圖如圖5 所示。由此可得，“帶阻濾波”方法存在一定缺陷，在部分病害有效信號(hào)頻率與低頻振蕩信號(hào)頻率接近的情況下，會(huì)造成有效信息缺失。通過(guò)對(duì)單道頻譜進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)信號(hào)中心頻率已接近正常范圍，但頻率波峰在低頻200MHz 附近仍有凸顯。原始高頻信號(hào)單道頻譜頻率分布如圖6 所示。

圖6 原始高頻信號(hào)單道頻譜頻率分布

第二種方案，采用“Deconvolution 反褶積”方法，對(duì)深部低頻振蕩信號(hào)進(jìn)行處理，目的是通過(guò)Levinson 算法執(zhí)行消除毛刺和多次信號(hào)。參數(shù)設(shè)置：時(shí)程48ns，濾波長(zhǎng)度1.67μm，噪聲壓制80%。處理完成后可發(fā)現(xiàn)，在深部雖然仍存在低頻高幅波，但在盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)背后，不密實(shí)病害已可進(jìn)行初步判定。圖7 為“Deconvolution反褶積”單道頻譜頻率分布，與圖6 進(jìn)行比對(duì)，可發(fā)現(xiàn)中心頻率振幅明顯增強(qiáng)，但低頻振蕩幅值壓制不夠理想。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，不密實(shí)處管片存在一定滲水泛堿，注漿加固后，滲水現(xiàn)象消失。

圖7 “Deconvolution 反褶積”單道頻譜頻率分布

通過(guò)上述兩種工程案例對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，道路病害處理過(guò)程中，無(wú)地下水等因素影響的情況下，數(shù)據(jù)后處理效果較為理想，可通過(guò)常規(guī)處理步驟進(jìn)行病害判定，能夠達(dá)到預(yù)期效果。但在盾構(gòu)隧道等存在嚴(yán)重低頻干擾的復(fù)雜地層中，則需要特殊處理方法對(duì)低頻振蕩信號(hào)進(jìn)行濾波。通常采用“帶阻濾波”與“Deconvolution 反褶積”的方法，但其各有利弊。對(duì)于頻譜幅值變化速率較小的振蕩波，采用“帶阻濾波”的方法，則效果更為理想，而持續(xù)性的頻譜幅值變化速率較大的振蕩波，“Deconvolution 反褶積”壓制與諧波效果更為突出。

4 結(jié)論

本文通過(guò)兩個(gè)工程案例對(duì)比，分析了道路路基病害的雷達(dá)數(shù)據(jù)與盾構(gòu)隧道的雷達(dá)數(shù)據(jù)的異同之處，得出結(jié)論。

（1）道路病害探測(cè)常見病害有空洞、脫空、不密實(shí)三類，其受低頻振蕩信號(hào)干擾較小，雷達(dá)圖譜可通過(guò)常規(guī)處理方法進(jìn)行后處理與病害判別。

（2）盾構(gòu)隧道電磁波信號(hào)不僅淺部受鋼筋干擾，同時(shí)受地層高含水影響，由此產(chǎn)生的持續(xù)低頻振蕩信號(hào)，采用“Deconvolution 反褶積”方法，比“帶阻濾波”處理效果更為理想，可以增強(qiáng)有效波幅值，適當(dāng)壓制低頻振蕩干擾。

（3）對(duì)頻率變化速率慢的低頻干擾波，“帶阻濾波”可有效濾除低頻振蕩信號(hào)，但對(duì)淺部有效信號(hào)也有濾波作用；而對(duì)頻率變化速率快的低頻干擾波，“Deconvolution 反褶積”則可有效凸顯淺部病害特征圖譜，但對(duì)深部低頻振蕩信號(hào)濾除作用有限。

地質(zhì)雷達(dá)圖譜解釋是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作，不僅存在多解性，而且需結(jié)合頻譜特征進(jìn)行判別，對(duì)工程人員的經(jīng)驗(yàn)判斷要求極高。同時(shí)，需結(jié)合病害部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，避免因介質(zhì)原因產(chǎn)生強(qiáng)反射或低頻振蕩對(duì)信號(hào)判別產(chǎn)生誤差。