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探地雷达数据采集以及解释山东大学岩土中心第1章．探地雷达简介1．1工作基本原理探地雷达（GroundPenetratingRadar，简称GPR）是利用频率介于106～109Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器。随着微电子技术和信号处理技术的不断发展，探地雷达技术被广泛应用于工程地质勘察、建筑结构调查、公路工程质量检测、地下管线探测等众多领域。探地雷达的基本原理如图1所示。发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。对所采集的数据进行相应的处理后，可根据反射波的旅行时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的，所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。其中，目标体与介质间的电性差异越大，二者的界面就越清晰，表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续。可以说，目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本条件。图1探地雷达基本原理1．2电磁波传播特征探地雷达的电磁脉冲在介质中的传播速度为：cv其中c为电磁波在空气中的传播速度，为介质的介电常数，常见介质的介电常数如表1所示。材质相对介电常数材质相对介电常数粉质粘土6水81干砂3～5灰岩4～8湿砂20～30花岗岩4～7金属300砂岩6PVC塑料3.3页岩5～15混凝土6.4淤泥5～30空气1海水80粘土5～40表1各种常见介质的介电常数电磁波脉冲在地质界面上的反射系数为：1212k根据电磁脉冲的传播规律，在地质界面上如果反射系数为负，则相位与发射脉冲相反，若反射系数为正，则相位与反射脉冲一致。如图2和图3，可以清除看到反射波相位的变化规律。图2图31．3雷达的分辨率对于地质雷达的探测方式．它的分辨率也是一个必须了解的内容．地质雷达的分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。地质雷达的垂直分辨率主要由地质雷达的波长的二分之一决定。从波的传播规律可知，识别目标体的尺度一般需大于1／2波长，假设垂育最小可分辨的层的厚度为Dm。则它的计算式为：其中，c为电磁波在真空中的传播速度。可见频率越高，介质的介电常数越大，Dm越小．即垂直可分辨层的厚度越薄，垂直分辨率越高。地质雷达的水平分辨率是指地质雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸的能力。通常用Fresenel来表示，当反射面的埋深为H，发射，接受天线的间距远小于H时，RF就是水平分辨率的最小尺度。从计算公式可以看出．当目标体埋深越大，雷达波频率越低，波长越长，则RF越大，水平分辨率越低．反之，水平分辨率越高。第2章．雷达数据的采集雷达数据采集的步骤如下：1．仪器安装调试；2．现场地质以及其它情况记录；3．布置测线；4．参数设置；5．参数现场校核，如不合格，重新调试参数；6．数据采集。下面将各步骤的注意事项说明。2．1仪器安装调试①必须在断电的状态下进行安装和拆卸；②如果现场空气比较潮湿或者有水，注意防潮防水，以免短路导致损坏电路；2．2现场地质记录记录现场的地质条件，以免现场的干扰在雷达记录中造成假象，扰乱最终的解释。2．3布置测线如果已知探测对象的大体走向，尽量使测线与其走向正交；2．4参数设置参数设置是关系到采集数据质量的关键工作，各项参数如下：Collect菜单（如图4）：注：①增益：地质雷达发射的电磁波在介质中传播过程中，在电性（介电常数）分界面上会发生发射，有一部分电磁波继续向下传播，传播过程中电磁波能量会被介质吸收。随着深度的增加，电磁波能量减弱，信号幅度相应地减小，不利于信号识别和辨认。为了能更好地识别信号特征，采用增益（gain）函数来提高信号的幅度，使得信号的细微变化更容易显示和识别。增益菜单有两个选项：手动/自动Manual/Auto，增益点数Points,GP1、GP2、GP3…GP5。在采集主机的屏幕的右半部分有一个示波器窗口，除了显示波形之外，还有一条红色的曲线，该曲线就是增益曲线，曲线的转折点点就是增益控制点。适当的增益函数会提高信号的可视性，但是增益过大会出现削波现象，应该避免削波现象。②位置确定：雷达剖面的最顶端并不是第一个反射面（比如在地面探测时，剖面的顶端并不是地面），这主要是因为：第一，系统延时，即主机给出发射指令到天线开始发射的延迟时间，第二，直达波，即有发射天线直接到接受天线的电磁波。为了更加精确的定位，应该去除这两方面的干扰。但是由于确定零线较为困难。可以在探测时在地面放置一根电缆与测线正交，天线经过电缆时在剖面上会记录下电缆的位置，通过识别电缆就可以确定零线的位置了。图4collect菜单的注解Playbacck菜单（如图5）该菜单用于浏览已经采集的文件，在该菜单下有一个SCAN和PROCESS子菜单，通过子菜单可以可以进行一些参数修改和数据处理，以便得到更好的显示效果。注：这些修改和处理只是用于显示，并不会改变原数据。图5Playbacck菜单的注解Output菜单（见图6）该菜单的主要功能就是设置数据的显示参数和数据的导出。图6Output菜单的注解System菜单参数设置（见图7）图7System菜单的注解2．5参数现场调试调试技巧：①如果出现削波（振幅过大）或者振幅过小的现象，需要调节增益设置；②如果出现雪花现象（特别是深部），需要增加叠加次数；③如果存在已知深度的目标体并且该目标体可以在雷达剖面上识别的话，可以通过该目标体的深度来反算波速，进而求出介电常数。这样求出来的介电常数比较接近真实值。如果没有已知深度的目标体，可以打钻确定一个目标体，然后量测其深度，用同样的方法来反算介电常数。2．6数据采集注意事项：①天线拖动过程中要匀速，并且不要发生跳动现象，跳动现象会造成非常大的干扰。②打标记要及时，尽量不要重复。③隧道拱顶或者拱腰部位探测时，可以使用台车（由装载机拖动台车），汽车架子和装载机架子，如图8。其中台车最安全，汽车架子最不平稳。台车（由装载机拖动）汽车架子装载机架子图8各种架子第3章数据分析数据分析和数据处理的目的就是压制干扰，突出有效信号，提高信噪比，这是进行成果解释的前提，只有进行仔细的处理，才能获得良好的效果。图9为数据分析和处理的流程图，其中数据分析和数据处理需要进行多次调试对比，才能达到较好的处理效果。本章将对各个步骤进行详细讲解。图9雷达数据分析和处理流程好不好成果解释报告编写确定处理流程和参数数据处理增益处理IIR滤波FIR滤波F-K滤波算术运算反卷积偏移处理静态校正希尔伯特变换……处理效果绘制测线布置图尺寸调整零线确定数据分析频谱分析希尔伯特变换3．1绘制测线布置图和尺寸调整3．1．1绘制测线布置图内业工作的第一步就是将现场的测线布置草图绘制成正式文档。由于现场雷达数据文件是以编号命名的，所以每条测线所对应的文件编号需要记录在文档中，以防混乱。如下图10，就是雷达探测桥洞的测线布置图，可见在图中标注了测线的方向以及测线所对应的文件编号，应该尽量多的将现场信息反映在布置图上，有助于在解释过程中识别干扰，必要时可以做文字说明。图10雷达测线布置图3．1．2雷达数据剖面的尺寸调整由于在数据采集过程中存在以下的情况：①采用时间连续采集模式的时候天线走速不均匀，导致标记（等距离标记）之间的道数不一样，甚至差别非常大；②地表起伏比较大，容易在雷达剖上造成假象；③由于直达波的存在，使得剖面的最顶部并不是地面的反映，使得深度产生误差。针对以上的情况，需要进行尺寸调整，各功能模块如下：剖面尺寸调整水平尺寸调整垂直尺寸调整距离正常化水平长度的缩放文件拼接深度正常化零线调整距离正常化距离正常化，该项功能允许你在标记（必须是等距标记）之间建立等长尺寸，也就是要求在标记之间每单位距离上的尺寸等同，或道数一样。在没有测量轮的情况下以连续模式采集数时，天线移动速度难以保持恒速，这样就需要利用距离正常化的功能。联合标记或者距离标记（注：关于Mark数据库的性质与使用见软件说明书的的第二章）设定后，该项功能就会通过增或删的方式来修正每个标记之间的道数，当然同时也修正了采集速度（天线运行速度）。参数输入框注意：①在运行该功能之前，必须确保标记信息是正确的（无重复标记，无丢失标记，首尾标记都存在，所有的用户标记都已经转化为距离标记或联合标记）。②Scans/unit,unit/mark都必须在头文件中设置好，以便运行该功能。③unit/mark是根据测量时的设定来设置的。④Scans/unit需要用鼠标来清点每个标记之间的道数（注意：因为在雷达剖面中显示的是已经做了叠加处理的数据，若每个标志之间的道数为3，而叠加次数为16，则实际每个标志之间的道数为二者的乘积48，切记！！）⑤该功能运行之后，原数据中在第一个标志之前的部分已经被cutoff了。水平尺寸缩放可以通过水平尺寸缩放中的叠加，去除，添加功能来修改雷达数据。参数设置对话框注意每次只能这三项功能中的一个。叠加（stacking）：使用该功能可以对数据进行简单的滑动平均处理。该功能就是将所指定的几道平均叠加之后输出一道数据。去除（skipping）：选定此项，你可以将指定的道去除，比如，你输入参数1，就会每隔一道去除一道数据（因此，数据被压缩到原来的二分之一）添加（stretching）：选择此项，将拓展水平尺寸。该功能将计算出每相邻两道的平均值（或指定道数），然后将平均道添加到已有数据中。拼接文件有时因为场地条件所限，我们不得不分部采集数据，在后处理中为了将各部分数据连接在一起，就要使用该功能了。①选择File＞AppendFile.②选择所要连接的各个文件。③点击Done，完成连接，重新命名加以保存。表面位置调整（非常重要）由于系统延时和直达波存在，使得整个剖面的最顶部并不是地面的位置。确定地面的位置，对于精确的深度定位来说非常关键，但是如何确定，目前还没有定论，下面列举三个常用的方法。①根据RADAN介绍，百分之九十的情况下把直达波的第一个正峰位置作为地面。②根据华东院资料，将直达波的第二个波瓣作为地面，如下图③根据经验，可以在探测时在起始部位放置一根电缆，在后处理时在剖面上识别出该电缆，这样就可以确定地面位置了。下面以一个探测剖面为例说明一下这三种方法的用法与区别（如图11）：图11零线的确定如图11，其第一个正峰位置是10.34ns，第二个峰值是14ns，而电缆位置是16.34ns，可见三者最大相差6ns,按照介电常数为8计算，深度偏差了30cm，对于超前预报来说该误差可以允许。而对于衬砌检测来说偏差较大，需要综合三种方法来分析。表面正常化在测线布置时会遇到地表起伏较大的情况，这就需要修正地表起伏对数据剖面的影响，进而可以使水平或接近水平状的反射体的反应更接近实际。通过输入标记的z值就可以实现该功能。3．2数据分析傅立叶谱分析数据处理是进行数据解释的基础，目前比较常用的处理方法有一维滤波，二维滤波，以及反滤波，这几种方法都是以傅立叶谱分析为基础的，傅立叶谱分析是将雷达数据由时间域转化为频率域，表现的是各种谐波频率的振幅分布，如图12。图12振幅频谱图关于不同探测介质的振幅频谱特征，一下有几个结论（摘自杨峰资料）：（1）水对高频电磁波具有很强的吸收作用，这与水离子导电是密切相关的，离子导电增加了介质的电导，而电磁波传播与电导和频率之间呈指数衰减关系。（2）花岗岩不但对高频成份具有一定吸收，而且形成的振幅谱比较单一。（3）在干燥的不均匀介质中，形成的振幅谱不但主频特征不明显，而且在天线的高端会形成一定的杂波信号。这可能是由于高频电磁波在不均匀介质内形成多次干涉造成的。干涉现象势必加宽信号的频带特征。具体的谱图如图13。空气背景雷达频谱特征水背景雷达频谱特征花岗岩背景雷达频谱特征干燥碎石背景雷达频谱特征图13不同介质的频谱图希尔伯特变换由于大地介质的不均匀性，地质雷达发射的高频脉冲电磁波在地下传播过程中将发生强烈的衰减、反射、折射