X3M探地雷達在城市管線探測中的應用及數據處理方法

劉海君，黃芒芒

(西安煤航信息產業有限公司管網分公司，陜西西安 710054)

X3M探地雷達在城市管線探測中的應用及數據處理方法

劉海君?，黃芒芒

(西安煤航信息產業有限公司管網分公司，陜西西安 710054)

在對探地雷達數據的特點進行分析后，得出了探地雷達數據處理的必要性，并結合作者使用的X3M探地雷達的數據處理進行了具體的分析，總結出若干經驗，并給出城市管線探測中探地雷達圖像處理和分析的方法。

探地雷達；數據處理；濾波增益

1 探地雷達工作特點及數據處理概述

探地雷達的工作可以分為野外數據采集、室內數據處理和資料解釋三個階段，這三個階段是緊密相關的。只有較高質量的原始數據才能為處理工作提供好的物質基礎，如果原始資料很差，那么無論什么先進的處理技術也不可能得出好的時間剖面。從另一個角度看，對于同樣的原始資料，所用的處理方法不同，得出的處理結果也可能差別很大。所以可以說，在探地雷達工作中，野外數據采集是基礎，處理工作是關鍵。

之所以要進行數據處理，這跟探地雷達工作的特點有關:

(1)在探地雷達測量中，為了保持更多的反射波特征，通常利用寬頻帶進行記錄，于是在記錄各種有效波的同時，也記錄了各種干擾波。

(2)理想探地雷達發射脈沖應該是一個尖脈沖，然而由于天線頻譜響應的限制，這種發射脈沖實際是一個具有一定時間延續的波形。在雷達記錄中，一個界面的反射波一般要延續約 10 ns～20 ns(使用50 MHz～100 MHz天線)，因此相距在0.5 m以內的兩個反射界面其到達時間僅差為幾ns，難以在雷達反射剖面圖像中區分開來。

(3)探地雷達測量的是來自地下介質交界面的反射波。偏離測點的地下介質交界面的反射點只要其法平面通過測點，都可以被記錄下來。

(4)探地雷達圖像由于干擾及地下介質的復雜性等問題，使得有時難以從圖像剖面識別地下介質的分布。

(5)在探地雷達測量中，天線的耦合波以及探測表面直接反射波由于其具有很高的能量，對目標回波信號的提取有較強的干擾；對淺層目標，目標可能淹沒于直達波之中，無法進行目標的后處理和目標分類。

(6)探地雷達發射的脈沖在地下傳播過程中，能量均會產生球面衰減，也會由于介質對波的能量的吸收而減弱。

針對這些特點，為了壓制隨機和規則的干擾，以最大可能的分辨率在探地雷達圖像剖面上顯示反射波，提取反射波的各種有用的參數(包括電磁波速度，振幅和波形)來幫助解釋，需要對探地雷達數據進行處理。這些處理主要包括兩種:濾波和增益。其中濾波又包括數字濾波(頻率帶通濾波)，反濾波，水平濾波(抽取平均道濾波)，平均濾波等；增益又包括自動增益，線性增益和時變增益等。

2 X3M雷達數據處理方法

在城市管線探測過程中，管線探測儀受其工作原理的限制存在探測工作盲區:非金屬管線如水泥、塑料與陶瓷等材質管線；傳導電信號弱的金屬管線(如橡膠墊接口的鑄鐵管、球墨鑄鐵管等)和探測信號難以區分的并行與交叉金屬管線等。

探地雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)技術是利用高頻電磁脈沖波的反射探測地下目的體分布形態及特征的一種技術，探地雷達應用的物性前提是目標管線體與周圍介質的介電常數和電磁波波速存在明顯差異。而地下鋪設的管線與周圍介質的介電常數遇電磁波速存在明顯的差異，因此探地雷達已經成為管線普查專業隊伍的必備的儀器設備。

筆者單位使用的是瑞典MALA公司的X3M探地雷達，X3M探地雷達的數據采集軟件是GroundVision (GV)，同時也是數據處理及分析軟件。GV處理雷達數據的方式，主要是對采集到的雷達圖像進行濾波和增益處理，去除各種干擾信號，并加強目標體反射信號，提高雷達圖像的分辨率，為探地雷達數據的解釋提供很好的依據。在GV中提供的濾波和增益主要有7種，分別為AGC自動增益、背景去除濾波、頻率帶通濾波、DC濾波、平均濾波、去除平均道濾波、時間增益；如圖1所示。

圖1 濾波和增益的種類

如何設置這些濾波的參數，并按照合理的順序應用到圖像處理中，是GV處理雷達圖像的關鍵。

(1)濾波增益的參數設置方法如下:

①AGC自動增益，時窗長度一般選擇為總樣點數的1/8。

②背景去除濾波，通常只應用于長剖面，根據情況可以選擇3種不同的強度。

③頻率帶通濾波，控制單元會根據天線頻率自動設置。

④DC濾波是從數據中去掉DC漂移，主要是對深部的1/3樣點進行處理，開始樣點一般選用總樣點數的2/3。

⑤平均濾波是對圖像做平滑處理，窗口越大，效果越明顯，一般選擇3 cm×3 cm。

⑥抽取平均道濾波又叫水平濾波，濾波參數的設置一般取其默認設置，即選擇移動道平均，用于平均的道數選擇為60。

⑦TVG時變增益通過調節開始的樣點可以選擇要進行放大的信號段，通過調節線性增益和指數增益值的大小可以選擇增益的效果，因為增益值會隨波形發生改變，所以通常使用自動設置。

(2)通過分析各種濾波的數學原理，筆者總結出圖2中的濾波和增益順序能得出初步的圖像處理結果。

首先進行的是頻率帶通濾波，它是除去探地雷達測量時記錄的有效波之外的干擾信號，因為后續的濾波和增益都會對數據進行道間或者道內的均衡，所以之前必須去掉干擾信號，否則會影響數據的準確性；其次是AGC自動增益，這個增益是一種分段(8段)增益，在指定的分段時窗內求取等效平均振幅來對各道進行歸一化增益，主要是對深部信號起到放大的作用，因為在某些情況下需要加以區分的目的體與周圍介質的電性差異不大，或者地層不均一所引起的回波幅度較大，使得目的體與非目的體的回波幅度差異減小，這時候需要增強目的體的信息；然后是除去平均道濾波，這個濾波是從各道中去掉平均道的數據，除去水平或近似水平的數據，主要是為了除去直達波，因為這些數據信號非常強，常常掩蓋了一些淺層較弱的目標反射信號(AGC自動增益之所以要放在水平濾波之前是因為AGC自動增益是在深度方向上也就是每一道上進行平均，而水平濾波也是在深度方向上進行道間的均衡并去掉平均道的數據，如果AGC自動增益放在水平濾波之后會使水平濾波的效果在一定程度上被抵消)；最后是平均濾波，平均濾波主要是通過對數據平均處理降低數據的隨機噪聲，從圖像上來說平均濾波是用選定窗口的所有樣點的平均值來代替圖像中的每一點，作用是對圖像做平滑處理。

圖2 濾波和增益設置的順序與方法

此外列表中的另外三個未添加的濾波增益分別為DC濾波、背景去除濾波及TVG時變增益，它們的作用分別是去除DC漂移和水平濾波及深部信號加強。DC濾波在實踐中應用效果不明顯，而后兩個則是因為與前面所提到的四個濾波增益有相同的作用，只是在效果方面有所不同，在實際應用中較少用到，如背景去除濾波只在長剖面時才應用。

3 圖像處理實例分析與驗證

3.1 實例一 煤航西院實驗圖像處理

(1)圖像顏色調節

雷達圖像有兩種顯示方式——黑白顯示和彩色顯示，如圖3所示。

圖3 雷達圖像的顯示方式(黑白:左，彩色:右)

黑白顯示的波形對比度好，易于識別波形。彩色顯示可設置不同振幅(反射波強度)的顯示顏色，利于區分。在室外采集數據時，應將顯示方式設置為彩色顯示，因為筆記本是液晶顯示器，在室外顯示效果差，用彩色顯示看得更清楚。而在數據處理時，則分別使用黑白顯示和彩色顯示，得到不同效果的圖像。

(2)圖像處理后效果

按照上述的方法將原始采集的圖像處理，把經過處理之后的雷達圖像與采集的原始圖像進行對比可以發現，經過處理之后的雷達圖像中目標體(即管道)的位置更明顯，并且也多了很多在原始圖像中無法看到的地下物體。而且經過刻度的修正處理之后，目標體的位置也更真實。這些都說明了上述總結的處理方法得當強大，效果相當明顯。

圖4 雷達圖像處理后的效果

在進行雷達探測之后，我們把所得的結果與已有的管線資料進行對照發現雷達所得的結果非常準確且直觀。這說明在配備了適當的天線之后，使用雷達進行管線的探測，有很明顯的效果，既能探測金屬管線，也能探測到管線儀基本無信號的非金屬管線。

3.2 實例二 生產項目中圖像及解釋

如圖5，作者在寧波市鄞州區管線普查過程中某一疑難點圖像處理的實例。從中可以看出濾波增益的明顯效果。

圖5 濾波增益調整前后圖像對比

剖面位于唐家漕，圖中位置4.2 m，深度0.85 m，存在明顯雙曲線異常，與資料核對應為 φ150 mm給水砼管。根據上圖中管線異常的位置，利用地質雷達測距輪回拉定位，找到圖像中異常對應的實際位置，就可以很清楚地判斷出管線的位置，并在相距10 m、20 m、30 m處再實測幾個剖面，可以確定管線走向和深度，與前期調查情況相符，解決了該疑難點的管線走向與深度無法求證的疑難問題。

[1]李大心.探地雷達方法與應用[M].北京:地質出版社，1994

[2]粟毅，黃春琳，雷文太.探地雷達理論與應用[M].北京:科學出版社，2006

[3]熊章強，方根顯.淺層地震勘探[M].北京:地震出版社，2002

The Application and Data Processing Manner of X3M in City Pipeline Detection

Liu HaiJun，Huang MangMang
(Underground Pipeline Branch Company of Xi’an Meihang Information Industry Co.，Ltd.Xi’an 710054，China)

The paper describes the necessity of data processing for Ground Penetrating Radar by analyzing it’s data features.The authors analyze data processing manner of X3M Ground Penetrating Radar，summed up some experience，and present images processing and analysis manner of Ground Penetrating Rader in the city underground pipeline detection.

Ground Penetrating Radar；Data processing；Filtering gain

1672－8262(2010)05－152－03

P631

B

2010—07—27

劉海君(1976—)，男，工程師，從事管網勘查項目的生產和技術管理工作。