地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)過程中干擾物的圖像識(shí)別

魯建邦

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，太原 030001)

0 引言

地質(zhì)雷達(dá)作為一種快速、高分辨率、連續(xù)的無損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工程地質(zhì)勘測(cè)、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查以及工程施工質(zhì)量檢測(cè)、隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、巖溶普查等諸多領(lǐng)域［1－7］。趙玉良等［2］、竇順等［3］認(rèn)為雷達(dá)探測(cè)可以較準(zhǔn)確地查明溶洞、地下水、斷層及不良地質(zhì)體的位置和分布情況，并對(duì)探測(cè)的距離進(jìn)行探討;郭有勁［4］、李江林等［5］認(rèn)為采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)具有較好的效果;鐘世航等［6－7］在溶洞和溶隙的探測(cè)方面通過陸地聲納技術(shù)與地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的綜合應(yīng)用，證明這2種方法可互證、互補(bǔ);蘭樟松等［8］、陳輝光［9］對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)過程中部分干擾因素進(jìn)行了研究和分析。

業(yè)內(nèi)有人曾就干擾物對(duì)雷達(dá)圖像的影響進(jìn)行了一些分析和研究，但在實(shí)際的工程探測(cè)過程中會(huì)出現(xiàn)眾多的外界干擾物，且作業(yè)的環(huán)境也不盡相同。如在進(jìn)行外業(yè)工作時(shí)遇到垂直經(jīng)過或者斜交經(jīng)過高壓線路、在進(jìn)行隧底檢測(cè)中遇到模板臺(tái)車和臺(tái)架、隧道襯砌檢測(cè)過程中鄰近避車洞等均會(huì)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的采集造成影響，并在采集圖像上留下很明顯的干擾信號(hào)。識(shí)別這些干擾，對(duì)提高地質(zhì)雷達(dá)圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性、豐富干擾物圖像庫(kù)等方面都大有裨益。本文正是基于以上考慮，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)例對(duì)地質(zhì)雷達(dá)在上述領(lǐng)域使用過程中的干擾物圖像識(shí)別進(jìn)行闡述。

1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)

1.1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法是利用主頻電磁波(106～109Hz)探測(cè)介質(zhì)電性分布的一種地球物理方法。高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式在介質(zhì)表面通過發(fā)射天線將信號(hào)傳入介質(zhì)內(nèi)部，其路徑、波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)變化，經(jīng)地下目標(biāo)體或地層反射界面反射后返回地面，由接收天線接收，通過對(duì)所接收的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行分析處理，達(dá)到探測(cè)地下或者隱蔽處目標(biāo)體的目的［10］。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試過程中的干擾因素

雷達(dá)設(shè)備的干擾因素主要有儀器內(nèi)部干擾和外界干擾2種。儀器內(nèi)部干擾主要表現(xiàn)為天線盒震蕩信號(hào)干擾、天線控制電路之間干擾、發(fā)射與接收天線的直接耦合干擾等。儀器的內(nèi)部干擾相對(duì)穩(wěn)定，在氣候發(fā)生變化時(shí)內(nèi)部干擾也會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的變化。儀器的外界干擾主要有現(xiàn)場(chǎng)的金屬臺(tái)車和臺(tái)架、檢測(cè)用的臺(tái)車、工程勘測(cè)過程中外界高壓輸電線路、外界的電磁波等，同時(shí)由于干擾因素的存在，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過程中很容易將干擾因素作為異常情況進(jìn)行處理;另外，由于干擾信號(hào)在雷達(dá)測(cè)試圖像上形成的結(jié)果也會(huì)覆蓋實(shí)際地質(zhì)情況信號(hào)反映的缺失，給施工安全和質(zhì)量保證留下隱患。

2 有關(guān)干擾物的干擾圖像特征分析

2.1 高壓輸電線的干擾圖像特征

2.1.1 孤立地物在地質(zhì)雷達(dá)剖面的反射

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波為三維空間球面波。目前使用的地質(zhì)雷達(dá)天線多數(shù)為屏蔽式天線，實(shí)際天線在發(fā)射和接收過程中仍然會(huì)接收到來自周圍空間的干擾物及空間電磁波的干擾信號(hào)，進(jìn)而在圖像上留下干擾物的電磁波反射圖像。

地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線附近地面存在孤立的物體，電磁波就會(huì)通過空氣傳播到該物體，并產(chǎn)生反射波。電磁波在空氣中傳播時(shí)能量衰減幾乎為零，反射波的能量很強(qiáng)，當(dāng)天線從這些孤立的物體旁通過時(shí)會(huì)在雷達(dá)剖面上形成一個(gè)雙曲線異常［9］，見圖1。

圖1 孤立物體在雷達(dá)圖像上形成的雙曲線Fig.1 Hyperbola in radar image caused by isolated objects

由圖1可得到雙曲線方程

孤立地物在地質(zhì)雷達(dá)剖面上的完整反映同向軸應(yīng)為雙曲線形狀，與地下介質(zhì)中孤立目標(biāo)的反映類似，通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)證明了此類情況的存在。

2.1.2 高壓輸電線在雷達(dá)剖面的成像

蘭樟松等［8］認(rèn)為當(dāng)雷達(dá)測(cè)線垂直通過輸電線，天線的極化方向與輸電線方向平行時(shí)，輸電線引起的干擾呈雙曲線型，其頂點(diǎn)正對(duì)于輸電線的下方，尤其是高壓輸電線，其影響范圍達(dá)50～80 m。

在進(jìn)行工程地質(zhì)勘測(cè)過程中，尤其是一些市政工程施工前的管線調(diào)查時(shí)，地面有與測(cè)線垂直的高壓輸電線，高壓輸電線在雷達(dá)圖像上產(chǎn)生的反射圖像具有同向軸的反射弧，與管線的反射圖像存在很大的相似之處。因此，在進(jìn)行圖像分析過程中需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地物地貌進(jìn)行有針對(duì)性的分析篩選，逐一排除干擾因素。

圖2為某城市道路地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖。從圖2可看出在雷達(dá)圖上存在比較明顯的雙曲線反射信號(hào)。根據(jù)前期的施工地質(zhì)勘察報(bào)告得知在該區(qū)域不存在地下管道，且該雙曲線的深度和跨度均已大大超過一般地下管道的尺寸大小，個(gè)別影響范圍已達(dá)100 m左右，初步判斷不可能是來自于地下目標(biāo)體的反射圖，應(yīng)為地上物的反射。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄，發(fā)現(xiàn)在測(cè)線經(jīng)過范圍內(nèi)存在高壓輸電線，如圖3所示。綜合以上分析判斷:在圖2上明顯的雙曲線反射信號(hào)為高壓輸電線的干擾反射信號(hào)，此信號(hào)可作為干擾信號(hào)進(jìn)行處理。

圖2 高壓線干擾的雷達(dá)圖Fig.2 Radar images interfered by high － voltage power line

2.2 隧道內(nèi)臺(tái)車和臺(tái)架的干擾圖像特征

電磁波在金屬表面會(huì)產(chǎn)生全反射，反射系數(shù)接近1，反射波能量強(qiáng)，電磁波中心頻率不會(huì)降低，應(yīng)用高頻天線探測(cè)隧道中的鋼筋時(shí)，鋼筋形成清晰的反射弧，呈半張開的傘形。地質(zhì)雷達(dá)天線通過地表金屬物時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)反射，在地質(zhì)雷達(dá)剖面上反映為強(qiáng)能量同向軸出現(xiàn)，并且反射波會(huì)在金屬物和天線之間產(chǎn)生多次反射，在剖面上表現(xiàn)為強(qiáng)能量同向軸垂向延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)［11］。

圖3 測(cè)線上方的高壓線Fig.3 High-voltage power line above surveyline

圖4為隧道內(nèi)仰拱質(zhì)量檢測(cè)雷達(dá)圖，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，存在1部襯砌臺(tái)車和1部臺(tái)架，在探測(cè)過程中考慮到臺(tái)車和臺(tái)架可能對(duì)采集信號(hào)產(chǎn)生干擾，故結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，分2種工況分別對(duì)該區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，以判斷臺(tái)車和臺(tái)架對(duì)雷達(dá)探測(cè)是否存在干擾和形成干擾反射圖像。需要說明的是，由于采集過程中隧道仰拱表面平整度較差，天線與接觸面的耦合不完全，圖像上存在一些干擾。

圖4 臺(tái)車和臺(tái)架干擾的雷達(dá)圖Fig.4 Radar image interfered by formwork trolley and platform

1)第1種工況(測(cè)線方向背離隧道出口)。在臺(tái)車和臺(tái)架位置均不改變的情況下進(jìn)行仰拱檢測(cè)。圖4的下部存在2處明顯的弧形反射，2處圖像的中間距離與臺(tái)車和臺(tái)架的中心點(diǎn)距離基本吻合。

2)第2種工況(測(cè)線方向朝向隧道出口)。改變臺(tái)車和臺(tái)架之間的距離，保持臺(tái)車的位置不變，移動(dòng)臺(tái)架。測(cè)線沿與第1種工況相反的方向重新進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)圖像中只存在1處明顯的弧形反射，且位置與第1種工況一致，見圖5。

綜合判斷，圖4中明顯的雙曲線反射信號(hào)是臺(tái)車和臺(tái)架產(chǎn)生的干擾信號(hào)。

2.3 隧道內(nèi)避車洞圖像特征

在左右邊墻的檢測(cè)中，天線需要經(jīng)過避車洞，圖6為經(jīng)過避車洞時(shí)的反射圖像，從圖6中可看出避車洞的反射圖像類似于雙曲線形狀。

3 結(jié)論與討論

1)在采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)勘探及無損檢測(cè)時(shí)，周圍介質(zhì)中存在諸多干擾因素，這些干擾因素會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾信號(hào)，但這些信號(hào)均存在明顯的特征。比如:信號(hào)的影響范圍遠(yuǎn)超過一般的地下目標(biāo)體大小;反射信號(hào)的波速接近于電磁波在空氣中的傳播速度以及反射圖像呈現(xiàn)明顯的雙曲線等。

2)在實(shí)際的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集過程中，需要及時(shí)準(zhǔn)確地記錄各種可能存在的干擾因素，總結(jié)各種干擾信號(hào)的圖像特征，排除干擾圖像，提高地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的準(zhǔn)確性。

3)地質(zhì)雷達(dá)無損探測(cè)中的干擾信號(hào)可以通過選擇一定的數(shù)字處理技術(shù)進(jìn)行抑制，比如對(duì)于繞射波可采取信號(hào)壓制技術(shù)進(jìn)行處理等，有針對(duì)性地提高信噪比，使得雷達(dá)圖像質(zhì)量得以提高。但同時(shí)也應(yīng)注意，在采用信號(hào)壓制技術(shù)的過程中，應(yīng)保證其他信號(hào)的完整性和真實(shí)性。在地下管線等的探測(cè)過程中，一般的管線直徑均小于高壓線的干擾圖像大小，可通過尺寸比較進(jìn)行識(shí)別;同時(shí)在實(shí)際的檢測(cè)過程中，需要認(rèn)真做好現(xiàn)場(chǎng)記錄，尤其是在地面存在諸多干擾物時(shí)，需對(duì)干擾物的大小、位置、材質(zhì)進(jìn)行記錄，便于圖像分析過程中參考比對(duì)。

4)地質(zhì)雷達(dá)作為一種快速、經(jīng)濟(jì)的無損檢測(cè)手段，在地質(zhì)勘探、隧道無損檢測(cè)等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，應(yīng)該大力推廣和使用。本文的目的也在于通過對(duì)地質(zhì)雷達(dá)使用過程中一些常見干擾物體圖像的解析，提高雷達(dá)信號(hào)處理的準(zhǔn)確性和工作效率。

［1］ 李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］.北京:地質(zhì)出版社，1994.(LI Daxin.Methods and application of ground penetrating radar［M］.Beijing:Geological Publishing House，1994.(in Chinese))

［2］ 趙玉良，李建華.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)溶洞等地質(zhì)體機(jī)理研究及實(shí)例分析［J］.隧道建設(shè)，2007，27(3):12 －15.(ZHAO Yuliang，LI Jianhua.Mechanisms study and case analysis on detection of geological body(karst cave)by means of geological radar［J］.Tunnel Construction，2007，27(3):12 －15.(in Chinese))

［3］ 竇順，侯殿英.瓦窯坡隧道巖溶地質(zhì)超前預(yù)報(bào)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(5):7 －10.(DOU Shun，HOU Dianying.Advanced karst geological forecast area for Wayaopo tunnel［J］.Journal of Railway Engineering Society，2011(5):7 －10.(in Chinese))

［4］ 郭有勁.地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2002(2):75－78.(GUO Youjin.Exploration and application of geology radar for quality examination of railway tunnel lining［J］.Journal of Railway Engineering Society，2002(2):75 －78.(in Chinese))

［5］ 李江林，關(guān)淑萍.探地雷達(dá)在隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2010，30(1):7 －11，49.(LI Jianglin，GUAN Shuping.Application of ground penetrating radar in quality inspection of tunnel lining［J］.Tunnel Construction，2010，30(1):7 －11，49.(in Chinese))

［6］ 鐘世航，孫宏志，李術(shù)才，等.隧道施工時(shí)探查、預(yù)報(bào)斷層、巖溶、地下水的技術(shù)新進(jìn)展:將隱患變成明示，將危險(xiǎn)消滅在發(fā)生之前［J］.隧道建設(shè)，2008，28(5):22－30.(ZHONG Shihang，SUN Hongzhi，LI Shucai，et al.New progress in detection and forecasting of faults，karst caves and ground water during tunnel construction:Making hidden danger clearly and preventing danger from happening［J］.Tunnel Construction，2008，28(5):22 －30.(in Chinese))

［7］ 鐘世航，孫宏志，王榮，等.隧道掌子面前方地質(zhì)預(yù)報(bào)的進(jìn)展［J］.隧道建設(shè)，2007，27(4):12 －16.(ZHONG Shihang，SUN Hongzhi，WANG Rong，et al.Progress of geology forecasting ahead of tunnel face by means of geophysical technology［J］.Tunnel Construction，2007，27(4):12 －16.(in Chinese))

［8］ 蘭樟松，張虎生，張炎孫，等.淺淡地質(zhì)雷達(dá)在工程勘察中的干擾因素及圖像特征［J］.物探與化探，2000(5):68－71.(LAN Zhangsong，ZHANG Husheng，ZHANG Yansun，et al.A tentative discussion on interference fatctors and image characteristics in the application of geolgical radar to engieering exploration［J］.Geophysical and Geochemical Explortaion，2000(5):68 －71.(in Chinese))

［9］ 陳輝光.RAMAC地質(zhì)雷達(dá)無損探測(cè)圖像識(shí)別技術(shù)研究［J］.華東公路，2009(1):84－86.

［10］ 薄會(huì)申.鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:地質(zhì)出版社，2006.(BO Huishen.User＇s guide of quality examination of railway tunnel lining and estimate of ground penetrating radar technique［M］.Beijing:Geological Publishing House，2006.(in Chinese))

［11］ 許新剛，李黨民，周杰.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)中干擾波的識(shí)別及處理對(duì)策［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2006(2):36－40.(XU Xingang，LI Dangmin，ZHOU Jie.Identifying interferential wave in GPR and its counter measure［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2006(2):36 － 40.(in Chinese))