低頻振蕩信號對地質(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檢測有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

地質(zhì)雷達(dá)因其檢測效率高、無損等特點(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依據(jù)，使得病害判別受人為經(jīng)驗影響很大。道路路基多為土基，病害一般以脫空、空洞、不密實為主，較少出現(xiàn)淺部的持續(xù)低頻振蕩信號。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)上會呈現(xiàn)持續(xù)的、深度覆蓋范圍大的低頻振蕩信號，導(dǎo)致對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)對消的直達(dá)波濾除方法，認(rèn)為其具有運(yùn)算少、信號失真小、并可實時處理的優(yōu)點(diǎn)；凌同華等[2]基于HHT 分解出瞬時剖面、瞬時相位、瞬時頻率的HHT 分析法，得出其具有自適應(yīng)時頻分解的能力，能很好的定量識別地下病害體；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]基于信號統(tǒng)計特征的卡爾曼濾波法，認(rèn)為其可以利用統(tǒng)計學(xué)特征，有效識別卡爾曼特征病害；王紅庭[5]基于曲波變換方向濾波的目標(biāo)信號增強(qiáng)法，認(rèn)為其能有效去除注漿檢測探地雷達(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，提高了雷達(dá)圖像的解釋效率。部分學(xué)者通過1：1 模型試驗，利用單波分析法對地質(zhì)雷達(dá)較難判別的疑似積水病害進(jìn)行識別的方法；還有學(xué)者利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對地質(zhì)雷達(dá)試驗結(jié)果進(jìn)行正演分析的方法，認(rèn)為不同介電常數(shù)對雷達(dá)波形識別精確度有較大影響；但針對不同地區(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)通過雷達(dá)天線對隱蔽目標(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)的相對介電常數(shù)；μr——介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率（一般μr≈1）。

1.3 電磁波的反射系數(shù)

電磁波在介質(zhì)傳播過程中，當(dāng)遇到相對介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時，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)的相對介電常數(shù)；ε2——第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

1.4 探地雷達(dá)記錄時間和勘查深度的關(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)置采樣時窗1000ns，采樣道間距0.01m，對病害區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格狀探測，有效探測深度為1.5～2.0m。探測結(jié)果顯示病害類型分為空洞、脫空、不密實3 類。空洞病害的電磁波反射信號幅值較強(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，典型空洞病害如圖1 所示。脫空病害電磁波反射信號幅值較強(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，圖像特征如圖2 所示。不密實病害電磁波反射信號幅值較強(qiáng)，同相軸不連續(xù)、錯斷、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)在接收有效信號的同時，也不可避免地接收到各種干擾信號，產(chǎn)生干擾信號的原因很多，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。

本次對道路采集數(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。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，濾除畸變雜波。⑥滑動平均，減少圖譜毛刺。⑦距離歸一化。經(jīng)過上述步驟處理，即可達(dá)到較為理想的效果，對病害進(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)隧道檢測工程實例，以某盾構(gòu)隧道為基礎(chǔ)，對其建成后盾構(gòu)襯砌進(jìn)行背后空洞探測。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)置采樣時窗1000ns，采樣道間距0.01m，對拱頂及左右拱腰進(jìn)行連續(xù)采樣。后處理過程中，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，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，疊加于中心頻率之上，導(dǎo)致高頻波振幅被壓制，無法準(zhǔn)確對深部病害進(jìn)行判別。通過對原始頻譜的分析，可以發(fā)現(xiàn)，低頻信號（即波峰）主要集中在200MHz 附近。原始低頻信號單道頻譜頻率分布如圖4 所示。

圖4 原始低頻信號單道頻譜頻率分布

因此，如何有效對低頻振蕩進(jìn)行濾除，尤為關(guān)鍵。第一種方案，采用“帶阻濾波”方法對其進(jìn)行濾除，同時兼顧保留有效信號。濾波之后，發(fā)現(xiàn)深部1.5m 左右仍然存在一定干擾，且上部有效信號同時被濾除一部分，無法突出連續(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頻率與低頻振蕩信號頻率接近的情況下，會造成有效信息缺失。通過對單道頻譜進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)信號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。原始高頻信號單道頻譜頻率分布如圖6 所示。

圖6 原始高頻信號單道頻譜頻率分布

第二種方案，采用“Deconvolution 反褶積”方法，對深部低頻振蕩信號進(jìn)行處理，目的是通過Levinson 算法執(zhí)行消除毛刺和多次信號。參數(shù)設(shè)置：時程48ns，濾波長度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，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)場驗證，不密實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

通過上述兩種工程案例對比，可以發(fā)現(xiàn)，道路病害處理過程中，無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低頻振蕩信號進(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

本文通過兩個工程案例對比，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）道路病害探測常見病害有空洞、脫空、不密實三類，其受低頻振蕩信號干擾較小，雷達(dá)圖譜可通過常規(guī)處理方法進(jìn)行后處理與病害判別。

（2）盾構(gòu)隧道電磁波信號不僅淺部受鋼筋干擾，同時受地層高含水影響，由此產(chǎn)生的持續(xù)低頻振蕩信號，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，但對淺部有效信號也有濾波作用；而對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，但對深部低頻振蕩信號濾除作用有限。

地質(zhì)雷達(dá)圖譜解釋是一項極其復(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，對工程人員的經(jīng)驗判斷要求極高。同時，需結(jié)合病害部位進(jìn)行現(xiàn)場驗證，避免因介質(zhì)原因產(chǎn)生強(qiáng)反射或低頻振蕩對信號判別產(chǎn)生誤差。