新型探地雷达数据采集以及解释.docx
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新型探地雷达数据采集以及解释
探地雷达数据收集之阿布丰王创作
时间：
二O二一年七月二十九日
以及解释
山东年夜学岩土中心
第1章．探地雷达简介
1．1工作基来源根基理
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置技术的不竭发展,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.
探地雷达的基来源根基理如图1所示.发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下,电磁波在传布过程中遇到存在电性差另外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.对所收集的数据进行相应的处置后,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不同、电磁波的衰减水平、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不同越年夜,二者的界面就越清晰,暗示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不同是探地雷达探测的基本条件.
图1探地雷达基来源根基理
1．2电磁波传布特征
探地雷达的电磁脉冲在介质中的传布速度为：
其中c为电磁波在空气中的传布速度,
为介质的介电常数,罕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
6
PVC塑料
页岩
5～15
混凝土
淤泥
5～30
空气
1
海水
80
粘土
5～40
表1各种罕见介质的介电常数
电磁波脉冲在地质界面上的反射系数为：
根据电磁脉冲的传布规律,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动规律.
图2
图3
1．3雷达的分辨率
对地质雷达的探测方式．它的分辨率也是一个必需了解的内容．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.从波的传布规律可知,识别目标体的标准一般需年夜于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布速度.可见频率越高,介质的介电常数越年夜,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.通经常使用Fresenel来暗示,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标准.从计算公式可以看出．当目标体埋深越年夜,雷达波频率越低,波长越长,则RF越年夜,水平分辨率越低．反之,水平分辨率越高.
第2章．雷达数据的收集
雷达数据收集的步伐如下：
1．仪器装置调试；
2．现场地质以及其它情况记录；
3．安插测线；
4．参数设置；
5．参数现场校核,如分歧格,重新调试参数；
6．数据收集.
下面将各步伐的注意事项说明.
2．1仪器装置调试
①必需在断电的状态下进行装置和装配；
②如果现场空气比力湿润或者有水,注意防潮防水,以免短路招致损坏电路；
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安插测线
如果已知探测对象的年夜体走向,尽量使测线与其走向正交；
2．4参数设置
参数设置是关系到收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布过程中,在电性（介电常数）分界面上会发生发射,有一部份电磁波继续向下传布,传布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,晦气于信号识别和识别.为了能更好地识别信号特征,采纳增益（gain）函数来提高信号的幅度,使得信号的细微变动更容易显示和识别.增益菜单有两个选项：
手动/自动Manual/Auto,增益点数Points,GP1、GP2、GP3…GP5.在收集主机的屏幕的右半部份有一个示波器窗口,除显示波形之外,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,可是增益过年夜会呈现削波现象,应该防止削波现象.
②位置确定：
雷达剖面的最顶端其实不是第一个反射面（比如在空中探测时,剖面的顶端其实不是空中）,这主要是因为：
第一,系统延时,即主机给动身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.可是由于确定零线较为困难.可以在探测时在空中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收集的文件,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置,以便获得更好的显示效果.注：
这些修改和处置只是用于显示,其实不会改变原数据.
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如果呈现削波（振幅过年夜）或者振幅过小的现象,需要调节增益设置；
2如果呈现雪花现象（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而且该目标体可以在雷达剖面上识另外话,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力接近真实值.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数据收集
注意事项：
1天线拖动过程中要匀速,而且不要发生跳动现象,跳动现象会造成非常年夜的干扰.
2打标识表记标帜要及时,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.其中台车最平安,汽车架子最不服稳.
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
数据分析和数据处置的目的就是压制干扰,突出有效信号,提高信噪比,这是进行功效解释的前提,只有进行仔细的处置,才华获得良好的效果.图9为数据分析和处置的流程图,其中数据分析和数据处置需要进行屡次调试比较,才华到达较好的处置效果.本章将对各个步伐进行详细讲解.
图9雷达数据分析和处置流程
3．1绘制测线安插图和尺寸调整
3．1．1绘制测线安插图
内业工作的第一步就是将现场的测线安插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安插图,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安插图上,有助于在解释过程中识别干扰,需要时可以做文字说明.
图10雷达测线安插图
3．1．2雷达数据剖面的尺寸调整
由于在数据收集过程中存在以下的情况：
1采纳时间连续收集模式的时候天线走速不均匀,招致标识表记标帜（等距离标识表记标帜）之间的道数纷歧样,甚至分歧非常年夜；
2地表起伏比力年夜,容易在雷达剖上造成假象；
3由于直达波的存在,使得剖面的最顶部其实不是空中的反映,使得深度发生误差.
针对以上的情况,需要进行尺寸调整,各功能模块如下：
距离正常化
距离正常化,该项功能允许你在标识表记标帜（必需是等距标识表记标帜）之间建立等长尺寸,也就是要求在标识表记标帜之间每单元距离上的尺寸同等,或道数一样.
在没有丈量轮的情况下以连续模式收集数时,天线移动速度难以坚持恒速,这样就需要利用距离正常化的功能.联合标识表记标帜或者距离标识表记标帜（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识表记标帜之间的道数,固然同时也修正了收集速度（天线运行速度）.
参数输入框
注意：
①在运行该功能之前,必需确保标识表记标帜信息是正确的（无重复标识表记标帜,无丧失标识表记标帜,首尾标识表记标帜都存在,所有的用户标识表记标帜都已经转化为距离标识表记标帜或联合标识表记标帜）.
②Scans/unit,unit/mark都必需在头文件中设置好,以便运行该功能.
③unit/mark是根据丈量时的设定来设置的.
④Scans/unit需要用鼠标来清点每个标识表记标帜之间的道数（注意：
因为在雷达剖面中显示的是已经做了叠加处置的数据,若每个标识表记标帜之间的道数为3,而叠加次数为16,则实际每个标识表记标帜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识表记标帜之前的部份已经被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置.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,我们不能不分部收集数据,在后处置中为了将各部份数据连接在一起,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,重新命名加以保管.
概况位置调整（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其实不是空中的位置.确定空中的位置,对精确的深度定位来说非常关键,可是如何确定,目前还没有定论,下面列举三个经常使用的方法.
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空中.
2根据华东院资料,将直达波的第二个波瓣作为空中,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,在后处置时在剖面上识别出该电缆,这样就可以确定空中位置了.
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11零线简直定
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,可见三者最年夜相差6ns,依照介电常数为8计算,深度偏差了30cm,对超前预报来说该误差可以允许.而对衬砌检测来说偏差较年夜,需要综合三种方法来分析.
概况正常化
在测线安插时会遇到地表起伏较年夜的情况,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.通过输入标识表记标帜的z值就可以实现该功能.
3．2数据分析
傅立叶谱分析
数据处置是进行数据解释的基础,目前比力经常使用的处置方法有一维滤波,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,暗示的是各种谐波频率的振幅分布,如图12.
图12振幅频谱图
关于分歧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,而电磁波传布与电导和频率之间呈指数衰减关系.
（2）花岗岩不单对高频成分具有一定吸收,而且形成的振幅谱比力单一.
（3）在干燥的不均匀介质中,形成的振幅谱不单主频特征不明显,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屡次干涉造成的.干涉现象势必加宽信号的频带特征.具体的谱图如图13.
空气布景雷达频谱特征
水布景雷达频谱特征
花岗岩布景雷达频谱特征
干燥碎石布景雷达频谱特征
图13分歧介质的频谱图
希尔伯特变换
由于年夜地介质的不均匀性,地质雷达发射的高频脉冲电磁波在地下传布过程中将发生强烈的衰减、反射、折射、绕射和散射,这些反射波、折射波、绕射波和散射波相互叠加在一起,为数据处置带来了巨年夜的困难；同时,为了获得更多的反射波特征,地质雷达通常利用宽频带进行记录,因此不成防止地记录下各种干扰噪声.如果噪声频率带与反射波频率带重叠或接近,利用傅立叶谱分析技术对这样的信号进行分析,有时难以取得理想的效果,严重影响了图像解释的可信度和精度,进而影响了地质雷达的探测效果.而希尔伯特变换可以较好的解决这个问题,希尔伯特变换就是将记录道的信息直接在时间域上转化为瞬时振幅,瞬时相位,瞬时频率的技术.
复信号的瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率这3种瞬时信息,一般是指一个特定的瞬间,而不是一个时间段的平均.地质雷达信号记录道x（t）的复信号分析与地质雷达信号的傅立叶谱分析分别在时间域和频率域上对地质雷达信号的能量、频率和相位等参数进行分析检测,它们在振幅上无实质分歧,而瞬时频率与傅立叶分析的频率分歧,前者是分析全部谐波叠加波形的视频率,后者则是分析各谐波频率的振幅分布情况.两者既有区别,又有一定的内在联系.复信号分析技术与傅立叶谱分析技术的功效输出分歧,它可以将地质雷达记录中的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率分离出来,获得同一个剖面的3个参数图,因而其解释方法与傅立叶谱分析技术的解释方法亦有所分歧.瞬时振幅是反射强度的量度,它正比于该时刻地质雷达信号总能量的平方根,利用这种特征便于确定特殊岩层的变动.本地层存在明显介质分层、滑裂带或地下水分界面时,瞬时振幅会发生强烈变动,反映在瞬时振幅剖面图中就是分界面位置呈现明显振幅变动.瞬时相位是地质雷达剖面上同相轴连续性的量度.无论反射波的能量强弱,它的相位都能显示出来,即使是弱振幅有效波在瞬时相位图上也能很好地显示出来.当电磁波在各向同性均匀介质中传布时,其相位是连续的；当电磁波在有异常存在的介质中传布时,其相位将在异常位置发生显著变动,在剖面图中明显不连续.因此利用瞬时相位能够较好地对地下分层和地下异常进行分辨.当瞬时相位图像剖面中呈现相位不连续时,就可以判断该处存在分层或异常.瞬时频率是相位的时间变动率,它反映了组成地层的岩性变动,有助于识别地层,当电磁波通过分歧介质界面时,电磁波频率将发生明显变动.这种变动可以在瞬时频率图像剖面中较为清晰地显示出来,在地下介质发生变动的时候,瞬时频率也会发生显著变动,需要指出的是,在反射层处瞬时频率的年夜小在数值上与反射波的主频对应的很好,所以可以利用瞬时频率的年夜小和稳定情况来判断地下介质的稳定性和岩性变动.对同一探测对象,3种瞬时信息在同一位置发生明显变动就可能反映探测对象在该处的物性变动.因为在这3个参数中,瞬时相位谱的分辨率最高,而瞬时频率谱和瞬时振幅谱的变动也较为直观,所以通常根据瞬时频率谱和瞬时振幅谱来确定地下异常或分层的年夜概位置,然后利用瞬时相位谱精确确定异常位置和分层轮廓线.有些时候,也可以直接利用瞬时相位谱来确定地下异常的位置.
具体的分析实例见第五章.
第4章数据处置
数据处置是进行数据解释的基础,在RADAN中数据处置的方法非常多,应该在数据分析的基础上决定采用那些处置方法,采用怎样的处置步伐.针对分歧的目标,有分歧处置方法.
目标
方法
去除水平噪音
水平高通滤波
竖直高通滤波
空间滤波
布景去噪
高频噪音（如：
雪花）
竖直低通滤波
水平低通滤波
空间滤波
去除屡次反射
反褶积
去除绕射并修正倾角较年夜的层面
偏移
增加低振幅部份的可视性
运算功能
显示增益和窗口增益
观察细微的特征
Hibert幅度转换
空间滤波
生成更为清晰的数据
四则运算功能
Localpeaks（局部极值提取）
静态修正
各种处置方法的使用方法和注意事项在下面具体讲述.
4．1去除水平噪音
所谓的水平干扰信号,就是指水平带状干扰,通常具有低频特征,经常会干扰一些真实的反映体,如下图：
（a）水平干扰
（b）频谱图（可以看出低频干扰较多）
图1水平带状干扰及其对应的频谱图
图2水平干扰（可以看出剖面主要被水平信号覆盖）
IIR水平高通滤波
滤波器长度应该先设为数据剖面的最年夜道数（应该为奇数）,如果该数值超越225,则应该选择225.这样,在水平方向上长度即是或超越该值的特征将被执行滤波,而长度低于该值的特征受影响很小.
注意：
①因为对IIR水平高通滤波器,其长度最年夜为255,所以长度超越该值的特征都将会被执行滤波,这是不成防止的；
②因为直达波也是水平信号,为了分歧毛病直达波发生影响,可以通过设置起始/终止样本点来圈定滤波区域,避开直达波.
FIR布景去噪
滤波器长度应该先设为数据剖面的最年夜道数（应该为奇数）,如果该数值超越1023,则应该选择1023.这样,在水平方向上长度即是或超越该值的特征将被执行滤波,而长度低于该值的特征受影响很小.
注意：
①因为对FIR布景去噪滤波器,其长度最年夜为1023,所以长度超越该值的特征都将会被执行滤波,这是不成防止的；
②因为直达波也是水平信号,为了分歧毛病直达波发生影响,可以通过设置起始/终止样本点来圈定滤波区域,避开直达波.
垂直高通滤波
因为水平干扰信号往往具有低频干扰,所以垂直高通滤波器可以进行相应的处置,具体滤波器设计需根据频谱特征来确定.
4．2去除高频干扰
高频信号经常暗示为雪花形状,对数据造成了较年夜干扰.可以通过垂直低通滤波,水平低通滤波,滑动平均滤波来进行处置.
垂直低通滤波
垂直低通滤波分为IIR和FIR形式,可以根据频谱图来确定具体的滤波参数.
IIR水平低通滤波和FIR水平叠加
其原理是当你输入一个非零值,由该值决定的道数会相加平均并将平均值赋予中间道,依次计算.所以参数值应该为奇数,一般情况设为5就可以很好的去除高频,平滑数据.
4．3空间滤波
以上就是F-K滤波的流程图,首先经过快速傅立叶变换将时间域雷达数据转化为二维谱图,经过对二维谱图的分析,选择合适的参数进行快速傅立叶逆变换,得处处置之后的时间域雷达数据剖面.空间快速傅立叶变换滤波器,是一个二维的频率滤波器,在时空二维域中进行滤波.经常被称作频率－波数滤波,或f-k滤波（注：
k就是波数的意思）.这种方法可以发生一个二维矩阵,代表了雷达波的相位和振幅.可以用此滤波器进行二维滤波以削减噪音干扰.
对已经变动的数据矩阵进行傅立叶逆变换,此时的滤波器会滤失落一些噪音.在技术上,通过逆变换,数据由频率域恢复到时间域.
相对一维的垂直和水平滤波,F-K滤波的优点有：
可以对信号和噪音进行更好的区分.信号和噪音或许在一维处置中会有所重叠,使得分离它们变得非常困难.可是二维滤波中的情况好的多.
该功能的对话框如下图：
主要显示了二维谱图,滤波器参数设置,以及谱图的显示控制参数.其中谱图的竖轴代表了信号频率,横轴代表了波数（即每单元长度上波周的数目）.
Recalc按钮会将文件转化为二维谱图.谱图的显示参数可以控制谱图的显示质量,一旦谱图形成,可以用Gain,Zoom来增强显示效果,可以使用Scans,Samples来选择显示范围（显示范围也可以通过鼠标来控制）
设置滤波器参数可以开始快速傅立叶逆变换.
滤波器参数的意义和选择
·MinFreq最小频率,MaxFreq最高频率,这两项控制着滤波器的竖向分量.
·Alpha和DeltaAlpha控制着水平分量,可以通过图中的直线在调整.
Alpha代表着滤波器的对称水平,当两条直线关于中间直线对称时,Alpha的值接近于0,当Alpha很高时,意味着两条射线分歧毛病称.
DeltaAlpha代表着射线之间的夹角,与反射体的线性尺寸相关.
滤波器类型的选择：
该项决定了使用哪种空间快速傅立叶逆变换,总共有五种：
None:
FFT文件不作任何修改被恢复,
High-CutHorizontal:
仅两射线之间的部份被执行FFT逆变换.
High-CutVertical:
仅两射线之外部份被执行FFT逆变换.
High-CutVertSymm:
仅两射线之外部份被执行FFT逆变换（对称的）
High-CutHorzSymm:
仅两射线之间的部份被执行FFT逆变换（对称的）
注：
当射线分歧毛病称时,使用对称滤波器形式可以起到较好的作用.
使用经验：
①分歧毛病称的射线与对称的滤波器类型组合,往往获得比力好的效果.
②射线对称时（即Alpha的值接近于0）,水平和竖直特征会被突出.分歧毛病称的射线（即Alpha的值很高）突出倾斜的特征.
4对High-CutHorizontal和High-CutHorzSymm来说,DeltaAlph较小时且对称时,突出的是水平信号,当Delta较年夜且对称时,则可以包括各种信号.如下图.
原始数据
Alpha较小
Alpha较年夜
⑤High-CutVertical和High-CutVertSymm方式,当DeltaAlph较小且射线对称时,包括各种信号,当Delta较年夜且对称时,突出竖直信号.所以运用这个功能可以去除水平干扰.
原始数据
Alpha较小
Alpha较年夜
⑥当射线分歧毛病称时,突出的是倾斜信号,如下图,可见High-CutHorizontal倾斜信号不突出.
High-CutVertical模式
High-CutVertSymm
High-CutHorizontal
4．4去除屡次反射－反卷积
当雷达信号在目标体（如一块金属物或湿粘土层）和天线之间来回反射的时候,往往会呈现屡次反射界面的现象.或者在两个反射层面之间发生电磁波的振荡,呈现屡次反射现象.这种现象会模糊浅部的（或者深度较小的部份）真实信息.在实际探测中在扫描地下水层,基岩或空洞的时候就会呈现屡次重复的情况.反卷积就是为去除此类噪声干扰而设计的滤波方法,还可以提高垂直分辨率,分解间距较小的层.
RADAN中的反卷积方法叫做预测反卷积,这是一种将尖脉冲反卷积作为一种特例的罕见方法.该方法试图尽力在天线与空中耦合的时候去迫近发射脉冲的形状.假设一个特定长度的震源子波,也称作滤波器算子长度,当震源子波由数据中被清除时,该滤波器可以预测一定距离之外的数据形状,叫做预测延迟.这就招致了反射子波被压制.像天线重复反射等此类预测现象,将被移动到比预测延迟更远的位置,可以有效的消除此类现象.
反卷积参数选择
为了更好的运行反卷积滤波,像滤波算子长度,预测延迟,预白噪声化,增益,起始样本,终止样本等参数应该适当的选择.
滤波算子长度：
依照组成一个脉冲的样本点数目,滤波器算子长度设定了滤波器的年夜小.
·较长的滤波算子长度可以对雷达波进行较好的拟合,而且可以获得较好的结果,可是耗时较长.
·滤波器算子长度应该满足一个完整的雷达子波循环,这样将起到较好的作用.小于该值的参数会招致欠好的结果.
·如何确定滤波算子长度？
首先找到反射界面的第一个正反射,再
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