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1、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(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是利用频率介于 106109Hz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
2、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：其中c为电磁波在空气中的传播速度, 示。名为介质的介电常数， 常见介质的介电常数如表 1所材质相对介电
3、常数材质相对介电常数粉质粘土6水81干砂35灰岩48湿砂2030花岗岩47金属300砂岩6PVC塑料3.3页岩515混凝土6.4淤泥530空气1海水80粘土540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：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。天Alt 胺:线出占至黑色）1ms用1反射波1丁甲所$1/EV-10白至黑L 禀至白1017tT 1 111|舁15 _ _ 手 黑至白_金属埋设物黑至白1图2h *50 Append File.选择所要连接的
4、各个文件。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。根据RADAg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。 根据华东院资料，将直达波的第二个波瓣作为地面，如下图Thr Rr雪3 0mHiputse3 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。卜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
5、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
6、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Z1水背景雷达频谱特征花岗岩
7、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、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，为数据处理带来了巨大的困难；同时，为了得到更多的反射波特征，地质雷达通常利用宽频带进行记录，因此不可避免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
8、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， 它们在振幅上无本质差别， 而瞬时频率与傅立叶分析的频率不同，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成果输出不同，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，得到同一个剖面的3个
9、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不同。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化。当地层存在明显介质分层、滑裂带或地下水分界面时， 瞬时振幅会产生强烈变化， 反映在瞬时振幅剖面图中就是 分界面位置出现明显振幅变化。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播时，其相位是连续的；当电磁波在有异常存在的介质中传播时，其相位将在异常位置发生显著变化，在剖面图中明显不连续。 因此利用瞬时相
10、位能够较好地对地下分层和地下异常进行辨别。当瞬时相位图像剖面中出现相位不连续时，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化率，它反映了组成地层的岩性变化，有助于识别地层，当电磁波通过不同介质界面时，电磁波频率将发生明显变化。 这种变化可以在瞬时频率图像剖面中较为清晰地显示出来，在地下介质发生变化的时候， 瞬时频率也会发生显著变化， 需要指出的是，在反射层处瞬时频率的大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大小和稳定情况来判断地下介质的稳定性和岩性 变化。对于同一探测对象，3种瞬时信息在同一位置发生明显变化就可能反映探测对象在该处的物性变化。因为在这 3个参数
11、中，瞬时相位谱的分辨率最高，而瞬时频率谱和瞬时振幅 谱的变化也较为直观，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大概 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章数据处理数据处理是进行数据解释的基础，在RADA即数据处理的方法非常多，应该在数据分析的基础上决定采取那些处理方法，采取怎样的处理步骤。针对不同的目标，有不同处理方法。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背景去噪局频噪首（如：雪花）竖直低通滤波水平低通滤波空间滤波去除多次反射反褶积去除绕射并修正倾角较大的层
12、面偏移增加低振幅部分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Local peaks（局部极值提取）静态修正各种处理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）,如果该数值超过225,则IIR水平高通滤波滤波器长度应该先设为数据剖面的最大道数（应该为奇数） 应该选择225。这样，在水平方向上长
13、度等于或超过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：因为对于IIR水平高通滤波器，其长度最大为 255,所以长度超过该值的特征 都将会被执行滤波，这是不可避免的；因为直达波也是水平信号，为了不对直达波产生影响，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。卜R背景去噪一滤波器长度应该先设为数据剖面的最大道数（应该为奇数），如果该数值超过1023,则应该选择1023。这样，在水平方向上长度等于或超过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：因为对于 FIR背景去噪滤波器，其长度最大为1023,所以长度超过该值的特征都将会被执行滤波，这是不可避
14、免的；因为直达波也是水平信号，为了不对直达波产生影响，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理，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表现为雪花形状，对数据造成了较大干扰。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理。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
15、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，得到处理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）。这种方法可以产生一个二维矩阵，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。对已经变化的数据矩阵进行傅立叶逆变换，此时的滤波器会滤掉一些噪音。在技术上，通过逆变换，数据由频率域恢复到时间域。相对于一维的垂直和水平滤
16、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理中会有所重叠，使得分离它们变得非常困难。但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（即每单位长度上波周的数目）2D H 1 DIAGFIAM滤波器参数设置显示设置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
17、速傅立叶逆变换。滤波器参数的意义和选择 Min Freq最小频率，Max Freq最高频率，这两项控制着滤波器的竖向分量。 Alpha和Delta Alpha 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程度，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，意味着两条射线不对称。Delta Alpha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-Cut Horizontal:仅两射线之间的部分被执行 FFT逆变换。Hig
18、h-Cut Vertical:仅两射线之外部分被执行 FFT逆变换。High-Cut Vert Symm:仅两射线之外部分被执行 FFT逆变换（对称的）High-Cut Horz Symm:仅两射线之间的部分被执行 FFT逆变换（对称的） 注：当射线不对称时，使用对称滤波器形式可以起到较好的作用。使用经验:不对称的射线与对称的滤波器类型组合，往往得到比较好的效果。射线对称时（即Alpha的值接近于0）,水平和竖直特征会被突出。不对称的射线（即Alpha的值很高）突出倾斜的特征。 对于 High-Cut Horizontal 和 High-Cut Horz Symm 来说，Delta Alph
19、较小时且对称时，突 出的是水平信号，当 Delta较大且对称时，则可以包含各种信号。如下图。原始数据Alpha较小Alpha较大High-Cut Vertical和High-Cut Vert Symm方式，当Delta Alph较小且射线对称时，包含各种 信号，当Delta较大且对称时，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较大当射线不对称时，突出的是倾斜信号，如下图，可见 High-Cut Horizontal倾斜信号不突出。High-Cut Vertical 模式High-Cut Vert SymmHigh-Cut Horizontal4. 4去除
20、多次反射-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 往会出现多次反射界面的现象。或者在两个反射层面之间发生电磁波的振荡，出现多次 反射现象。这种现象会模糊浅部的（或者深度较小的部分）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出现多次重复的情况。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。RADA即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常 见方法。该方法试图尽力在天线与地面耦合的时候去逼近发射脉冲的形状。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
21、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。这就导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： 按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 大小。 较长的滤波算子长度可以对雷达波进行较好的拟合，并且可以得到较好的结果， 但是耗时较长。 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 于该值的参数会导致不好的结果。 如何确定滤波
22、算子长度？首先找到反射界面的第一个正反射,再找到第二个正反 射峰值，将两者的样本点数相减，而算子长度值应该大于或等于该值。预测延迟：该值将被设定为理想的输出脉冲长度（大约为雷达子波的半个循环）。小于该值的参数会产生更多噪声。 利用反卷积来去除重复反射时，延迟值应该等于或小于重复之间的空间。 参数值为5-1的预测延迟被用作拟合尖脉冲反卷积，但是这将给数据带来更多噪 声干扰。预白噪声化： 通过加强白噪声（零延迟）元件，预白噪声化可以调整相应的自相关 函数。从数学意义上来讲， 预白噪声化可以是滤波器稳定，并且可以是输出的数据光滑，降低噪声干扰。0.11是普通值，而0.8是一个较好的值。附加增益：附加
23、增益是必要的，因为反卷积会造成信号的衰减，尤其是在预测延迟较短的情况下。35是普通值，尽量使用可以是振幅恢复到原始数据水平的增益值。起始/终止样本点：为了对反卷积时间上建立一个范围，起始和终止样本点应该设置,以样本点编号来定义，该范围内反卷积滤波是可用的。原始数据剖面经反卷积处理的剖面4. 5去除绕射绕射产生的原因有:雷达天线以宽束的模式发射能量，所以在（离天线）几英尺远的目标体可以被探测到。当 天线由远及近并经过有限尺寸的物体时，该物体在雷达图像上表现为双曲线形态。急剧倾斜的地层表面也会导致雷达能量的绕射交角处也会产生双曲线绕射。常见绕射双曲线绕射如下图：管线绕射图像a为墙角绕射，b为桥墩顶
24、部绕射绕射会模糊一些有用的信息，导致对地下目标体的尺寸和形状作出错误的解译。急剧倾斜层在雷达剖面上的表面形状是一种假相，在很多情况下需要进行修正。而偏移就是将倾斜层反应回归到其真实位置，并削弱双曲线绕射的一种技术。在RADANK进行偏移的流程如下图：偏移处理的流程图偏移参数选择在RADA仲有偏移方法：可希霍夫偏移和双曲线累加偏移。双曲线累加偏移要比可希霍夫偏移速度快，但是精确度小。双曲线累加偏移：该方法是沿数据剖面上的双曲线将其累加，然后将平均结果赋予双曲线的顶部。可希霍夫偏移：该方法要比双曲线累加精确。同样的，通过将数据剖面上的双曲线累加，将平均值赋予双曲线的顶点。然而，不同的是：基于数据特
25、征的入射角和距离，可希霍夫还对该平均值应用了一个修正参数。还对累加过程应用了滤波处理。该滤波处理通过加强高频成分和应用相位校正来提高分辨率。通常来说，优先使用可希霍夫偏移。注意：为了是偏移处理更加准确，建议在数据采集时使用测量轮。两种方法皆要求双曲线的宽度以及相对速度被定义。在数据被执行偏移处理之前，在头文件中的下列参数需要定义一个值：样本/道数 时窗范围（纳秒）道数/米速度：即雷达脉冲在某处的传播速度。相对速度 就是横轴上一个目标体的长度（in numberof scans/meter 与其在纵轴（时间轴）方向上的长度（number of samples/meter 的比值。你应该调整双曲线
26、镜像的形状，以便与数据中的真实双曲线相符。注意：当你改变双曲线镜像的形状的时候，速度也随之改变了。 双曲线镜像只是一个工具，用来帮你识别介质的修正速度。宽度：（以道数计）该值应该与绕射双曲线的道数设为一致。较大的值可以更为精确，但是如果过大，就会出现衰减。增益：用于加强偏移之后的振幅，因为偏移处理通常会减弱雷达的信号。该值通常可以设为1.5 5。建议按照以下步骤进行设定参数：1 .当光标放在双曲线镜像的中心顶点的时候，点击左键，这样可以拖动双曲线镜像，以便 使与数据中真实的双曲线相互重叠比对。2 .使用形状手柄可以使双曲线镜像的形状与真实双曲线相匹配。确保可以覆盖整个真实的双曲线，并记住使用真
27、实双曲线的尾部来帮助你调整形状。这样可以设置偏移速度。3 .调整宽度：可以通过左键点住竖线底部或顶部的拖动点来拖动鼠标。确保足够宽以便包容整个真实双曲线，但是也不要太宽以免将其它双曲线包含进来。这样就可以设置双曲线搜寻宽度。4 .如果介质是各向同性的， 你可以运行2D常量速度偏移，若不是各向同性的，则点击NEXT 去运行2D变量速度偏移。2D变量速度偏fT在与真实双曲线匹配好之后，点击NEXT进入下一对话框：变量速度偏移。这里允许你针对不同的深度输入不同的速度值。当随探测深度的介质发生变化时，这种方法就经常被用到，比如土壤的化学特性、孔隙率以及含水率都会随着深度而变化，若使用二维常量速度偏移就会出现巨大的偏差。在一个条件不确定的测区，使用变量速度偏移可以得到更为准确的深度 计算值。注意：这种偏移不会产生一个单独的介电值，并不会代替头文件中的介电常量。1 .使用鼠标，点击数据文件中的几个双曲线的顶部