周奇才,陳秋鋒,馮雙昌

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 201804)

探地雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用研究

周奇才,陳秋鋒,馮雙昌

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 201804)

對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)成及干擾來(lái)源進(jìn)行了分析,利用均值法去除背景噪聲;運(yùn)用H ILBERT變換數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到雷達(dá)圖像的瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率等瞬時(shí)剖面圖像,以提高圖像的分辨力,增強(qiáng)目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)工程實(shí)際探地雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)的處理,驗(yàn)證了方法的有效性。

探地雷達(dá);數(shù)據(jù)分析;干擾抑制;H ILBERT變換

0 前言

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡(jiǎn)稱GPR)是一種利用電磁波來(lái)確定地下介質(zhì)分布的技術(shù)設(shè)備,具有無(wú)損檢測(cè),分辨率高,探測(cè)效率高,實(shí)時(shí)顯示等優(yōu)點(diǎn)[1]。目前已廣泛應(yīng)用于考古、路面質(zhì)量檢測(cè),以及隧道襯砌厚度檢測(cè)和市政管線探測(cè)等領(lǐng)域[2]。

一方面,探地雷達(dá)在工作過(guò)程中易受到各種噪聲不同程度地干擾,降低了圖像的信噪比;另一方面,由于大地介質(zhì)的不均勻性,探地雷達(dá)發(fā)射的高頻脈沖電磁波在地下傳播過(guò)程中,將會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的衰減、反射、折射、繞射和散射,這些反射波、折射波、繞射波和散射波相互疊加在一起,為數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了很大的困難[3、4]。因而,如果只通過(guò)反射信號(hào)的幅值來(lái)進(jìn)行判斷,易使雷達(dá)使用人員產(chǎn)生誤判或漏判。因此,必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥幚?以改善數(shù)據(jù)資料,為最終的地質(zhì)探測(cè)解釋提供清晰可辨的雷達(dá)探測(cè)圖像。

針對(duì)探地雷達(dá)在實(shí)際探測(cè)中的應(yīng)用,在對(duì)數(shù)據(jù)采集模型和干擾源性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上,作者對(duì)采集到的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)去噪處理,探討了H ILBERT變換在探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)實(shí)際獲取的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理,驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

由于雷達(dá)發(fā)射天線發(fā)射出的電磁波具有一定的張角,最后通過(guò)疊加可以形成單道數(shù)據(jù),因而采集到的數(shù)據(jù)含有多種成份[5、6],如圖1所示。

圖1 單道GPR數(shù)據(jù)組成Fig.1 Single channel GPR data com position

在圖1中:

(1)a(t)為直達(dá)波,由TX發(fā)出并直接被RX所接收,主要集中在GPR記錄最初的很短時(shí)間段,對(duì)我們識(shí)別地下介質(zhì)反射影響不大。

(2)b(t)為地表反射波,它是由于空氣與地面之間的阻抗突變而產(chǎn)生的。該反射波與地下反射回波相比,具有更大的能量,而且衰減慢,易形成多次反射,影響范圍大。

(3)c(t)為周圍環(huán)境介質(zhì)的干擾,屬于高頻干擾,易產(chǎn)生振鈴效應(yīng)。

(4)r(t)為隨機(jī)干擾。

(5)s(t)為目標(biāo)體反射波信號(hào),是希望通過(guò)數(shù)據(jù)處理加強(qiáng)的部份。

根據(jù)對(duì)探地雷達(dá)單道數(shù)據(jù)組成成份及性質(zhì)的分析,可將其數(shù)據(jù)采集過(guò)程簡(jiǎn)化為如圖2所示的模型。首先,雷達(dá)發(fā)射天線TX發(fā)出一系列電磁波x(t),經(jīng)過(guò)地電介質(zhì)系統(tǒng)h(t)與周圍環(huán)境隨機(jī)干擾r(t)一起,被雷達(dá)接收天線(RX)所接收,并記為y(t);然后,在經(jīng)過(guò)雷達(dá)主機(jī)A/D模塊后,以離散的形式y(tǒng)(n)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中;最后,在探測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)采集到所有數(shù)據(jù)道,并以圖像的形式顯示[7]。

圖2 單道GPR數(shù)據(jù)采集模型Fig.2 Single channel GPR data co llectionmodel

圖1中各數(shù)據(jù)成份,經(jīng)圖2所示方式采樣離散化后,最終獲得的數(shù)據(jù)如式(1)所示

一副B掃描雷達(dá)圖像,是由一系列在采集時(shí)間段內(nèi)獲取的單道雷達(dá)數(shù)據(jù)所構(gòu)成,其中包含M×N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(M為單道數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù),N為采集的數(shù)據(jù)道數(shù)),記為AM×N。

2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及解釋

2.1 干擾抑制

直達(dá)波、地表反射波和周圍環(huán)境干擾,被統(tǒng)稱背景干擾。由于這些干擾的存在,掩蓋了目標(biāo)回波信號(hào)的部份特征。這部份干擾屬于固定干擾,其信號(hào)特征分布均勻,能量較強(qiáng),以水平方式融合在數(shù)據(jù)中。采用均值法去除背景噪聲,即從每一個(gè)A掃描中減去整個(gè)B掃描圖像中所有相同雙程走時(shí)的A掃描的平均[8],表達(dá)式如下:

其中 0≤i≤M-1,0≤j≤N-1。

2.2 H ILBERT變換解析原理及過(guò)程

根據(jù)探地雷達(dá)信號(hào)的特征,可以認(rèn)為它是一種窄帶信號(hào),所以利用H ILBERT變換解析表達(dá)式中虛部與實(shí)部的關(guān)系,可有效地提取復(fù)雜信號(hào)的瞬時(shí)參數(shù),即瞬時(shí)幅值、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率,從而更加有效地突出信號(hào)所包含的信息,以利于目標(biāo)體的識(shí)別。

H ILBERT變換原理及算法如下[9、10]:

g(t)為變換因子,其單位沖擊響應(yīng)為:

頻率響應(yīng)為:

由式(3)、式(4)和式(5)可以看出,信號(hào)f(t)經(jīng)過(guò)H ILBERT變換后,其幅頻特性不變;負(fù)頻率成份作+90o相移,而正頻率成份作-90°相移。

利用實(shí)信號(hào)與其H ILBERT變換后信號(hào)正交的特性,構(gòu)建復(fù)信號(hào)z(t),定義為信號(hào)f(t)的解析信號(hào)。

對(duì)式(6)二端作傅里葉變換,并由式(5),得:

所以

從式(8)可知,由H ILBERT變換所構(gòu)成的解析信號(hào)只包含正頻率成份,且是原信號(hào)正頻率分量的二倍。

將復(fù)信號(hào)z(t)寫成指數(shù)形式:

其中

式中 R(t)代表瞬時(shí)振幅。

或其中 θ(t)代表瞬時(shí)相位;ω0為探地雷達(dá)發(fā)射天線中心頻率;φ(t)為初始相位,是時(shí)間的函數(shù)。

對(duì)式(11)和式(12)求微分,可得信號(hào)的瞬時(shí)頻率:

所得到的三種瞬時(shí)信息瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率,不是一段時(shí)間的平均,而是指一個(gè)特定的瞬間。

(1)瞬時(shí)振幅是反射強(qiáng)度的度量,正比于該時(shí)刻雷達(dá)信號(hào)總能量的平方根,因而它有更加清晰的空間分辨率。利用這種特性,便于確定介質(zhì)變化[11、12]。

(2)瞬時(shí)相位反映了探地雷達(dá)時(shí)距剖面上同相軸的變化。由于其與反射波的能量強(qiáng)弱無(wú)關(guān),所以可充分顯示反射波的相位信息。利用瞬時(shí)相位信息,可以追蹤地層的變化及小斷層。

(3)瞬時(shí)頻率是瞬時(shí)相位的時(shí)間變化率,反映了介質(zhì)巖性的變化。利用瞬時(shí)頻率信息,可以更加準(zhǔn)確地分辨介質(zhì)分界面[13、14]。

利用這三種瞬時(shí)信息,可以更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)體識(shí)別。

3 工程實(shí)例

3.1 數(shù)據(jù)采集

利用意大利IDS公司的IDS-K2探地雷達(dá)雷達(dá)系統(tǒng),對(duì)龍陽(yáng)路某處一地下管線進(jìn)行探測(cè),如圖3所示。探地雷達(dá)發(fā)射天線中心頻率為200MHz,采用連續(xù)剖面法采集數(shù)據(jù),自動(dòng)疊加次數(shù)為40,采樣時(shí)窗為20 ns,每掃采集512個(gè)采樣點(diǎn),測(cè)線長(zhǎng)度約為4m,目標(biāo)體埋深約為20 cm,直徑約為12 cm。

3.2 數(shù)據(jù)處理及解釋

由于地下埋藏物較淺,其反射特征很可能被掩蓋掉,因此需要對(duì)采集到的雷達(dá)圖像先進(jìn)行干擾抑制,然后利用H ILBERT變換提高圖像的分辨精度。

圖3 地下管線探測(cè)Fig.3 Underground p ipeline detection

從下頁(yè)圖4(a)雖然可以看到管線的雙曲線特征,但由于干擾的存在仍然無(wú)法準(zhǔn)確斷定。通過(guò)對(duì)原圖像進(jìn)行干擾抑制,目標(biāo)反射信息得到了加強(qiáng),如下頁(yè)圖4(b)所示,可更加清晰地看到雙曲線特征,但有一些細(xì)節(jié)信號(hào)仍不能清晰地看出。通過(guò)對(duì)經(jīng)干擾抑制后的探地雷達(dá)圖像進(jìn)行H ILBERT變換后,可以增強(qiáng)異常信號(hào)的分辨力,得到更多的目標(biāo)體反射特征。從下頁(yè)圖4(c)瞬時(shí)振幅剖面圖像中,可以很容易地看出目標(biāo)體的分布范圍。從下頁(yè)圖4(d)瞬時(shí)相位剖面圖像中,可以看到明顯的同相軸錯(cuò)亂,這是新舊混凝土的分界面,這進(jìn)一步驗(yàn)證了管線所在的位置。從圖4(e)瞬時(shí)頻率剖面圖像中,可以看到更為清晰的雙曲線頂部,便于確定管線的埋深;而且還可以看到混凝土與泥土的分界面。經(jīng)過(guò)實(shí)際情況的檢驗(yàn),驗(yàn)證了方法的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)系統(tǒng)在工程應(yīng)用中不可避免地受到外界及自身的干擾,從而導(dǎo)致獲取的雷達(dá)圖像信噪比較低,掩蓋了目標(biāo)體的部分反射特征。通過(guò)干擾抑制處理,可以得到較為清晰的雷達(dá)圖像。H ILBERT變換作為一種信號(hào)處理手段,可將探地雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄中的信息分離開來(lái),從一幅時(shí)距剖面圖像,得到‘瞬時(shí)幅值剖面’、‘瞬時(shí)相位剖面’和‘瞬時(shí)頻率剖面’等三幅瞬時(shí)圖像特征,并增強(qiáng)了它們的特征,避免只通過(guò)單一的原始時(shí)距剖面的局限性,增強(qiáng)了目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性。

圖4 探地雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)處理方法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用Fig.4 App lication of GPR data im age p rocessing in engineering p ractice

[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.

[2]曾昭發(fā),劉四新,王者江等.探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[3]張志勇,李曼.探地雷達(dá)空氣回波特點(diǎn)及識(shí)別方法[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2009,31(5):438.

[4]陸群.基于高階累計(jì)量的探地雷達(dá)信號(hào)處理[J].信號(hào)處理,2003,19(6):583.

[5]崔濤.探地雷達(dá)在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用及其數(shù)據(jù)處理[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

[6]高倩,吳仁彪,米琦.基于核ICA的探地雷達(dá)地雜波抑制[J].現(xiàn)代雷達(dá),2007,29(3):23.

[7]王群,倪宏偉,徐毅剛.基于小波能量特征的探雷方法研究[J].數(shù)據(jù)采集與處理,2003,18(2):156.

[8]魏巍.探地雷達(dá)信號(hào)處理算法研究及處理機(jī)實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2005.

[9]胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理——理論、算法與實(shí)現(xiàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[10]飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB 7輔助信號(hào)處理技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[11]陳杰鴻,黃煒,孫艷爭(zhēng).基于希爾伯特譜的瞬時(shí)頻率濾波方法[J].信號(hào)處理,2009,25(3):482.

[12]謝雄耀,萬(wàn)明浩.復(fù)信號(hào)分析技術(shù)在地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2000,22(2):108.

[13]余志雄,薛桂玉,周創(chuàng)兵.復(fù)信號(hào)分析技術(shù)及其在探地雷達(dá)數(shù)字處理中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(5):104.

[14]戴前偉,楊漢軍,馮德山,等.探地雷達(dá)的解析信號(hào)分析及應(yīng)用[J].西部探礦工程,2007,19(3):130.

P 631.3+25

A

1001—1749(2010)06—0665—04

2010-05-17 改回日期:2010-09-17

周奇才(1962-),男,漢族,江蘇宜興人,教授,博導(dǎo),主要從事機(jī)電一體化、城市建設(shè)機(jī)械智能控制研究。