周麗軍

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

地質(zhì)雷達(dá)是向地下空間發(fā)射電磁波，利用地下不同介質(zhì)的電磁特性，如介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等之間的介電差異對接收回波進(jìn)行處理，提取地下介質(zhì)分布情況的一種射頻電磁技術(shù)[1]。目前，地質(zhì)雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)工程探測、冰川探測、環(huán)境保護(hù)、考古探測、災(zāi)害救援、水文水利等，推動了地質(zhì)雷達(dá)在地球物理勘探和地質(zhì)工程勘探領(lǐng)域的快速發(fā)展，同時又在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引發(fā)了新興的交叉學(xué)科的研究[2]。然而，地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地質(zhì)材料的多樣性，病害目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)與電磁特性的復(fù)雜性，均向地質(zhì)雷達(dá)提出了新的挑戰(zhàn)，使得地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)還處于不斷完善之中。

已有很多文章論及地質(zhì)雷達(dá)的工作原理及基本系統(tǒng)構(gòu)成，也有很多文章涉及地質(zhì)雷達(dá)對不同病害目標(biāo)探測的正演模擬，限于篇幅，本文不再贅述。本文重點將放在最近幾年興起的電磁散射機(jī)理與信號處理方法上。我們將討論電磁波對交通土建中病害目標(biāo)的電磁散射機(jī)理與模型，為檢測與評估提供理論支撐。同時還將討論幾種新興的信號分析與處理方法，以提高對地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的解譯能力。

1 極化機(jī)理與極化成像

接收天線獲取的測量信號的極化是發(fā)射天線極化與隱藏目標(biāo)散射特性的函數(shù)。因此極化收發(fā)天線能獲取隱藏目標(biāo)體的大小、形狀、方位及介電特性。尤其是對于線狀目標(biāo)體，如鋼筋、水管、裂縫等，其后向散射場有很強(qiáng)的去極化效應(yīng)，并且依賴于目標(biāo)體相對于天線的方位、目標(biāo)體介電特性，及半徑大小[3]。這些依賴于散射特性的極化對目標(biāo)檢測有很重要的應(yīng)用。當(dāng)用線性極化的偶極子天線時，若天線長軸與線狀目標(biāo)體長軸平行，金屬管和低阻抗的介質(zhì)管能獲得很好的成像效果。對高阻抗的介質(zhì)管道，當(dāng)天線長軸與線狀目標(biāo)體長軸正交，才能得到更好的成像結(jié)果。對于既有電導(dǎo)率，又有介電常數(shù)的目標(biāo)，以45°交叉極化放置能得到較好的成像效果。根據(jù)此特點，利用極化獲取隱藏目標(biāo)的形狀與屬性指日可待。

文獻(xiàn)[4]基于正交極化地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的相位差探測垂直裂縫，可確定一個斷裂碳酸鹽含水土層中垂直裂縫的方位和位置。文獻(xiàn)[5]研究了冰川的雷達(dá)散射體特征和分布，利用正演模型預(yù)測雷達(dá)對散射體三維分布的響應(yīng)，利用多極化分量測量冰川內(nèi)部散射的形狀（非球形體），利用多頻率數(shù)據(jù)估計散射體大小。

文獻(xiàn)[6]對4種不同材質(zhì)和填充的物體分別在共極化與交叉極化下分析回波圖像，文獻(xiàn)[7]利用兩種正交極化天線檢測多個線狀目標(biāo)，其結(jié)果均表明水平極化比垂直極化下能產(chǎn)生更強(qiáng)的回波與諧振，且填充材質(zhì)介電常數(shù)越大，回波越強(qiáng)。通過不同極化下的回波與諧振強(qiáng)度比較，能檢測和區(qū)分不同材質(zhì)物體。文獻(xiàn)[3]通過極化檢測墻內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)并用不同 能量值三維顯示金屬結(jié)構(gòu)的位置。

圖1 不同材質(zhì)線狀目標(biāo)在不同極化下的檢測效果

圖1給出了水管與鋼筋兩種材質(zhì)目標(biāo)處于不同位置時，分別用水平極化與垂直極化下的雷達(dá)天線掃描，這里定義水平極化為電磁場電場方向平行于Y方向，垂直極化為電場方向平行于X方向。在水平極化下，電場方向與鋼筋1與水管長軸平行，如圖1b所示，鋼筋1與水管能被清晰地檢測出來，而鋼筋2的能量值很低，還需注意的是，金屬比水管的能量值高，這是因為金屬的介電常數(shù)比水大得多。而在垂直極化下，電場方向與鋼筋1和水管垂直，與鋼筋2平行，因此鋼筋2能夠被清晰地檢測出來，如圖1c所示。

2 諧振機(jī)理與地質(zhì)目標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)重構(gòu)技術(shù)

對于地下目標(biāo)，其雷達(dá)回波信號的復(fù)自然諧振可以分為外部諧振與內(nèi)部諧振，前者是由目標(biāo)體外表面爬行波產(chǎn)生，依賴于目標(biāo)與環(huán)境媒質(zhì)的介電差異[8]，而后者是由目標(biāo)內(nèi)部的多次反射波產(chǎn)生，與內(nèi)部碰撞模式有關(guān)，且是獨立于外部環(huán)境的。外部諧振通常與E脈沖、極點等方法相結(jié)合，被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)識別。當(dāng)?shù)叵履繕?biāo)為可穿透的介質(zhì)體時，電磁波能夠在目標(biāo)體內(nèi)部傳播，并且由于目標(biāo)形狀邊界及介電特性的限制，電磁波將在目標(biāo)體內(nèi)產(chǎn)生多次反射，形成內(nèi)部諧振。

內(nèi)部諧振在現(xiàn)有的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與解釋中常被當(dāng)做冗余多次波而被盡可能的消除。然而內(nèi)部諧振體現(xiàn)了目標(biāo)的幾何屬性，此現(xiàn)象被挖掘以后，基于擴(kuò)展射線理論（ERT）的介電圓柱體電磁散射分析取得了較大進(jìn)展。根據(jù)電磁波在介電目標(biāo)內(nèi)的傳播過程利用ERT理論構(gòu)建了基于內(nèi)部多次反射的散射模型，尤其是給出了幾何光學(xué)解釋的物理意義。如已有學(xué)者通過混合波前奇點展開法將早時局部波前散射現(xiàn)象與晚時全局諧振行為聯(lián)合分析，從物理角度研究瞬態(tài)散射問題中的散射事件與機(jī)制，解釋了不同方位角目標(biāo)在不同環(huán)境下的時頻分布中波前與諧振的交互現(xiàn)象。文獻(xiàn)[9]分析了電磁波在圓柱體介電目標(biāo)內(nèi)的傳播路徑與目標(biāo)體寬度的關(guān)系，并研究了電磁波在介電圓柱體目標(biāo)上的傳播機(jī)制，研究表明電磁波在圓柱體狀空洞里更傾向于繞著目標(biāo)外表面?zhèn)鞑ィ姶挪ㄔ谕干涞匠渌芽p中以后會在其內(nèi)部多次傳播，但衰減嚴(yán)重，使得幅值較小。這些研究為地下隱藏病害目標(biāo)的幾何屬性估計提供了理論基礎(chǔ)。

此外，在探測空洞時其圖像解釋還與雷達(dá)波長有關(guān)。若空洞尺寸遠(yuǎn)大于雷達(dá)波長，可以在圖像中很好地體現(xiàn)空洞的尺寸和形狀；若空洞尺寸遠(yuǎn)小于雷達(dá)波長，則很難區(qū)分出獨立的空洞；若空洞尺寸與雷達(dá)波長相當(dāng)，可以在圖像上產(chǎn)生諧振。因此，將多種探測方法相結(jié)合，能得到更全面的病害目標(biāo)圖像解釋。

常規(guī)的三維成像需要從多角度對目標(biāo)進(jìn)行立體掃描，然而地質(zhì)目標(biāo)的探測往往只能在地表進(jìn)行掃描，無法對時間深度剖面進(jìn)行目標(biāo)結(jié)構(gòu)掃描。考慮到諧振與目標(biāo)的幾何關(guān)系，可以估計目標(biāo)的深度剖面相關(guān)信息，因此只需在地表進(jìn)行二維掃描，即可獲取目標(biāo)的三維圖像。文獻(xiàn)[10]利用電磁波在介質(zhì)體內(nèi)部傳播的一次諧振產(chǎn)生的滯后現(xiàn)象補(bǔ)償了地下電大尺寸病害的衰弱回波，獲得目標(biāo)在深度方向的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，重構(gòu)了其三維圖像，如圖2所示。

圖2a中地質(zhì)雷達(dá)只能在地表面進(jìn)行探測，通過在地表面不同位置的掃描，能夠得到地質(zhì)目標(biāo)在水平面的位置信息，而難以獲得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。假設(shè)目標(biāo)介電常數(shù)大于所在層的背景介電常數(shù)，那么電磁波在目標(biāo)體內(nèi)傳播的速度小于在背景中的速度，使得電磁波在傳播方向產(chǎn)生交界面滯后現(xiàn)象，通過此現(xiàn)象補(bǔ)償目標(biāo)后表面弱信號，可以獲得目標(biāo)體后表面位置信息并重構(gòu)三維圖像，如圖2b所示。

3 相位分析技術(shù)

圖2 利用一次諧振的滯后現(xiàn)象獲取目標(biāo)深度信息重構(gòu)三維圖像

從已有文獻(xiàn)分析可知，目前絕大多數(shù)研究主要針對探測目標(biāo)媒質(zhì)的回波幅度及傳播時程等特性開展?？紤]到電磁波在傳播過程中幅值會嚴(yán)重衰減，而相位在傳播時間范圍內(nèi)能保持不變[11]。事實上，探地雷達(dá)信號的相位可以提供地下目標(biāo)的更多信息，反射邊界位置，媒質(zhì)的吸收或色散特性都隱藏在信號相位中[12]。如在常見的隧道脫空與地下水的雷達(dá)圖像中，兩種病害的相位差異成為重要的識別依據(jù)。

近年來，相位也廣泛應(yīng)用于圖像重構(gòu)[12-14]。文獻(xiàn)[13]提出相位信息中信號及圖像重構(gòu)值的重要性，文獻(xiàn)[14]提出一種基于相位信息的信號處理方法重構(gòu)目標(biāo)位置，基于此思想，文獻(xiàn)[12]通過相位剖面的方法重構(gòu)不同介電常數(shù)的多個埋地目標(biāo)。此外，與探地雷達(dá)相關(guān)的相位剖面的另一個重要貢獻(xiàn)是通過目標(biāo)與周圍環(huán)境反射回波的相位差異來刻畫埋地目標(biāo)。相位差為零表明背景中沒有目標(biāo)，相位差越大則表明目標(biāo)與環(huán)境之間的介電差異越大。值得注意的是，非金屬目標(biāo)體的弱回波也能通過相位信息檢測出來。文獻(xiàn)[10]針對地下電大尺寸介電目標(biāo)的幾何參數(shù)估計中遇到的虛像與信號衰弱問題，利用希爾伯特變換獲取幅值掃描圖像的相位信息，并進(jìn)一步得到相位差，既突出了背景中的變化情況，又消除了背景信息。

近年來對目標(biāo)屬性的探索已深入到相位角度，特別是對不同目標(biāo)或目標(biāo)與周圍介質(zhì)間的差異，利用相移能夠很好地區(qū)分目標(biāo)。其主要技術(shù)是將雷達(dá)接收的響應(yīng)回波分成兩個距離剖面，相應(yīng)于幅度和相位，計算相移與相位譜。然后將幅度和相位信息組合成聯(lián)合圖像，其中幅度決定像素的強(qiáng)度而相位決定其顏色[15]。此方法不需要大的計算資源開銷，在隱藏目標(biāo)成像的實際應(yīng)用中極具前景。

圖3 3個地下目標(biāo)（一個塑料管，兩個金屬管）的幅值掃描圖像與其相位聯(lián)合圖像（源自文獻(xiàn)[15]）

圖3a中的幅值圖像僅體現(xiàn)了3個目標(biāo)的位置信息，并不能進(jìn)行屬性識別，而將圖3a中的幅值圖像通過轉(zhuǎn)換到頻域，分別獲取幅度譜與相位譜，利用相位與顏色的對應(yīng)關(guān)系，從圖3b中不僅能定位多個目標(biāo)的位置，還能利用3種顏色表示3種不同介電材質(zhì)分辨介電屬性。

4 總結(jié)

本文介紹了近幾年新興的極化、諧振、相位等電磁散射機(jī)理與信號處理方法，與傳統(tǒng)的定位目標(biāo)大致范圍不同，新的信號處理技術(shù)能夠精確地獲取目標(biāo)的幾何屬性與介電屬性。極化信息有利于對線狀目標(biāo)進(jìn)行快捷準(zhǔn)確的成像；諧振能有效獲取介電目標(biāo)的時間深度方向內(nèi)部結(jié)構(gòu)；相位對于突出目標(biāo)和識別多目標(biāo)介電屬性具有較好的效果。將這些信號處理方法相結(jié)合，極大地增強(qiáng)了地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋的能力。