楊 哲，余秋琴，羅婷倚，朱 欣

（1.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064；2.廣西北投公路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引言

探地雷達(dá)（GPR）是一種檢測速度快、精度高的無損檢測設(shè)備，廣泛應(yīng)用于橋梁檢測[1-2]、預(yù)埋目標(biāo)定位[3]、機(jī)場跑道檢測[4]等地下隱性目標(biāo)檢測。目前GPR數(shù)據(jù)主要由人工處理判讀，效率低下，需要研究一種普適高效的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法提高判讀效率和準(zhǔn)確度，縮短工程評價(jià)周期，并為判讀結(jié)果提供更加直觀的依據(jù)。

針對路面病害GPR數(shù)據(jù)增強(qiáng)問題，國內(nèi)外許多研究者從不同角度出發(fā)提出了大量數(shù)據(jù)增強(qiáng)算法[5-9]，但是大都流程復(fù)雜且通用性不強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)缺陷目標(biāo)特征增強(qiáng)和解決現(xiàn)有信號(hào)處理流程復(fù)雜的問題，本研究針對GPR信號(hào)處理的本質(zhì)，提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)處理方法，在MATLAB中實(shí)現(xiàn)算法后，將結(jié)果與商用軟件ReflexW的多步驟處理結(jié)果對比，證實(shí)了所提方法的有效性，為路面病害的信號(hào)分析提供了一種高效的后處理方法。

1 材料與方法

1.1 GPR檢測原理

探地雷達(dá)主要由主機(jī)、發(fā)射天線和接收器組成，通過發(fā)射電磁波并接收地下不同介質(zhì)層回波來探知地下狀況。由于真實(shí)地下介質(zhì)并非絕對均勻，且結(jié)構(gòu)分層也并不規(guī)則，因此，會(huì)在回波中產(chǎn)生噪聲和干擾信號(hào)，需要進(jìn)行進(jìn)一步處理才能作為判讀依據(jù)。

1.2 常規(guī)脫空信號(hào)處理流程

目前，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理大部分在ReflexW內(nèi)實(shí)現(xiàn)，提供了一維處理、二維處理、偏移處理等各類處理功能。常規(guī)GPR數(shù)據(jù)處理主要集中在以下方面[10]：校準(zhǔn)地面層以使圖譜刻度與地下深度成正比；去除每道信號(hào)的直流偏移量使信號(hào)正常值對應(yīng)于零點(diǎn)；帶通濾波以去除可能存在的高頻及低頻噪聲；背景去除用于去除正常結(jié)構(gòu)分層造成的高亮反射，凸顯異常信號(hào)；增益用來增加深層反射信號(hào)的幅值，使其與淺層信號(hào)具有相同的量度。但現(xiàn)有的脫空信號(hào)處理仍依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，缺乏有效的標(biāo)準(zhǔn)化流程。由于地下某一深度層的病害分布情況近似服從正態(tài)分布，基于此，提出將原始B-scan數(shù)據(jù)逐行標(biāo)準(zhǔn)化，將標(biāo)準(zhǔn)化后的整體數(shù)據(jù)作為處理結(jié)果輸出。

1.3 基于傅里葉變換的去直流偏移方法

在對信號(hào)進(jìn)行橫向標(biāo)準(zhǔn)化之前，需要先去除每道A-scan的直流偏移。探地雷達(dá)接收元件在未收到反射波信號(hào)時(shí)應(yīng)該處于零點(diǎn)，而溫度、電壓等因素會(huì)使接收器的靜態(tài)工作點(diǎn)偏離零點(diǎn)，因此，對于不同的硬件和工作環(huán)境，該偏移量會(huì)有明顯差異。在每一道A-scan中，由于接收器開啟時(shí)間極短，通常在0.1 μs以內(nèi)，偏移量較為恒定，該偏移量相當(dāng)于在信號(hào)中加入了一個(gè)直流分量，但對不同道A-scan而言，其直流偏移量可能存在差異，因此，需要對每道A-scan數(shù)據(jù)去除直流分量以規(guī)整數(shù)據(jù)，將后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果中正常值的波動(dòng)降到最低，提高分類性能。

傅里葉變換往往被用來將一個(gè)沿時(shí)間序列展開的信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，從而觀察該信號(hào)不同頻率的分量大小，傅里葉變換公式如下：

其中，ω為頻率，f(t)為原信號(hào)的時(shí)域展開，e為自然常數(shù)，i為虛數(shù)單位，t為時(shí)間序列。

直流分量不包含波動(dòng)，在頻域序列里表現(xiàn)為零頻率分量，將A-scan頻域數(shù)據(jù)的零頻率分量系數(shù)置零，其余頻率分量系數(shù)不變，再對其進(jìn)行逆變換得到處理后的A-scan信號(hào)，式（2）為傅里葉逆變換公式。

考慮到不同雷達(dá)A-scan數(shù)據(jù)的量度不同，為了簡化后續(xù)識(shí)別算法，優(yōu)化處理流程，需要將A-scan數(shù)據(jù)放縮到同一量度上，本研究對每道A-scan數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使其均服從均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為1的正態(tài)分布。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)化特征增強(qiáng)處理方法

對于圖譜進(jìn)行去直流偏移處理后，其淺層脫空的反射比較顯著，較深層病害反射由于衰減其幅值遠(yuǎn)小于淺層反射的亮度，而且路面結(jié)構(gòu)分界層的反射可能會(huì)使該層的病害更不易被觀察，因此，需要對病害特征進(jìn)行增強(qiáng)。對樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化可以將任意量度的樣本轉(zhuǎn)換到同一均值（0）與方差（1），將B-scan橫向標(biāo)準(zhǔn)化后，標(biāo)準(zhǔn)化公式如式（3）所示。

式中，Xi為標(biāo)準(zhǔn)化前各采樣值，μ為樣本均值，σ為樣本標(biāo)準(zhǔn)差，Yi為標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)。

令Xi作為B-scan中同一行數(shù)據(jù)的采樣值，樣本均值置0后將去除各層背景，方差置1后使不同深度層的采樣值具有可比性。當(dāng)采樣深度過深，超出天線穿透深度，深層由于信噪比過低不具備參考性，后續(xù)處理可僅保留信噪比足夠大的采樣深度進(jìn)行識(shí)別。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 A-scan去直流偏移

以工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)中某道A-scan為例，對其進(jìn)行上述處理，如圖1所示，實(shí)線為原始數(shù)據(jù)，點(diǎn)劃線為處理后數(shù)據(jù)，此時(shí)得到的A-scan直流偏移量已去除，且不改變波形及量度。

圖1 FFT去直流偏移

對傅里葉變換去直流偏移后的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，如圖2所示，數(shù)據(jù)自動(dòng)縮放到合適的量度。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)

2.2 B-scan去直流偏移

將該處理應(yīng)用于B-scan圖譜，如圖3所示，原始數(shù)據(jù)由于存在正向直流偏移，在灰度圖上整體偏白，去直流偏移后圖譜顯示更清楚。

圖3 B-scan去直流偏移處理

根據(jù)式（3）及圖2、圖3可以得出，對于不同功率或頻率的天線采集到的A-scan數(shù)據(jù)，盡管其原始數(shù)據(jù)量度差異一般很大，甚至可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)允許不同天線及環(huán)境下測量的結(jié)果具有相同的量度，且不改變灰度圖的表現(xiàn)形式，這對后續(xù)處理及識(shí)別有積極意義。

2.3 脫空病害的特征增強(qiáng)

對經(jīng)之前去直流偏移處理后的圖譜去除地面層后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化特征增強(qiáng)處理，并將標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果與ReflexW軟件常規(guī)流程處理結(jié)果作對比，如圖4所示，明顯脫空位置已由虛線框標(biāo)記。

圖4 處理最終結(jié)果對比

對比圖譜可以發(fā)現(xiàn)，兩者處理結(jié)果十分接近，地表層及路面下方結(jié)構(gòu)層的橫向反射都被消除了，突出了脫空的反射信號(hào)，深層的病害信號(hào)也具備了和淺層相同的亮度。在第400道及第700道附近的100～200采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，ReflexW處理結(jié)果局部發(fā)白，效果較差；采用標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)更清晰，異?；夭ǜ怀?。

3 結(jié)論

1）針對現(xiàn)有GPR信號(hào)處理流程煩瑣的問題，提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化的路面病害特征增強(qiáng)算法，并以路面脫空信號(hào)特征為例進(jìn)行分析。結(jié)果表明：該處理方法與常規(guī)后處理方法結(jié)果一致，可替代原來的多種數(shù)據(jù)處理流程，并簡化了處理步驟，減少了人工投入。

2）將采樣值標(biāo)準(zhǔn)化使其服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，可將任一種雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個(gè)統(tǒng)一的量度，為后續(xù)通用路面病害識(shí)別方法提供數(shù)據(jù)來源。