摘? 要：探地雷達(dá)具有高效、靈活、便捷的特點(diǎn)，在越來(lái)越多的地下工程探測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。但因探測(cè)過(guò)程中受周圍環(huán)境和地下介質(zhì)等多因素干擾，使得數(shù)據(jù)的收集常常會(huì)有雜波出現(xiàn)，導(dǎo)致圖像解譯受到不同程度影響。為了更好消除探測(cè)掃描數(shù)據(jù)中的干擾波，采取小波變換理論，多次分解原始雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過(guò)閾值處理，提高信號(hào)的信噪比，突出探測(cè)目標(biāo)體。并應(yīng)用到實(shí)際雷達(dá)探測(cè)工作中，提高了探測(cè)圖像的效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);小波變換

一、引言

探底雷達(dá)技術(shù)是20世紀(jì)前中葉發(fā)展起來(lái)，因其操作靈巧簡(jiǎn)單，且攜帶方便，同時(shí)對(duì)地下目標(biāo)的分辨能力高的特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為對(duì)地下目標(biāo)體進(jìn)行探測(cè)的有效手段之一。特別是近些年，城市基礎(chǔ)建設(shè)中縱橫交錯(cuò)地下管線[1]探測(cè)，公路道路的檢測(cè)、礦產(chǎn)勘查以及在名勝古跡的修繕中都發(fā)揮了極其重要的作用。

二、 探地雷達(dá)探測(cè)原理與方法

探地雷達(dá)主要是利用高頻、超高頻電磁波（106～109Hz），以寬頻短脈沖形式使用發(fā)射天線輻射將傳播到地下。電磁波在地下傳播過(guò)程中，因地下目標(biāo)體周圍介質(zhì)不均勻和介電常數(shù)的差異，便會(huì)產(chǎn)生折射、反射，有部分能量損失，而被地面接收天線接收到的回波，經(jīng)轉(zhuǎn)變整形和放大處理之后，將其反應(yīng)傳輸?shù)街鳈C(jī)屏幕上。根據(jù)處理后的屏幕圖像經(jīng)專業(yè)軟件分析、解譯，可以大致推斷地下不同界面或目標(biāo)體的空間位置和大小形態(tài)。

式中：h：探測(cè)目標(biāo)體或地下介質(zhì)的埋深;

x：探地雷達(dá)接收和反射天線的距離;

v： 電磁波在地下周圍介質(zhì)中傳播速度;

其中埋深的確定只與地下不同介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)[2]（見(jiàn)表1）。

表1 常見(jiàn)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

介質(zhì)? 相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)? 相對(duì)介電常數(shù)空氣1水? 81濕砂 25～30粉砂濕的? 10干砂 3～5粘土 5～40粉質(zhì)粘土 6粉砂 3～30磚砌墻體7～8墻體土? ?9～14公式中電磁波在地層中傳播的往返時(shí)間t和目標(biāo)體的埋深h是影響圖像特征的主要因素。

另外，在探測(cè)過(guò)程中由于周圍環(huán)境的影響及寬頻帶電磁波在地下傳播，也將會(huì)有各種噪聲被記錄下來(lái)。為了突出有效信號(hào)，提高信噪比，我們對(duì)收集的信號(hào)做了增益處理、背景去噪、頻率域的各種不同濾波、偏移等圖像處理。但為了更好保證探測(cè)效果，保證圖像的精度和可信度，除了上述做法，又增加了使用小波變換對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步去噪。

三 小波變換去噪技術(shù)

（一） 小波變換原理

小波變換是時(shí)強(qiáng)有力的時(shí)頻處理的工具，通過(guò)變換能夠充分突出某些方面的特征，是一種信號(hào)多尺度分析方法?？梢詫?duì)時(shí)間（空間）頻率局部化分析，通過(guò)伸縮、平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)（函數(shù)）逐步進(jìn)行尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，能自由適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求。

小波基函數(shù)是通過(guò)尺度因子的伸縮和平移量因子的平移得到的。通過(guò)它們調(diào)節(jié)時(shí)窗和頻窗的大小，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間和頻率的分辨率的控制[3]，進(jìn)而將信號(hào)中的雜波剔除。

（二）小波變換在探地雷達(dá)技術(shù)去噪流程

探地雷達(dá)在使用過(guò)程中由于所測(cè)對(duì)象強(qiáng)背景雜波和周圍環(huán)境隨機(jī)噪聲影響，收集到的信號(hào)要進(jìn)行濾波處理。除去不需要的低頻和高頻信號(hào)，突出目標(biāo)體，降低背景噪聲和余振影響[4]。我們應(yīng)用小波變換原理來(lái)求得高質(zhì)量的圖像。其流程見(jiàn)圖2。

四 工程應(yīng)用——山西平遙古城墻檢測(cè)

平遙古城位于山西境內(nèi)平遙縣，始建于西周宣王時(shí)期，距今已有2700多年歷史。古城保留著明、清時(shí)期原有縣城風(fēng)貌，是迄今為止中國(guó)保存最為完整的古建筑之一。1997年最為文化遺產(chǎn)引入《世界遺產(chǎn)名錄》。但古城歷經(jīng)風(fēng)霜雨雪的滲透、人為破壞和年久失修。城墻體多處出現(xiàn)裂縫、破損，甚至還出現(xiàn)嚴(yán)重的垮塌。為保護(hù)古城，制定古城墻的修繕計(jì)劃，使用探地雷達(dá)對(duì)古城墻采取無(wú)損探測(cè)，查明城墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確定隱患存在的具體位置，為后期的維護(hù)工作有的放矢提供可靠技術(shù)支持。

（一）探測(cè)儀器測(cè)量參數(shù)選定及布線

平遙古城總體破壞中馬面和甕城破壞較為嚴(yán)重。從倒塌的古城墻現(xiàn)場(chǎng)勘察情況來(lái)看，墻體主要是由青磚、夯實(shí)士、灰土、雜填土及混合砂漿砌筑紅磚組成。依據(jù)古城墻的高度、局部破壞情況以及現(xiàn)場(chǎng)的具體要求，我們采用意大利IDS-2Ka型探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)。主頻率為400MHz，時(shí)窗范圍為160ns、300ns，采樣率為512樣點(diǎn)/掃描，掃描率32掃描/秒。IDSGRESWIN2.0軟件處理系統(tǒng)。

探測(cè)過(guò)程中測(cè)線主要是垂直城墻走向和沿著城墻的走向進(jìn)行布設(shè)。

（二）雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

對(duì)接收到處理數(shù)據(jù)，在原始雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)漂移、背景去噪、垂直帶通濾波、線性增益外，又對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，得到多尺度分解次數(shù)下的近似值、水平細(xì)節(jié)、垂直細(xì)節(jié)信號(hào)[3]。根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況考慮，本文采用3次小波分解。之后進(jìn)行閾值量化處理，具體流程見(jiàn)圖2。

（三）探測(cè)結(jié)果圖像分析

圖3雷達(dá)剖面圖像表現(xiàn)：我們除了看到一層均勻的黑白交替連續(xù)明顯線性或條狀分界線，為穩(wěn)定的上部砌磚層，厚度約為0.4m。另處異常為波形不連續(xù)，同相軸間距有規(guī)律變寬且呈階梯狀中斷、并有一定傾向，波形振幅明顯減小。推斷為階梯狀沉陷。

圖4雷達(dá)剖面圖像表現(xiàn)：

Ⅰ層所展現(xiàn)出來(lái)的是黑白交替連續(xù)有規(guī)律的明顯線性或條狀分界線，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，推測(cè)該層為穩(wěn)定的上部砌磚層，厚度約為0.3m。

Ⅱ?qū)映霈F(xiàn)異常區(qū)域，主要在圖像上表現(xiàn)是黑-白-黑交替的同相軸雙曲線形狀強(qiáng)反射帶。說(shuō)明電磁波穿過(guò)地下介質(zhì)由于此處存在相對(duì)介電常數(shù)差異較大。推測(cè)是此處有空洞存在，空洞規(guī)模不大。其原因有可能是墻體密實(shí)不均勻，內(nèi)部砌磚與夯土局部脫空導(dǎo)致。

古城墻體內(nèi)存有的裂隙，在雷達(dá)剖面圖像上表現(xiàn)為同相軸間距有規(guī)律地變寬或變窄，反射波同相軸錯(cuò)位或波組錯(cuò)位、反射波同相軸突然增減或消失、波組間隔突然變化、反射波同相軸產(chǎn)狀突變、反射零亂或出現(xiàn)空白帶等異常圖像。而且常常伴隨有繞射波、斷面波出現(xiàn)。

Ⅰ～Ⅱ?qū)又g波形雜亂不連續(xù)，同相軸波有上下少許錯(cuò)動(dòng)，多次反射明顯，說(shuō)明此處土層中含有空氣，密實(shí)度不高，為疏松土體。厚度約為1.6m。

五 結(jié)語(yǔ)

小波變換可以消除大量噪聲和雜波干擾，有效提取目標(biāo)信號(hào)，提高探測(cè)目標(biāo)體的圖像分辨率和清晰度。并在平遙古城墻的檢測(cè)中得到很好的證實(shí)，也為古城墻修繕和保護(hù)提供技術(shù)支持和有力保證。

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作者簡(jiǎn)介： 谷松1970-4-? 女? 漢族 遼寧阜新人? 碩士研究生? 遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院? 副教授 主要從事地質(zhì)專業(yè)教學(xué)及科研工作。