地质雷达探测过程中干扰物的图像识别

鲁建邦

(中铁三局集团有限公司，太原 030001)

0 引言

地质雷达作为一种快速、高分辨率、连续的无损检测技术已经广泛地应用于工程地质勘测、灾害地质调查以及工程施工质量检测、隧道衬砌质量检测、超前地质预报、岩溶普查等诸多领域［1－7］。赵玉良等［2］、窦顺等［3］认为雷达探测可以较准确地查明溶洞、地下水、断层及不良地质体的位置和分布情况，并对探测的距离进行探讨;郭有劲［4］、李江林等［5］认为采用地质雷达对隧道衬砌质量检测具有较好的效果;钟世航等［6－7］在溶洞和溶隙的探测方面通过陆地声纳技术与地质雷达技术的综合应用，证明这2种方法可互证、互补;兰樟松等［8］、陈辉光［9］对地质雷达探测过程中部分干扰因素进行了研究和分析。

业内有人曾就干扰物对雷达图像的影响进行了一些分析和研究，但在实际的工程探测过程中会出现众多的外界干扰物，且作业的环境也不尽相同。如在进行外业工作时遇到垂直经过或者斜交经过高压线路、在进行隧底检测中遇到模板台车和台架、隧道衬砌检测过程中邻近避车洞等均会对探测数据的采集造成影响，并在采集图像上留下很明显的干扰信号。识别这些干扰，对提高地质雷达图像识别的准确性、丰富干扰物图像库等方面都大有裨益。本文正是基于以上考虑，结合现场工程实例对地质雷达在上述领域使用过程中的干扰物图像识别进行阐述。

1 地质雷达技术

1.1 地质雷达工作原理

地质雷达检测方法是利用主频电磁波(106～109Hz)探测介质电性分布的一种地球物理方法。高频电磁波以宽频带短脉冲的形式在介质表面通过发射天线将信号传入介质内部，其路径、波形将随所通过介质的电性质及几何形态变化，经地下目标体或地层反射界面反射后返回地面，由接收天线接收，通过对所接收的雷达信号进行分析处理，达到探测地下或者隐蔽处目标体的目的［10］。

1.2 地质雷达测试过程中的干扰因素

雷达设备的干扰因素主要有仪器内部干扰和外界干扰2种。仪器内部干扰主要表现为天线盒震荡信号干扰、天线控制电路之间干扰、发射与接收天线的直接耦合干扰等。仪器的内部干扰相对稳定，在气候发生变化时内部干扰也会产生不稳定的变化。仪器的外界干扰主要有现场的金属台车和台架、检测用的台车、工程勘测过程中外界高压输电线路、外界的电磁波等，同时由于干扰因素的存在，在进行数据分析的过程中很容易将干扰因素作为异常情况进行处理;另外，由于干扰信号在雷达测试图像上形成的结果也会覆盖实际地质情况信号反映的缺失，给施工安全和质量保证留下隐患。

2 有关干扰物的干扰图像特征分析

2.1 高压输电线的干扰图像特征

2.1.1 孤立地物在地质雷达剖面的反射

地质雷达发射的电磁波为三维空间球面波。目前使用的地质雷达天线多数为屏蔽式天线，实际天线在发射和接收过程中仍然会接收到来自周围空间的干扰物及空间电磁波的干扰信号，进而在图像上留下干扰物的电磁波反射图像。

地质雷达测线附近地面存在孤立的物体，电磁波就会通过空气传播到该物体，并产生反射波。电磁波在空气中传播时能量衰减几乎为零，反射波的能量很强，当天线从这些孤立的物体旁通过时会在雷达剖面上形成一个双曲线异常［9］，见图1。

图1 孤立物体在雷达图像上形成的双曲线Fig.1 Hyperbola in radar image caused by isolated objects

由图1可得到双曲线方程

孤立地物在地质雷达剖面上的完整反映同向轴应为双曲线形状，与地下介质中孤立目标的反映类似，通过现场检测证明了此类情况的存在。

2.1.2 高压输电线在雷达剖面的成像

兰樟松等［8］认为当雷达测线垂直通过输电线，天线的极化方向与输电线方向平行时，输电线引起的干扰呈双曲线型，其顶点正对于输电线的下方，尤其是高压输电线，其影响范围达50～80 m。

在进行工程地质勘测过程中，尤其是一些市政工程施工前的管线调查时，地面有与测线垂直的高压输电线，高压输电线在雷达图像上产生的反射图像具有同向轴的反射弧，与管线的反射图像存在很大的相似之处。因此，在进行图像分析过程中需结合现场的实际地物地貌进行有针对性的分析筛选，逐一排除干扰因素。

图2为某城市道路地质雷达探测图。从图2可看出在雷达图上存在比较明显的双曲线反射信号。根据前期的施工地质勘察报告得知在该区域不存在地下管道，且该双曲线的深度和跨度均已大大超过一般地下管道的尺寸大小，个别影响范围已达100 m左右，初步判断不可能是来自于地下目标体的反射图，应为地上物的反射。根据现场记录，发现在测线经过范围内存在高压输电线，如图3所示。综合以上分析判断:在图2上明显的双曲线反射信号为高压输电线的干扰反射信号，此信号可作为干扰信号进行处理。

图2 高压线干扰的雷达图Fig.2 Radar images interfered by high － voltage power line

2.2 隧道内台车和台架的干扰图像特征

电磁波在金属表面会产生全反射，反射系数接近1，反射波能量强，电磁波中心频率不会降低，应用高频天线探测隧道中的钢筋时，钢筋形成清晰的反射弧，呈半张开的伞形。地质雷达天线通过地表金属物时会产生强反射，在地质雷达剖面上反映为强能量同向轴出现，并且反射波会在金属物和天线之间产生多次反射，在剖面上表现为强能量同向轴垂向延续时间长的特点［11］。

图3 测线上方的高压线Fig.3 High-voltage power line above surveyline

图4为隧道内仰拱质量检测雷达图，由于现场条件限制，存在1部衬砌台车和1部台架，在探测过程中考虑到台车和台架可能对采集信号产生干扰，故结合现场的具体条件，分2种工况分别对该区域进行探测，以判断台车和台架对雷达探测是否存在干扰和形成干扰反射图像。需要说明的是，由于采集过程中隧道仰拱表面平整度较差，天线与接触面的耦合不完全，图像上存在一些干扰。

图4 台车和台架干扰的雷达图Fig.4 Radar image interfered by formwork trolley and platform

1)第1种工况(测线方向背离隧道出口)。在台车和台架位置均不改变的情况下进行仰拱检测。图4的下部存在2处明显的弧形反射，2处图像的中间距离与台车和台架的中心点距离基本吻合。

2)第2种工况(测线方向朝向隧道出口)。改变台车和台架之间的距离，保持台车的位置不变，移动台架。测线沿与第1种工况相反的方向重新进行检测，发现图像中只存在1处明显的弧形反射，且位置与第1种工况一致，见图5。

综合判断，图4中明显的双曲线反射信号是台车和台架产生的干扰信号。

2.3 隧道内避车洞图像特征

在左右边墙的检测中，天线需要经过避车洞，图6为经过避车洞时的反射图像，从图6中可看出避车洞的反射图像类似于双曲线形状。

3 结论与讨论

1)在采用地质雷达进行地质勘探及无损检测时，周围介质中存在诸多干扰因素，这些干扰因素会产生很强的干扰信号，但这些信号均存在明显的特征。比如:信号的影响范围远超过一般的地下目标体大小;反射信号的波速接近于电磁波在空气中的传播速度以及反射图像呈现明显的双曲线等。

2)在实际的雷达数据采集过程中，需要及时准确地记录各种可能存在的干扰因素，总结各种干扰信号的图像特征，排除干扰图像，提高地质雷达探测的准确性。

3)地质雷达无损探测中的干扰信号可以通过选择一定的数字处理技术进行抑制，比如对于绕射波可采取信号压制技术进行处理等，有针对性地提高信噪比，使得雷达图像质量得以提高。但同时也应注意，在采用信号压制技术的过程中，应保证其他信号的完整性和真实性。在地下管线等的探测过程中，一般的管线直径均小于高压线的干扰图像大小，可通过尺寸比较进行识别;同时在实际的检测过程中，需要认真做好现场记录，尤其是在地面存在诸多干扰物时，需对干扰物的大小、位置、材质进行记录，便于图像分析过程中参考比对。

4)地质雷达作为一种快速、经济的无损检测手段，在地质勘探、隧道无损检测等方面发挥着越来越重要的作用，应该大力推广和使用。本文的目的也在于通过对地质雷达使用过程中一些常见干扰物体图像的解析，提高雷达信号处理的准确性和工作效率。

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