基于MALA探地雷达属性对3种典型不良地质的识别*

崔光岩 张家明

(昆明理工大学 昆明 650500)

0 引言

随着工程建设的推进，经常会遇到各种各样不良地质状况，这些不良地质状况不仅对施工建设造成困难，还会威胁建筑物后期安全，所以对不良地质状况的勘察变得十分重要。探地雷达作为一种无损检测方式，具有精度高、易于操作、结果直观等其他地球物理测量方法所不具备的优点[1]，所以，逐渐成为岩土工程勘察、隧道建设、水利水电工程等行业进行短距离地质预报的重要手段。但受测量环境干扰、地质情况复杂以及对探地雷达(GPR)图像解译人员水平参差不齐等因素的影响，以致于当前未能达到应有的效果。

探地雷达进行准确的地质预报，不仅要准确识别地质信号目标，更要从所获取的探地雷达电磁波信号中尽量获取更多的有效信息，并且探地雷达的属性分析是获取电磁波信号有效信息的重要手段，因此，对探地雷达(GPR)进行属性分析愈来愈重要[2],当前对探地雷达(GPR)属性分析研究已经取得一些成果，比如从探地雷达(GPR)属性分析的角度对巴西某采石场的岩层界限以及岩石碎裂带图像进行了准确的解译[3]，或者在探地雷达(GPR)的解译过程中利用复信号分析技术对岩溶裂隙水进行了准确的地质预报[4]，利用自编程序对探地雷达(GPR)单道信号进行处理用于确定岩溶的位置、大小等[5]。虽然当前对探地雷达(GPR)属性分析研究取得了较大进展，但大部分研究对探地雷达(GPR)的属性分析较单一，对探地雷达进行多属性综合分析的研究较少，因此常出现对所采集的探地雷达(GPR)地质数据有多种解译甚至解释错误的现象。

所以，本文以3种不良地质情况为例，提取探地雷达(GPR)的三瞬属性(瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率)、单道信号属性以及频谱属性，从多个角度对3种典型的不良地质体进行定量、定性分析，以期对探地雷达(GPR)在地质预报中能够准确识别和解译不良地质体奠定基础。

1 探地雷达及其属性

1.1 探地雷达

所使用探地雷达(GPR)为瑞典 MALA 公司生产的 ProEX 主机以及50 MHz非屏蔽、屏蔽100 MHz、屏蔽250 MHz天线，工作示意图见图1。地质信息采集软件为Ground Vision，各条测线采集参数设置如表1所示。采集完成后，运用探地雷达后处理软件REFLEXW 对数据进行常规处理，比如运用静校正/切除模块中的 move starttime 对所采集雷达信号中的直达波进行切除、运用subtract-DC-shift模块去除直流漂移、运用AGC-Gain对电磁波信号进行补偿，对有效信号进行放大等。

图1 探地雷达工作示意

表1 不同测线采集参数信息

1.2 探地雷达属性分析方法

(1)瞬时属性。三瞬属性指瞬时振幅、瞬时相位与瞬时频率3种属性。瞬时振幅属性可以反映地质信号穿过不同地质体时的能量变化，其与该瞬间探地雷达信号总能量的平方根成正比。当地质信号穿过某些岩体特殊分层、滑裂带、土层与地下水分界时，瞬时振幅属性会产生强烈变化，在分界面位置振幅明显改变，该属性已被应用于对不同围岩介质层进行识别分析[6]。瞬时相位可以对探地雷达二维剖面上的同相轴连续性进行度量。当电磁波穿过各向同性均匀介质中时，瞬时相位表现为连续，若电磁波穿过异常介质时，相应的瞬时相位也会发生明显变化，因此，瞬时相位有助于对存在异常介质和分层的地质体进行解译。瞬时频率反映的是信号相位的时间变化率，瞬时频率可以对地质体岩性变化做出反馈。比如当信号穿过不同介质体时，瞬时频率会清晰地表现出来。

(2)单道信号属性。单道信号是由探地雷达后处理软件REFLEXW对雷达数据处理后所得的单道波形时间剖面图。通过单道信号可以观测到某点振幅随时间变化规律，以及在垂直方向上电磁波在各种介质中的传播规律和地质特征分布情况。单道信号的振幅、频率、相位变化等构成了雷达图像解译的基础。因此，对单道波形的处理和分析对提高探地雷达的解译准确度具有重要的价值。

(3)频谱属性。探地雷达的频谱属性是指幅度谱和相位谱，其通过傅里叶变换的方式把雷达电磁波信号由时域变换成频域而得出，相位谱和幅度谱可以描述电磁波信号的位置，其分别表示不同频率成分含量和初相位。在许多不良地质体的雷达解译过程中探地雷达频谱属性得到了广泛应用，比如刘东坤等[7]分析了探地雷达在不同岩溶充填物和介质变化的电磁波的反射、吸收(衰减)的变化了解其频谱差异。

2 不良地质 GPR 属性分析

使用探地雷达对某场地进行数据采集，并且进行常规处理后，可得3组典型不良地质雷达能量堆积图(即灰度图)，如图2～图4所示。对图像进行解译，首先观察图2，发现波形反射强烈、杂乱，同相轴不连续、错断，具有与其他区域介质属性差异大等特点，依据探地雷达一般地质解释，可解释为多种不良地质；观察图3，发现同相轴连续、信号强度弱、波形均一，据此难以判断其具体的地质类型。同样，若仅从整体波形反射和杂乱程度以及同相轴变化情况也无法确定图4中孔洞类型如填充型孔洞、空腔型孔洞等，而现场资料表明图2为无水破碎带，图3为富水带，图4为空腔型孔洞。

图2 无水破碎带雷达探测剖面

图3 富水带雷达探测剖面

图4 孔洞区域雷达探测剖面

因此，从雷达图像整体波形变化可以大致确定地质异常的大致范围，但是无法深层次解译雷达数据中更详细的地质信息比如不良地质的具体类型、范围等，为了更加清晰、准确了解地质信息需要引入对探地雷达的属性分析。

3 GPR 属性分析

3.1 瞬时属性分析

图5～图7为A～C区域探地雷达瞬时振幅、瞬时频率、瞬时相位剖面。首先观察瞬时振幅，可以明显看出A区域能量团分布不均匀，与周围介质差异明显，说明当电磁波穿过A区域时，信号反射波幅值较强，依据瞬时剖面可以清楚地确定此处地质异常，并且范围明显。观察A区域的瞬时相位和瞬时频率可知，当电磁波经过A区域时，同相轴断续，并且反射波能量强,电磁波频率变化明显，与周围差异大，表明该处介质具有疏松、破碎的特点。观察图6发现B区域的反射波幅值较弱，瞬时相位剖面上有均匀的同相轴，并且瞬时频率为均匀的低频，呈“带状”分布与现场地质剖面上富水带分布几乎一致。而这些重要的电磁波变化信息在灰度图上很难清晰显示出来。

图5 A区域瞬时相位、瞬时振幅和瞬时频率

图6 B区域瞬时相位、瞬时振幅和瞬时频率

图7 C区域瞬时相位、瞬时振幅和瞬时频率

观察图7发现，在C区域瞬时振幅的能量团分布较集中，高幅值区甚至呈“块状”，与周围介质界限明显，表明该区域信号反射波幅值强，能量衰减少，也进一步说明此处所含介质对电磁波信号削弱得少(可推断此处为空气)。在瞬时相位剖面图中发现明显的双曲线同相轴(标黑线处)结合单道波形以及瞬时频率可以确定该区域为未填充的孔洞并且可以清楚地确定上、下反射界面及其范围。

综上所述，说明瞬时属性能从多角度分析电磁波在3种不良地质中传播特征，瞬时剖面可以清晰地反映出灰度图中所不能很好显示的波形特征、不良地质范围等，可以大幅减少由单一灰度图解译产生的偏差。

3.2 单道信号属性分析

图8为穿过A区域的第40道波形的单道信号图，即图2中 B1所在直线的全剖面延伸段。从图中可以看出，波形较为杂乱，均一性差，频率以不均匀的中频为主，振幅的幅值较强，呈典型的无水破碎松散带波形特征，与上述A区域的三瞬属性分析结果一致。

图8 无水破碎带B1剖面单道波形

图9为穿过富水破碎松散带的第260道波形的单道信号图，即图3中B2所在直线的全剖面延伸段。从图中可以看出，当地磁波穿过地表，进入B区域后，频率以均匀的低频为主，并且从上至下按规律快速变低，较为连续，较为均一，单道信号的中部和下部振幅幅值较强，波形信号强，呈典型的富水破碎松散带波形特征，与现场地质信息一致。

图9 富水带B2剖面单道波形

图10为穿过非填充孔洞(B区域)第500道波形的单道信号图，即图4中B3所在直线的全剖面延伸段。由图可知，该单道信号图上部波形明显，幅值较强，频率以中低频为主，其中部信号幅值较低，波形频率以中高频为主且变化小，当电磁波抵达孔洞区域(虚线框处)相位发生了突变(电磁波在不同介质中传播时，相位会发生突变)，并且频率以中低频为主，变化剧烈、不规则，框中波形比较均一，幅值较强，故可判定此为孔洞反射界面，与上述关于该区域三瞬属性的判断一致。对比无水破碎松散带和富水带单道波形发现，两者三振相差异明显，富水带表现为低频信号为主，电磁信号的频带宽，振幅均匀，由于存在大量水分，电磁波信号能量被吸收明显，而无水破碎带波形明显，以中频信号为主，信号频率变化较快，规律性差，幅值很强，信号能量衰减不明显；对比空腔型孔洞与其他两组单道信号发现，穿过空腔型孔洞区域的单道波形的电磁波信号为不均匀的中低频以低频为主，频率变化速度快，孔洞(虚线框处)区域的振幅与周围介质差异明显，出现这种变化可解释为孔洞中未含有其他介质，对电磁波信号能量衰减少。综上，说明与整体灰度图相比，单道信号属性可以清晰地反映某些异常点、特殊点的具体波形变化，并且不同不良地质的单道波形属性差异明显，波形参数变化与地质类型具有相关性。

图10 空腔型孔洞B3剖面单道波形

3.3 频谱属性分析

图11为A场地(无水破碎带)的两种典型的归一化傅里叶幅度谱，其所对应的测线位置为7 m和9 m。观察可知，无水破碎带的雷达反射波有多个峰值，其主要分布在50～110 MHz之间，并且雷达反射波归一化幅度谱频带明显较宽，说明雷达信号在无水破碎带中传播时中心频率未出现明显衰减。图12为B场地(富水带)两种典型的归一化傅里叶幅度谱，其所对应的测线位置为27 m和29 m。观察可知，富水带雷达反射波只有1个峰值出现在 45 MHz 附近，并且出现峰值后迅速衰减，然后在较低频段波动，由此可知雷达波在富水破碎带中传播时中心频率会明显衰减，可见富水带对雷达波的吸收和衰减起到重要作用。图13为C场地(空腔型孔洞)两种典型的归一化的频谱分析曲线，其所对应的测线位置为25 m和28 m。由图可知，空腔型孔洞的信号反射波主频较明显，其中心频率分布范围在200～250 MHz之间，归一化幅度谱频带明显较宽。其中心频率随时间未发生明显变化，高频成分衰减较少。综上所述，不同不良地质的频谱差异变化表明：不同类型的不良地质具有不同的电性参数，其电磁波信号不同的反射、衰减特征会通过频谱曲线反映出来，因此，对频谱属性进行分析，对于不良地质的识别具有重要意义。

图11 无水破碎带频谱分析曲线

图12 富水带频谱分析曲线

图13 孔洞频谱分析曲线

4 结论

(1)对3种不良地质进行属性分析，结果表明：3种不良地质的类型和探地雷达的三瞬属性、单道信号属性、频谱属性的变化存在较好的相关性。并且，无水破碎带、富水带、空腔型孔洞的三瞬属性与其他区域瞬时属性差异明显，借此可以确定不良地质的分布范围。从3种不良地质的单道属性分析中可对特殊点和异常点进行更具体的深度分析。从3种不良地质的频谱属性分析中，发现无水破碎带的雷达反射波有多个峰值，其主要分布在50～110 MHz之间；富水带雷达反射波只有1个峰值出现在 45 MHz 附近，并且出现峰值后迅速衰减，然后在较低频段波动；空腔型孔洞的信号反射波主频较明显，其中心频率分布范围在200～400 MHz之间，其中心频率随时间未发生明显变化，高频成分衰减较少，不同的地质情况其频谱属性变化差异明显，呈现一定的规律性。

(2)通过对探地雷达整体图像的解译难以获取深层次的地质信息，但若对其进行区域瞬时相位、瞬时频率、瞬时振幅和单道信号以及频谱属性做进一步分析，可以确定不良地质的基本类型、分布范围，并且可以相互验证。因此，对探地雷达数据进行不良地质解译时，若把传统的整体波形变化、同相轴等分析与瞬时属性、单道波形属性、频谱属性等属性特征相结合进行综合解译，可以大幅提高解译精度。