地质雷达在地下废弃化粪池探测中的应用研究

吴宝杰，高岳洲，董 跃

(1.浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省大成建设集团有限公司，浙江 杭州 310012；3.浙江省建设工程质量检验站有限公司，浙江 杭州 310012)

1 引 言

地下废弃化粪池年代较远、无资料可查，难以知道其准确位置，给工程界带来了一定的困扰。为了准确定位废弃化粪池的位置，通过各种探测方法的尝试，由于地质雷达具有探测效率高、分辨率高、能够实时显示地下探测结果且属于无损探测等特性，故优先选用该方法。地质雷达凭借其优点，在工程中得到越来越广泛的应用。薛飞等[1]利用探地雷达探测地下障碍物。岳崇旺等[2]利用探地雷达探测地下空洞；赵明堂[3]利用地质雷达调查城市地面塌陷隐患；许泽善等[4]利用探地雷达检测道路脱空空洞病害。

地质雷达信号的瞬时分析能够更真实地反应目标物的信息，有助于提高数据解释的准确性[5-8]。Hilbert变换利用实部与虚部的关系，定义出任意时刻的瞬时幅度、瞬时相位和瞬时频率[9]。这三个瞬时参数可以表征信号的动力学特征，获取信号中更多有效的信息。

2 地质雷达探测技术

地质雷达是利用超高频电磁波探测地下介质分布的一种探测技术。地质雷达可对隧道衬砌质量[10]、机场跑道质量、各类地下管线[11]、地基、路基、道桥质量、工程地质、地下埋设物、放射性废弃物等进行非破坏性探测。地质雷达发射的电磁波频率越高，空间分辨率就越高，电磁波在地下介质中衰减就越强，探测距离就越小。

化粪池是处理粪便并加以过滤沉淀的设备，是埋在地下的容器。地质雷达探测地下废弃化粪池，其工作原理是发射天线向地表以下发射电磁波信号，当遇到电磁阻抗发生变化的目标体(如化粪池)时，电磁波便发生反射，由接收天线接收反射波并成图，探测原理如图1所示。

图1 地质雷达探测原理示意图Fig.1 Schematic diagram of ground penetrating radar detection principle

3 Hilbert变换原理

假定一连续的时间信号f(t)，其Hilbert变换的定义如下[9]

假设窄带信号μ(t)=a(t)cos(ω0t+θ0)，其共轭信号υ(t)为：

将它们组成一个复信号：

z(t)=μ(t)+jυ(t)

瞬时幅度:

瞬时相位：

瞬时频率：

4 数据采集

工程位于杭州地铁5号线江晖路站附近兴业嘉园西侧，据当地居民回忆，这个地方以前有个化粪池，但具体在哪个位置资料缺失无从考证，为了确保地铁车站施工过程的安全性，需要找到该化粪池的具体位置。本次探测使用加拿大Sensors & Software 公司生产的pulse EKKO PRO型地质雷达，根据场地环境和探测目的选用100 MHz频率天线探测。采集参数如下：天线间距1.0 m，采样间隔0.8 ns，时窗180 ns，叠加次数32次。本次地质雷达探测采用剖面法，即地质雷达发射天线和接收天线沿测线同步移动的测量方法。这

种方式能准确描述测线下方各反射界面的形态。根据场地条件，本次探测兴业嘉园西侧化粪池共布置6条测线，编号为1#～6#测线，见图2。

图2 测线布置及孔洞异常范围Fig.2 Survey line layout and abnormal range of holes

5 数据处理与解释

地质雷达采集的数据包含各种噪声和干扰因素，因此需要对原始数据做进一步的处理。数据处理的目的就是提高信噪比，突出目标物的有效信号。数据处理主要有滤波、增益。滤波可以把信号中的低频或高频等干扰成分滤掉。由于信号传播过程的衰减性，增益可以对信号的衰减进行一定的补偿，从而增强信号能量。通过对原始数据进行Dewow滤波、时间域滤波、空间域滤波、信号增益等一系列处理，其中1#、2#测线雷达剖面图见图3、图4。废弃化粪池的地质雷达信号呈现出频率较低、同相轴缺失错断、绕射等特征，如图3、图4红线所划异常范围。图3中1#测线异常位于测线0.6～6.6 m，埋深1.0～3.0 m；图4中2#测线异常位于测线0.8～6.8 m，埋深1.0～3.0 m，结合3#～6#测线探测结果得到图2蓝线所划孔洞异常平面分布范围。

图3 1#测线地质雷达剖面Fig.3 Ground penetrating radar profile of line 1

图4 2#测线地质雷达剖面Fig.4 Ground penetrating radar profile of line 2

通过对地质雷达信号进行Hilbert变换，得到各测线瞬时振幅图，瞬时振幅反映出给定时刻反射信号能量的大小，其中1#、2#测线瞬时振幅图见图5、图6，从图中可以较为明显地反应废弃化粪池的图像特征，如图5、图6黑线所划异常范围。图5中1#测线异常位于测线0.6～6.8 m，埋深1.0～3.1 m；图6中2#测线异常位于测线0.8～6.8 m，埋深1.0～3.0 m。

为了避免废弃化粪池影响工程施工，根据地质雷达所探测废弃化粪池位置和埋深指导开挖，现场开挖照片见图7。根据开挖情况可知，废弃化粪池的位置和埋深与探测结果基本一致。

图5 1#测线瞬时振幅Fig.5 Instantaneous amplitude of line 1

图6 2#测线瞬时振幅Fig.6 Instantaneous amplitude of line 2

图7 开挖验证Fig.7 Excavation verification

6 结 语

随着城市的高速建设，对地下空间的利用率越来越高，由于地下障碍物的隐蔽性，将影响建设工程施工，而且还可能带来巨大的经济损失。地质雷达凭借其探测效率高、准确率高、结果直观，在地下障碍物探测领域的应用越来越多。

地质雷达电磁波的传播特性反映了地下媒质电磁性参数的差异。废弃化粪池与周围土壤存在明显的电磁性差异，因此地质雷达能够有效地探测地下废弃化粪池的位置。通过对地质雷达信号进行Hilbert变换，提取信号的瞬时振幅，能够更直观地显示废弃化粪池的图像特征，从而指导工程施工，避免经济损失。