标准化信号处理在路面病害特征增强中的应用**

杨 哲，余秋琴，罗婷倚，朱 欣

（1.长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064；2.广西北投公路建设投资集团有限公司，广西 南宁 530028）

0 引言

探地雷达（GPR）是一种检测速度快、精度高的无损检测设备，广泛应用于桥梁检测[1-2]、预埋目标定位[3]、机场跑道检测[4]等地下隐性目标检测。目前GPR数据主要由人工处理判读，效率低下，需要研究一种普适高效的雷达数据处理方法提高判读效率和准确度，缩短工程评价周期，并为判读结果提供更加直观的依据。

针对路面病害GPR数据增强问题，国内外许多研究者从不同角度出发提出了大量数据增强算法[5-9]，但是大都流程复杂且通用性不强。为实现缺陷目标特征增强和解决现有信号处理流程复杂的问题，本研究针对GPR信号处理的本质，提出了一种标准化的信号处理方法，在MATLAB中实现算法后，将结果与商用软件ReflexW的多步骤处理结果对比，证实了所提方法的有效性，为路面病害的信号分析提供了一种高效的后处理方法。

1 材料与方法

1.1 GPR检测原理

探地雷达主要由主机、发射天线和接收器组成，通过发射电磁波并接收地下不同介质层回波来探知地下状况。由于真实地下介质并非绝对均匀，且结构分层也并不规则，因此，会在回波中产生噪声和干扰信号，需要进行进一步处理才能作为判读依据。

1.2 常规脱空信号处理流程

目前，雷达数据处理大部分在ReflexW内实现，提供了一维处理、二维处理、偏移处理等各类处理功能。常规GPR数据处理主要集中在以下方面[10]：校准地面层以使图谱刻度与地下深度成正比；去除每道信号的直流偏移量使信号正常值对应于零点；带通滤波以去除可能存在的高频及低频噪声；背景去除用于去除正常结构分层造成的高亮反射，凸显异常信号；增益用来增加深层反射信号的幅值，使其与浅层信号具有相同的量度。但现有的脱空信号处理仍依赖于人工经验，缺乏有效的标准化流程。由于地下某一深度层的病害分布情况近似服从正态分布，基于此，提出将原始B-scan数据逐行标准化，将标准化后的整体数据作为处理结果输出。

1.3 基于傅里叶变换的去直流偏移方法

在对信号进行横向标准化之前，需要先去除每道A-scan的直流偏移。探地雷达接收元件在未收到反射波信号时应该处于零点，而温度、电压等因素会使接收器的静态工作点偏离零点，因此，对于不同的硬件和工作环境，该偏移量会有明显差异。在每一道A-scan中，由于接收器开启时间极短，通常在0.1 μs以内，偏移量较为恒定，该偏移量相当于在信号中加入了一个直流分量，但对不同道A-scan而言，其直流偏移量可能存在差异，因此，需要对每道A-scan数据去除直流分量以规整数据，将后续标准化结果中正常值的波动降到最低，提高分类性能。

傅里叶变换往往被用来将一个沿时间序列展开的信号转换到频域，从而观察该信号不同频率的分量大小，傅里叶变换公式如下：

其中，ω为频率，f(t)为原信号的时域展开，e为自然常数，i为虚数单位，t为时间序列。

直流分量不包含波动，在频域序列里表现为零频率分量，将A-scan频域数据的零频率分量系数置零，其余频率分量系数不变，再对其进行逆变换得到处理后的A-scan信号，式（2）为傅里叶逆变换公式。

考虑到不同雷达A-scan数据的量度不同，为了简化后续识别算法，优化处理流程，需要将A-scan数据放缩到同一量度上，本研究对每道A-scan数据进行标准化，使其均服从均值为0、标准差为1的正态分布。

1.4 标准化特征增强处理方法

对于图谱进行去直流偏移处理后，其浅层脱空的反射比较显著，较深层病害反射由于衰减其幅值远小于浅层反射的亮度，而且路面结构分界层的反射可能会使该层的病害更不易被观察，因此，需要对病害特征进行增强。对样本进行标准化可以将任意量度的样本转换到同一均值（0）与方差（1），将B-scan横向标准化后，标准化公式如式（3）所示。

式中，Xi为标准化前各采样值，μ为样本均值，σ为样本标准差，Yi为标准化后数据。

令Xi作为B-scan中同一行数据的采样值，样本均值置0后将去除各层背景，方差置1后使不同深度层的采样值具有可比性。当采样深度过深，超出天线穿透深度，深层由于信噪比过低不具备参考性，后续处理可仅保留信噪比足够大的采样深度进行识别。

2 试验结果分析

2.1 A-scan去直流偏移

以工程试验数据中某道A-scan为例，对其进行上述处理，如图1所示，实线为原始数据，点划线为处理后数据，此时得到的A-scan直流偏移量已去除，且不改变波形及量度。

图1 FFT去直流偏移

对傅里叶变换去直流偏移后的数据进行标准化后，如图2所示，数据自动缩放到合适的量度。

图2 标准化后数据

2.2 B-scan去直流偏移

将该处理应用于B-scan图谱，如图3所示，原始数据由于存在正向直流偏移，在灰度图上整体偏白，去直流偏移后图谱显示更清楚。

图3 B-scan去直流偏移处理

根据式（3）及图2、图3可以得出，对于不同功率或频率的天线采集到的A-scan数据，尽管其原始数据量度差异一般很大，甚至可达几个数量级，但标准化后的数据允许不同天线及环境下测量的结果具有相同的量度，且不改变灰度图的表现形式，这对后续处理及识别有积极意义。

2.3 脱空病害的特征增强

对经之前去直流偏移处理后的图谱去除地面层后进行标准化特征增强处理，并将标准化处理结果与ReflexW软件常规流程处理结果作对比，如图4所示，明显脱空位置已由虚线框标记。

图4 处理最终结果对比

对比图谱可以发现，两者处理结果十分接近，地表层及路面下方结构层的横向反射都被消除了，突出了脱空的反射信号，深层的病害信号也具备了和浅层相同的亮度。在第400道及第700道附近的100～200采样点数据，ReflexW处理结果局部发白，效果较差；采用标准化处理的数据更清晰，异常回波更突出。

3 结论

1）针对现有GPR信号处理流程烦琐的问题，提出了一种标准化的路面病害特征增强算法，并以路面脱空信号特征为例进行分析。结果表明：该处理方法与常规后处理方法结果一致，可替代原来的多种数据处理流程，并简化了处理步骤，减少了人工投入。

2）将采样值标准化使其服从标准正态分布，可将任一种雷达数据转换到一个统一的量度，为后续通用路面病害识别方法提供数据来源。