X3M探地雷达在城市管线探测中的应用及数据处理方法

刘海君，黄芒芒

(西安煤航信息产业有限公司管网分公司，陕西西安 710054)

X3M探地雷达在城市管线探测中的应用及数据处理方法

刘海君∗，黄芒芒

(西安煤航信息产业有限公司管网分公司，陕西西安 710054)

在对探地雷达数据的特点进行分析后，得出了探地雷达数据处理的必要性，并结合作者使用的X3M探地雷达的数据处理进行了具体的分析，总结出若干经验，并给出城市管线探测中探地雷达图像处理和分析的方法。

探地雷达；数据处理；滤波增益

1 探地雷达工作特点及数据处理概述

探地雷达的工作可以分为野外数据采集、室内数据处理和资料解释三个阶段，这三个阶段是紧密相关的。只有较高质量的原始数据才能为处理工作提供好的物质基础，如果原始资料很差，那么无论什么先进的处理技术也不可能得出好的时间剖面。从另一个角度看，对于同样的原始资料，所用的处理方法不同，得出的处理结果也可能差别很大。所以可以说，在探地雷达工作中，野外数据采集是基础，处理工作是关键。

之所以要进行数据处理，这跟探地雷达工作的特点有关:

(1)在探地雷达测量中，为了保持更多的反射波特征，通常利用宽频带进行记录，于是在记录各种有效波的同时，也记录了各种干扰波。

(2)理想探地雷达发射脉冲应该是一个尖脉冲，然而由于天线频谱响应的限制，这种发射脉冲实际是一个具有一定时间延续的波形。在雷达记录中，一个界面的反射波一般要延续约 10 ns～20 ns(使用50 MHz～100 MHz天线)，因此相距在0.5 m以内的两个反射界面其到达时间仅差为几ns，难以在雷达反射剖面图像中区分开来。

(3)探地雷达测量的是来自地下介质交界面的反射波。偏离测点的地下介质交界面的反射点只要其法平面通过测点，都可以被记录下来。

(4)探地雷达图像由于干扰及地下介质的复杂性等问题，使得有时难以从图像剖面识别地下介质的分布。

(5)在探地雷达测量中，天线的耦合波以及探测表面直接反射波由于其具有很高的能量，对目标回波信号的提取有较强的干扰；对浅层目标，目标可能淹没于直达波之中，无法进行目标的后处理和目标分类。

(6)探地雷达发射的脉冲在地下传播过程中，能量均会产生球面衰减，也会由于介质对波的能量的吸收而减弱。

针对这些特点，为了压制随机和规则的干扰，以最大可能的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用的参数(包括电磁波速度，振幅和波形)来帮助解释，需要对探地雷达数据进行处理。这些处理主要包括两种:滤波和增益。其中滤波又包括数字滤波(频率带通滤波)，反滤波，水平滤波(抽取平均道滤波)，平均滤波等；增益又包括自动增益，线性增益和时变增益等。

2 X3M雷达数据处理方法

在城市管线探测过程中，管线探测仪受其工作原理的限制存在探测工作盲区:非金属管线如水泥、塑料与陶瓷等材质管线；传导电信号弱的金属管线(如橡胶垫接口的铸铁管、球墨铸铁管等)和探测信号难以区分的并行与交叉金属管线等。

探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)技术是利用高频电磁脉冲波的反射探测地下目的体分布形态及特征的一种技术，探地雷达应用的物性前提是目标管线体与周围介质的介电常数和电磁波波速存在明显差异。而地下铺设的管线与周围介质的介电常数遇电磁波速存在明显的差异，因此探地雷达已经成为管线普查专业队伍的必备的仪器设备。

笔者单位使用的是瑞典MALA公司的X3M探地雷达，X3M探地雷达的数据采集软件是GroundVision (GV)，同时也是数据处理及分析软件。GV处理雷达数据的方式，主要是对采集到的雷达图像进行滤波和增益处理，去除各种干扰信号，并加强目标体反射信号，提高雷达图像的分辨率，为探地雷达数据的解释提供很好的依据。在GV中提供的滤波和增益主要有7种，分别为AGC自动增益、背景去除滤波、频率带通滤波、DC滤波、平均滤波、去除平均道滤波、时间增益；如图1所示。

图1 滤波和增益的种类

如何设置这些滤波的参数，并按照合理的顺序应用到图像处理中，是GV处理雷达图像的关键。

(1)滤波增益的参数设置方法如下:

①AGC自动增益，时窗长度一般选择为总样点数的1/8。

②背景去除滤波，通常只应用于长剖面，根据情况可以选择3种不同的强度。

③频率带通滤波，控制单元会根据天线频率自动设置。

④DC滤波是从数据中去掉DC漂移，主要是对深部的1/3样点进行处理，开始样点一般选用总样点数的2/3。

⑤平均滤波是对图像做平滑处理，窗口越大，效果越明显，一般选择3 cm×3 cm。

⑥抽取平均道滤波又叫水平滤波，滤波参数的设置一般取其默认设置，即选择移动道平均，用于平均的道数选择为60。

⑦TVG时变增益通过调节开始的样点可以选择要进行放大的信号段，通过调节线性增益和指数增益值的大小可以选择增益的效果，因为增益值会随波形发生改变，所以通常使用自动设置。

(2)通过分析各种滤波的数学原理，笔者总结出图2中的滤波和增益顺序能得出初步的图像处理结果。

首先进行的是频率带通滤波，它是除去探地雷达测量时记录的有效波之外的干扰信号，因为后续的滤波和增益都会对数据进行道间或者道内的均衡，所以之前必须去掉干扰信号，否则会影响数据的准确性；其次是AGC自动增益，这个增益是一种分段(8段)增益，在指定的分段时窗内求取等效平均振幅来对各道进行归一化增益，主要是对深部信号起到放大的作用，因为在某些情况下需要加以区分的目的体与周围介质的电性差异不大，或者地层不均一所引起的回波幅度较大，使得目的体与非目的体的回波幅度差异减小，这时候需要增强目的体的信息；然后是除去平均道滤波，这个滤波是从各道中去掉平均道的数据，除去水平或近似水平的数据，主要是为了除去直达波，因为这些数据信号非常强，常常掩盖了一些浅层较弱的目标反射信号(AGC自动增益之所以要放在水平滤波之前是因为AGC自动增益是在深度方向上也就是每一道上进行平均，而水平滤波也是在深度方向上进行道间的均衡并去掉平均道的数据，如果AGC自动增益放在水平滤波之后会使水平滤波的效果在一定程度上被抵消)；最后是平均滤波，平均滤波主要是通过对数据平均处理降低数据的随机噪声，从图像上来说平均滤波是用选定窗口的所有样点的平均值来代替图像中的每一点，作用是对图像做平滑处理。

图2 滤波和增益设置的顺序与方法

此外列表中的另外三个未添加的滤波增益分别为DC滤波、背景去除滤波及TVG时变增益，它们的作用分别是去除DC漂移和水平滤波及深部信号加强。DC滤波在实践中应用效果不明显，而后两个则是因为与前面所提到的四个滤波增益有相同的作用，只是在效果方面有所不同，在实际应用中较少用到，如背景去除滤波只在长剖面时才应用。

3 图像处理实例分析与验证

3.1 实例一 煤航西院实验图像处理

(1)图像颜色调节

雷达图像有两种显示方式——黑白显示和彩色显示，如图3所示。

图3 雷达图像的显示方式(黑白:左，彩色:右)

黑白显示的波形对比度好，易于识别波形。彩色显示可设置不同振幅(反射波强度)的显示颜色，利于区分。在室外采集数据时，应将显示方式设置为彩色显示，因为笔记本是液晶显示器，在室外显示效果差，用彩色显示看得更清楚。而在数据处理时，则分别使用黑白显示和彩色显示，得到不同效果的图像。

(2)图像处理后效果

按照上述的方法将原始采集的图像处理，把经过处理之后的雷达图像与采集的原始图像进行对比可以发现，经过处理之后的雷达图像中目标体(即管道)的位置更明显，并且也多了很多在原始图像中无法看到的地下物体。而且经过刻度的修正处理之后，目标体的位置也更真实。这些都说明了上述总结的处理方法得当强大，效果相当明显。

图4 雷达图像处理后的效果

在进行雷达探测之后，我们把所得的结果与已有的管线资料进行对照发现雷达所得的结果非常准确且直观。这说明在配备了适当的天线之后，使用雷达进行管线的探测，有很明显的效果，既能探测金属管线，也能探测到管线仪基本无信号的非金属管线。

3.2 实例二 生产项目中图像及解释

如图5，作者在宁波市鄞州区管线普查过程中某一疑难点图像处理的实例。从中可以看出滤波增益的明显效果。

图5 滤波增益调整前后图像对比

剖面位于唐家漕，图中位置4.2 m，深度0.85 m，存在明显双曲线异常，与资料核对应为 φ150 mm给水砼管。根据上图中管线异常的位置，利用地质雷达测距轮回拉定位，找到图像中异常对应的实际位置，就可以很清楚地判断出管线的位置，并在相距10 m、20 m、30 m处再实测几个剖面，可以确定管线走向和深度，与前期调查情况相符，解决了该疑难点的管线走向与深度无法求证的疑难问题。

[1]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社，1994

[2]粟毅，黄春琳，雷文太.探地雷达理论与应用[M].北京:科学出版社，2006

[3]熊章强，方根显.浅层地震勘探[M].北京:地震出版社，2002

The Application and Data Processing Manner of X3M in City Pipeline Detection

Liu HaiJun，Huang MangMang
(Underground Pipeline Branch Company of Xi’an Meihang Information Industry Co.，Ltd.Xi’an 710054，China)

The paper describes the necessity of data processing for Ground Penetrating Radar by analyzing it’s data features.The authors analyze data processing manner of X3M Ground Penetrating Radar，summed up some experience，and present images processing and analysis manner of Ground Penetrating Rader in the city underground pipeline detection.

Ground Penetrating Radar；Data processing；Filtering gain

1672－8262(2010)05－152－03

P631

B

2010—07—27

刘海君(1976—)，男，工程师，从事管网勘查项目的生产和技术管理工作。