脉冲体制探地雷达工程应用中干扰源分析及抑制措施探讨

王国永 章燕卿 梁侃 李尚宇 俞越申

绍兴电力局 浙江 312000

0 前言

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一种利用高频(中心频率为106～109Hz)脉冲电磁波在不破坏地表结构的情况下快速探测地下介质层空间分布以及特殊介质(如管道、电缆、裂缝、空洞等)空间位置的地球物理探测方法。

由于探地雷达具有无损、快速、连续、高精度、实时探测成像等特点，使得探地雷达技术在工程勘察领域中的应用取得了长足发展，已成为当前国际上最先进的地球物理勘探手段之一。然而探地雷达技术本身也存在固有的缺点，就是对多种噪声干扰极其敏感，抗干扰能力差，在遇到山体、架空线路、电视广播信号塔、通讯基站、地形等干扰源时, 数据剖面容易产生干扰, 影响数据处理和解释，甚至是数据完全失效。同时，探地雷达对目标的判断是高度维象的，其最佳效能的发挥与使用者的操作方法、判读经验和先验知识有密切关系。

本文结合作者多年使用探地雷达进行地下管网探测的工作实践，总结了工程实际探测中可能的干扰源及其信号特点，从探测方法和数据判读两方面提出了一些避免或减小干扰，提高探测准确性的措施。论文工作对工程应用中如何克服干扰因素采集到信噪比较高的信号、如何判读干扰信号、消除或压制干扰信号具有一定的指导意义。

1 探地雷达的工作原理及工程应用中存在的问题

探地雷达工作原理和过程如图1所示，发射机通过发射天线发射高频脉冲电磁波到被探测地表面，电磁波在穿越地下介质过程中，遇到不连续的介质(如金属管线)时会发生电磁波的反射，并被接收天线接受，通过对接收机接手的回波信号的分析和处理，来确定不连续的介质的位置、走向和几何尺寸等信息。但在探地雷达的实际应用中，雷达接收到的信号是十分复杂的多种信号的耦合，主要包括三部分：(1)来自于收发天线之间的直接耦合波和来自于地表面的反射波，二者合称为直达波；(2)地下被测量目标产生的回波信号；(3)来自诸如调频广播、电视和通信系统等电磁信号的射频干扰(RFI)。直达波和射频干扰信号在时间上和频率上有较强的非平稳性和随机性，它们与探地雷达回波信号重叠，一方面在时域“淹没”了地下目标的回波信号，另一方面在频域“畸化”了目标回波的频谱结构，这些影响给目标的检测、识别和成像带来困难。直达波和RFI的抑制是探地雷达工程应用中的重要一环。

图1 GPR的工作原理和过程示意图

自从探地雷达技术获得工程应用以来，其干扰抑制问题一直是国内外有关研究人员关注的焦点，也相继在硬件和信号好处理方面提出了许多卓有成效的方法。这些手段极大提高了探地雷达的适应性，但它们的应用也有局限性，针对一些特定情况才比较有效。目前还没有一种普适的方法可以解决探地雷达技术所面临的干扰问题。

2 常见干扰来源及其特点分析

探地雷达勘察中的干扰与噪声并非全部能够通过普适的数据处理方法进行消除，通常需要对干扰噪声进行识别、判定，然后再采取相应的滤波或其他数据出来方法来进行消除或压制，从而凸显有效数据, 这是探地雷达数据解释的关键, 直接影响到探地雷达的有效性。为了准确可靠的识别和判定噪声，首先需要对可能的噪声来源及其特点有清晰的认识。对于地下管线探测这一工程应用，可能的干扰源有以下几个方面：

2.1 周围的地形、建筑物和其他设备等引起的干扰

地形、地貌影响主要是在测线附近的陡坎、悬崖等地物反射回来的电磁波，表现为在雷达时间剖面上出现能量较强的倾斜同相轴(直线型干扰)，同相轴的倾斜程度与测线和地物的交角有关，交角越大，同相轴越倾斜。在城市区域进行工程勘察时, 场地周边的建筑也可能形成一个反射面, 将发射天线发射出的电磁波反射回来形成干扰, 干扰性质与地形影响相似。

另外一类来自周围其他物体的干扰，特别是在野外工作时，所使用的一些设备装备，如车辆、工程机械、仪器主机、便携机、电池、皮尺(金属或涂料布质)、箱体等，如果这些用具放置在测线附近，就会反射雷达天线发射的电磁波并被接受天线接收和记录。

2.2 高空输电线引起的干扰

随着经济的发展，电网覆盖的范围越来越大，在进行工程勘察时,除了关注勘察场地周边地形和建筑可能形成的干扰外，还要注意来自空中的干扰。如,测线在输变电线下通过时、在变压器附近通过时、在电视台、机场附近工作时, 都要注意其产生的干扰和噪声影响。因为来自空中的干扰异常形态有时会和地下大口径管道的异常形态十分相似。这类干扰中，最典型的就是空中输电线引起的干扰。

2.3 手机等通讯设备引起的干扰

由于手机的普及，在探测时手机时常带在身边，但是手机对探测效果会产生很严重的干扰。由于雷达接收的是带宽很宽的时间域不同的增益的电磁波信号，手机开启或通讯时发出的电磁波不可避免的也会被雷达接收天线所捕获。这种干扰在靠近蜂窝式电话发射塔式时会更加严重，往往会造成测量数据无用二而是探测失效。同样，广播、电视信号塔也会对探地雷达信号产生类似的影响。

2.4 其他杂波干扰

除了上面提到的几种来自地面或空中的干扰噪声外，探地雷达工作中还受到来自天线直接耦合、地表和地下地层介质吸收及散射等信号影响。另外如果在探测区域周边存在水渠、地下防空洞等大型工程，由于破坏了地质的连续也有可能会引起反射波同相轴的异常变化。

3 抑制干扰的工程措施

由于探地雷达工程应用中极易遭受各种杂波干扰，因此噪声压制或去除是探地雷达工程应用的关键技术。在实际应用中因地制宜，采取简便实用的工程措施来抑制和判别干扰，对工程实践具有更见重要的现实意义。

3.1 合理正确使用雷达，充分发挥其自身的抗干扰潜能

为了充分发挥雷达自身的潜能，需要使用者认真阅读雷达使用手册或操作说明，明确不同模式的使用场合和使用方法。不同厂家不同型号的探地雷达产品在抑制干扰方面各有特色，但基本原理和组成如图2所示。

图2 一般探地雷达的抗干扰系统组成

所谓雷达的合理使用就是指合理配置上述参数或功能模块。

另一方面与雷达配套使用的往往还有相对独立的信号发射机，它施加信号一般有直联法(两个夹子直接与被探测管线和接地杆连接)、感应夹钳法(通过夹钳套住被探测管线，没有金属与金属的直接连接)和线圈感应法(把信号发射机直接放在被探测管线的正上方，通过内部感应线圈施加信号到被探测管线上)三种方式。如果条件允许，尽量选用直联法和感应夹钳法。

使用信号发射机时另外一点要注意的是两个夹子的连线也可能起到天线的作用，如果探测位置距离发射机非常近，应尽可能使夹子的两个连线变短，这样会减少干扰信号的干扰。

3.2 选择科学合理的测试参数

为获得好的雷达探测图像, 测量前应选择适当的测量参数, 包括天线频率、记录时窗、采样间隔、测点间距、天线间距以及天线方向的取向等。

3.3 预估可能的干扰源并优化测线及测法

前文已经分析了可能的干扰来源及其特点，在进行探测之前，应仔细勘察测试场地及周围环境，预估可能的干扰源，对于可以避免的应尽量避免，如关闭移动电话等无线通讯设备、清理场地上的干扰物、平整地形、选用屏蔽天线和屏蔽电缆、避免使用含有铁磁的皮尺、测试附件远离测线至少5m等。同时，要根据具体的环境条件优化测线布置，如测线应尽可能避开高压线，在无法避开的情况下，应尽可能垂直高压线走向; 主测线要沿地层走向布置，这样，地下反射界面的雷达反射波同相轴近水平，在消除其他倾斜类干扰时，不损失目的层反射波的能量，且保证了有效反射层的识别。

3.4 采用合适的数据处理方法解析探地雷达测试数据

通过对干扰噪声的特点的认识，进一步利用探地雷达软件自带的数字信号处理模块对探地雷达的测试数据进行预处理，然后再进行解析。如对于通讯基站、广播、电视信号塔等这类射频信号干扰，可以在频率域上检验出或估算出中心频率和带宽，设计相应的频域陷波器，在频域中虑除干扰频率，而后对滤波结果进行傅氏变换去除这类干扰。

3.5 利用速度差异进行伪目标识别

对于采用上述措施仍然无法避免或消除的干扰噪声，可能会在探地雷达图像中产生虚假的伪目标，这时可以利用电磁波在空气中和地下介质中传播有较大速度差异这一特点,通过对速度参数加以分析, 判定出异常的真实速度, 进一步鉴别属于真正地下反射体信号还是地表绕射信号, 从而识别出伪目标。

4 总结

本文从探地雷达工作原理入手，针对工程应用探地雷达信号易受多种噪声干扰的缺陷，结合多年的工程实践体会，分析了包括地形地貌、建筑物、架空线路、测试辅助设备、手机、电视广播信号塔、通讯基站等可能的干扰源及干扰方式和噪声信号的特点，从探测方法和数据判读两方面提出了一些避免或减小干扰，提高探测准确性的措施。论文工作对工程应用中如何克服干扰因素采集到信噪比较高的信号、如何判读干扰信号、消除或压制干扰信号具有一定的指导意义。

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