浅析地质雷达目标的电磁散射机理与信号处理新方法

周丽军

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

地质雷达是向地下空间发射电磁波，利用地下不同介质的电磁特性，如介电常数、电导率、磁导率等之间的介电差异对接收回波进行处理，提取地下介质分布情况的一种射频电磁技术[1]。目前，地质雷达已广泛应用于地质工程探测、冰川探测、环境保护、考古探测、灾害救援、水文水利等，推动了地质雷达在地球物理勘探和地质工程勘探领域的快速发展，同时又在学术界和工业界引发了新兴的交叉学科的研究[2]。然而，地质结构与地质材料的多样性，病害目标几何结构与电磁特性的复杂性，均向地质雷达提出了新的挑战，使得地质雷达技术还处于不断完善之中。

已有很多文章论及地质雷达的工作原理及基本系统构成，也有很多文章涉及地质雷达对不同病害目标探测的正演模拟，限于篇幅，本文不再赘述。本文重点将放在最近几年兴起的电磁散射机理与信号处理方法上。我们将讨论电磁波对交通土建中病害目标的电磁散射机理与模型，为检测与评估提供理论支撑。同时还将讨论几种新兴的信号分析与处理方法，以提高对地质雷达数据的解译能力。

1 极化机理与极化成像

接收天线获取的测量信号的极化是发射天线极化与隐藏目标散射特性的函数。因此极化收发天线能获取隐藏目标体的大小、形状、方位及介电特性。尤其是对于线状目标体，如钢筋、水管、裂缝等，其后向散射场有很强的去极化效应，并且依赖于目标体相对于天线的方位、目标体介电特性，及半径大小[3]。这些依赖于散射特性的极化对目标检测有很重要的应用。当用线性极化的偶极子天线时，若天线长轴与线状目标体长轴平行，金属管和低阻抗的介质管能获得很好的成像效果。对高阻抗的介质管道，当天线长轴与线状目标体长轴正交，才能得到更好的成像结果。对于既有电导率，又有介电常数的目标，以45°交叉极化放置能得到较好的成像效果。根据此特点，利用极化获取隐藏目标的形状与属性指日可待。

文献[4]基于正交极化地质雷达数据的相位差探测垂直裂缝，可确定一个断裂碳酸盐含水土层中垂直裂缝的方位和位置。文献[5]研究了冰川的雷达散射体特征和分布，利用正演模型预测雷达对散射体三维分布的响应，利用多极化分量测量冰川内部散射的形状（非球形体），利用多频率数据估计散射体大小。

文献[6]对4种不同材质和填充的物体分别在共极化与交叉极化下分析回波图像，文献[7]利用两种正交极化天线检测多个线状目标，其结果均表明水平极化比垂直极化下能产生更强的回波与谐振，且填充材质介电常数越大，回波越强。通过不同极化下的回波与谐振强度比较，能检测和区分不同材质物体。文献[3]通过极化检测墙内金属结构并用不同 能量值三维显示金属结构的位置。

图1 不同材质线状目标在不同极化下的检测效果

图1给出了水管与钢筋两种材质目标处于不同位置时，分别用水平极化与垂直极化下的雷达天线扫描，这里定义水平极化为电磁场电场方向平行于Y方向，垂直极化为电场方向平行于X方向。在水平极化下，电场方向与钢筋1与水管长轴平行，如图1b所示，钢筋1与水管能被清晰地检测出来，而钢筋2的能量值很低，还需注意的是，金属比水管的能量值高，这是因为金属的介电常数比水大得多。而在垂直极化下，电场方向与钢筋1和水管垂直，与钢筋2平行，因此钢筋2能够被清晰地检测出来，如图1c所示。

2 谐振机理与地质目标内部结构重构技术

对于地下目标，其雷达回波信号的复自然谐振可以分为外部谐振与内部谐振，前者是由目标体外表面爬行波产生，依赖于目标与环境媒质的介电差异[8]，而后者是由目标内部的多次反射波产生，与内部碰撞模式有关，且是独立于外部环境的。外部谐振通常与E脉冲、极点等方法相结合，被广泛应用于目标识别。当地下目标为可穿透的介质体时，电磁波能够在目标体内部传播，并且由于目标形状边界及介电特性的限制，电磁波将在目标体内产生多次反射，形成内部谐振。

内部谐振在现有的地质雷达数据处理与解释中常被当做冗余多次波而被尽可能的消除。然而内部谐振体现了目标的几何属性，此现象被挖掘以后，基于扩展射线理论（ERT）的介电圆柱体电磁散射分析取得了较大进展。根据电磁波在介电目标内的传播过程利用ERT理论构建了基于内部多次反射的散射模型，尤其是给出了几何光学解释的物理意义。如已有学者通过混合波前奇点展开法将早时局部波前散射现象与晚时全局谐振行为联合分析，从物理角度研究瞬态散射问题中的散射事件与机制，解释了不同方位角目标在不同环境下的时频分布中波前与谐振的交互现象。文献[9]分析了电磁波在圆柱体介电目标内的传播路径与目标体宽度的关系，并研究了电磁波在介电圆柱体目标上的传播机制，研究表明电磁波在圆柱体状空洞里更倾向于绕着目标外表面传播，电磁波在透射到充水裂缝中以后会在其内部多次传播，但衰减严重，使得幅值较小。这些研究为地下隐藏病害目标的几何属性估计提供了理论基础。

此外，在探测空洞时其图像解释还与雷达波长有关。若空洞尺寸远大于雷达波长，可以在图像中很好地体现空洞的尺寸和形状；若空洞尺寸远小于雷达波长，则很难区分出独立的空洞；若空洞尺寸与雷达波长相当，可以在图像上产生谐振。因此，将多种探测方法相结合，能得到更全面的病害目标图像解释。

常规的三维成像需要从多角度对目标进行立体扫描，然而地质目标的探测往往只能在地表进行扫描，无法对时间深度剖面进行目标结构扫描。考虑到谐振与目标的几何关系，可以估计目标的深度剖面相关信息，因此只需在地表进行二维扫描，即可获取目标的三维图像。文献[10]利用电磁波在介质体内部传播的一次谐振产生的滞后现象补偿了地下电大尺寸病害的衰弱回波，获得目标在深度方向的内部结构信息，重构了其三维图像，如图2所示。

图2a中地质雷达只能在地表面进行探测，通过在地表面不同位置的扫描，能够得到地质目标在水平面的位置信息，而难以获得其内部结构信息。假设目标介电常数大于所在层的背景介电常数，那么电磁波在目标体内传播的速度小于在背景中的速度，使得电磁波在传播方向产生交界面滞后现象，通过此现象补偿目标后表面弱信号，可以获得目标体后表面位置信息并重构三维图像，如图2b所示。

3 相位分析技术

图2 利用一次谐振的滞后现象获取目标深度信息重构三维图像

从已有文献分析可知，目前绝大多数研究主要针对探测目标媒质的回波幅度及传播时程等特性开展。考虑到电磁波在传播过程中幅值会严重衰减，而相位在传播时间范围内能保持不变[11]。事实上，探地雷达信号的相位可以提供地下目标的更多信息，反射边界位置，媒质的吸收或色散特性都隐藏在信号相位中[12]。如在常见的隧道脱空与地下水的雷达图像中，两种病害的相位差异成为重要的识别依据。

近年来，相位也广泛应用于图像重构[12-14]。文献[13]提出相位信息中信号及图像重构值的重要性，文献[14]提出一种基于相位信息的信号处理方法重构目标位置，基于此思想，文献[12]通过相位剖面的方法重构不同介电常数的多个埋地目标。此外，与探地雷达相关的相位剖面的另一个重要贡献是通过目标与周围环境反射回波的相位差异来刻画埋地目标。相位差为零表明背景中没有目标，相位差越大则表明目标与环境之间的介电差异越大。值得注意的是，非金属目标体的弱回波也能通过相位信息检测出来。文献[10]针对地下电大尺寸介电目标的几何参数估计中遇到的虚像与信号衰弱问题，利用希尔伯特变换获取幅值扫描图像的相位信息，并进一步得到相位差，既突出了背景中的变化情况，又消除了背景信息。

近年来对目标属性的探索已深入到相位角度，特别是对不同目标或目标与周围介质间的差异，利用相移能够很好地区分目标。其主要技术是将雷达接收的响应回波分成两个距离剖面，相应于幅度和相位，计算相移与相位谱。然后将幅度和相位信息组合成联合图像，其中幅度决定像素的强度而相位决定其颜色[15]。此方法不需要大的计算资源开销，在隐藏目标成像的实际应用中极具前景。

图3 3个地下目标（一个塑料管，两个金属管）的幅值扫描图像与其相位联合图像（源自文献[15]）

图3a中的幅值图像仅体现了3个目标的位置信息，并不能进行属性识别，而将图3a中的幅值图像通过转换到频域，分别获取幅度谱与相位谱，利用相位与颜色的对应关系，从图3b中不仅能定位多个目标的位置，还能利用3种颜色表示3种不同介电材质分辨介电属性。

4 总结

本文介绍了近几年新兴的极化、谐振、相位等电磁散射机理与信号处理方法，与传统的定位目标大致范围不同，新的信号处理技术能够精确地获取目标的几何属性与介电属性。极化信息有利于对线状目标进行快捷准确的成像；谐振能有效获取介电目标的时间深度方向内部结构；相位对于突出目标和识别多目标介电属性具有较好的效果。将这些信号处理方法相结合，极大地增强了地质雷达数据解释的能力。