低频振荡信号对地质雷达波形的影响及处理方法研究

2023-11-23杨丹丹

大科技 2023年48期

杨丹丹

（广州市市政工程试验检测有限公司，广东广州 510520）

0 引言

地质雷达因其检测效率高、无损等特点，在道路路基、隧道衬砌方面得到大力推广。然而，受复杂地质条件和工程环境的影响，加之地质雷达解释工作普遍缺乏比对依据，使得病害判别受人为经验影响很大。道路路基多为土基，病害一般以脱空、空洞、不密实为主，较少出现浅部的持续低频振荡信号。而盾构隧道，在下穿深度较大的情况下，往往伴随着高含水、地层信息变化快的特征，因此，在采集数据上会呈现持续的、深度覆盖范围大的低频振荡信号，导致对病害的判别造成很大的困难。目前地质雷达数据处理研究中，已有多种方法：李昂等[1]基于自适应对消的直达波滤除方法，认为其具有运算少、信号失真小、并可实时处理的优点；凌同华等[2]基于HHT 分解出瞬时剖面、瞬时相位、瞬时频率的HHT 分析法，得出其具有自适应时频分解的能力，能很好的定量识别地下病害体；王惠琴等[3]基于双边滤波-BM3D 算法的联合去噪法，认为其能够更好的保持采集频谱中缺陷目标体的缺陷特征完整性；Brunzell[4]基于信号统计特征的卡尔曼滤波法，认为其可以利用统计学特征，有效识别卡尔曼特征病害；王红庭[5]基于曲波变换方向滤波的目标信号增强法，认为其能有效去除注浆检测探地雷达图像中所存在的强烈的钢筋双曲线反射干扰，并增强空洞病害反射信号，提高了雷达图像的解释效率。部分学者通过1：1 模型试验，利用单波分析法对地质雷达较难判别的疑似积水病害进行识别的方法；还有学者利用网络分析仪对地质雷达试验结果进行正演分析的方法，认为不同介电常数对雷达波形识别精确度有较大影响；但针对不同地区的地层条件，并未形成一种统一高效准确的后处理方法，使得波形解释变得非常复杂，对工程指导作用变得非常有限。

1 地质雷达工作原理

地质雷达通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的垂直二维剖面图像。

地质雷达基本参数如下。

1.1 电磁脉冲波旅行时间

式中：z——勘查目标体的埋深；x——发射、接收天线的距离（式中因z>x，故x 可忽略）；v——电磁波在介质中的传播速度。

1.2 电磁波在介质中的传播速度

式中：c——电磁波在真空中传播速度（0.29979m/ns）；εr——介质的相对介电常数；μr——介质的相对磁导率（一般μr≈1）。

1.3 电磁波的反射系数

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关。

式中：r——界面电磁波反射系数；ε1——第一层介质的相对介电常数；ε2——第二层介质的相对介电常数。

1.4 探地雷达记录时间和勘查深度的关系

式中：z——勘查目标体的深度；t——雷达记录时间。

2 地质雷达在道路路基方面的应用

本次以城市某道路为工程实例进行分析。该道路发生不同程度的开裂、不均匀沉降。遂采用中心频率600MHz 天线，设置采样时窗1000ns，采样道间距0.01m，对病害区进行网格状探测，有效探测深度为1.5～2.0m。探测结果显示病害类型分为空洞、脱空、不密实3 类。空洞病害的电磁波反射信号幅值较强，呈典型的孤立体相位特征，为规整或非规整的双曲线波形特征，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，典型空洞病害如图1 所示。脱空病害电磁波反射信号幅值较强，多呈近似水平的带状分布，同相轴不连续，有多次反射信号，图像特征如图2 所示。不密实病害电磁波反射信号幅值较强，同相轴不连续、错断、杂乱，一般呈区域化分布。

图1 典型空洞病害

图2 典型脱空病害

识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容。探地雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号，产生干扰信号的原因很多，干扰波一般都有特殊形状，因此在数据后处理的分析中要加以辨别和确认，剔除掉干扰信号。

本次对道路采集数据的后处理方法采用以下步骤：①静校正，切除直达波。②去直流漂移。③增益，增强下部信号。④去背景干扰，压制噪声，精细化图像。⑤Bandpassbutterworth 带通滤波，增强有效信号，滤除畸变杂波。⑥滑动平均，减少图谱毛刺。⑦距离归一化。经过上述步骤处理，即可达到较为理想的效果，对病害进行判别。

3 地质雷达在盾构隧道中的应用

本次盾构隧道检测工程实例，以某盾构隧道为基础，对其建成后盾构衬砌进行背后空洞探测。隧道内径5.4m，盾构管片厚0.3m。隧道下穿珠江，地下水含量极其丰富，隧道顶与河底净距为13～20m。

数据采集采用中心频率600MHz 的屏蔽天线，设置采样时窗1000ns，采样道间距0.01m，对拱顶及左右拱腰进行连续采样。后处理过程中，发现地质雷达采集数据效果不够理想，除去现场管片及人为因素影响外，盾构隧道下穿富水地层，在深部产生持续低频振荡强反射信号，成为数据处理及病害判别的最大干扰。进行常规处理后，典型低频振荡干扰信号如图3 所示。

由图3 可见，在深部持续出现的低频振荡信号，叠加于中心频率之上，导致高频波振幅被压制，无法准确对深部病害进行判别。通过对原始频谱的分析，可以发现，低频信号（即波峰）主要集中在200MHz 附近。原始低频信号单道频谱频率分布如图4 所示。

图4 原始低频信号单道频谱频率分布

因此，如何有效对低频振荡进行滤除，尤为关键。第一种方案，采用“带阻滤波”方法对其进行滤除，同时兼顾保留有效信号。滤波之后，发现深部1.5m 左右仍然存在一定干扰，且上部有效信号同时被滤除一部分，无法突出连续同相轴或不连续同相轴的显著特征。滤波后雷达灰度图如图5 所示。由此可得，“带阻滤波”方法存在一定缺陷，在部分病害有效信号频率与低频振荡信号频率接近的情况下，会造成有效信息缺失。通过对单道频谱进行分析，可发现信号中心频率已接近正常范围，但频率波峰在低频200MHz 附近仍有凸显。原始高频信号单道频谱频率分布如图6 所示。

图6 原始高频信号单道频谱频率分布

第二种方案，采用“Deconvolution 反褶积”方法，对深部低频振荡信号进行处理，目的是通过Levinson 算法执行消除毛刺和多次信号。参数设置：时程48ns，滤波长度1.67μm，噪声压制80%。处理完成后可发现，在深部虽然仍存在低频高幅波，但在盾构管片结构背后，不密实病害已可进行初步判定。图7 为“Deconvolution反褶积”单道频谱频率分布，与图6 进行比对，可发现中心频率振幅明显增强，但低频振荡幅值压制不够理想。后经现场验证，不密实处管片存在一定渗水泛碱，注浆加固后，渗水现象消失。

图7 “Deconvolution 反褶积”单道频谱频率分布

通过上述两种工程案例对比，可以发现，道路病害处理过程中，无地下水等因素影响的情况下，数据后处理效果较为理想，可通过常规处理步骤进行病害判定，能够达到预期效果。但在盾构隧道等存在严重低频干扰的复杂地层中，则需要特殊处理方法对低频振荡信号进行滤波。通常采用“带阻滤波”与“Deconvolution 反褶积”的方法，但其各有利弊。对于频谱幅值变化速率较小的振荡波，采用“带阻滤波”的方法，则效果更为理想，而持续性的频谱幅值变化速率较大的振荡波，“Deconvolution 反褶积”压制与谐波效果更为突出。