脈沖體制探地雷達(dá)工程應(yīng)用中干擾源分析及抑制措施探討

王國(guó)永 章燕卿 梁侃 李尚宇 俞越申

紹興電力局 浙江 312000

0 前言

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR)是一種利用高頻(中心頻率為106～109Hz)脈沖電磁波在不破壞地表結(jié)構(gòu)的情況下快速探測(cè)地下介質(zhì)層空間分布以及特殊介質(zhì)(如管道、電纜、裂縫、空洞等)空間位置的地球物理探測(cè)方法。

由于探地雷達(dá)具有無(wú)損、快速、連續(xù)、高精度、實(shí)時(shí)探測(cè)成像等特點(diǎn)，使得探地雷達(dá)技術(shù)在工程勘察領(lǐng)域中的應(yīng)用取得了長(zhǎng)足發(fā)展，已成為當(dāng)前國(guó)際上最先進(jìn)的地球物理勘探手段之一。然而探地雷達(dá)技術(shù)本身也存在固有的缺點(diǎn)，就是對(duì)多種噪聲干擾極其敏感，抗干擾能力差，在遇到山體、架空線路、電視廣播信號(hào)塔、通訊基站、地形等干擾源時(shí), 數(shù)據(jù)剖面容易產(chǎn)生干擾, 影響數(shù)據(jù)處理和解釋，甚至是數(shù)據(jù)完全失效。同時(shí)，探地雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的判斷是高度維象的，其最佳效能的發(fā)揮與使用者的操作方法、判讀經(jīng)驗(yàn)和先驗(yàn)知識(shí)有密切關(guān)系。

本文結(jié)合作者多年使用探地雷達(dá)進(jìn)行地下管網(wǎng)探測(cè)的工作實(shí)踐，總結(jié)了工程實(shí)際探測(cè)中可能的干擾源及其信號(hào)特點(diǎn)，從探測(cè)方法和數(shù)據(jù)判讀兩方面提出了一些避免或減小干擾，提高探測(cè)準(zhǔn)確性的措施。論文工作對(duì)工程應(yīng)用中如何克服干擾因素采集到信噪比較高的信號(hào)、如何判讀干擾信號(hào)、消除或壓制干擾信號(hào)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 探地雷達(dá)的工作原理及工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題

探地雷達(dá)工作原理和過(guò)程如圖1所示，發(fā)射機(jī)通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射高頻脈沖電磁波到被探測(cè)地表面，電磁波在穿越地下介質(zhì)過(guò)程中，遇到不連續(xù)的介質(zhì)(如金屬管線)時(shí)會(huì)發(fā)生電磁波的反射，并被接收天線接受，通過(guò)對(duì)接收機(jī)接手的回波信號(hào)的分析和處理，來(lái)確定不連續(xù)的介質(zhì)的位置、走向和幾何尺寸等信息。但在探地雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)接收到的信號(hào)是十分復(fù)雜的多種信號(hào)的耦合，主要包括三部分：(1)來(lái)自于收發(fā)天線之間的直接耦合波和來(lái)自于地表面的反射波，二者合稱為直達(dá)波；(2)地下被測(cè)量目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號(hào)；(3)來(lái)自諸如調(diào)頻廣播、電視和通信系統(tǒng)等電磁信號(hào)的射頻干擾(RFI)。直達(dá)波和射頻干擾信號(hào)在時(shí)間上和頻率上有較強(qiáng)的非平穩(wěn)性和隨機(jī)性，它們與探地雷達(dá)回波信號(hào)重疊，一方面在時(shí)域“淹沒(méi)”了地下目標(biāo)的回波信號(hào)，另一方面在頻域“畸化”了目標(biāo)回波的頻譜結(jié)構(gòu)，這些影響給目標(biāo)的檢測(cè)、識(shí)別和成像帶來(lái)困難。直達(dá)波和RFI的抑制是探地雷達(dá)工程應(yīng)用中的重要一環(huán)。

圖1 GPR的工作原理和過(guò)程示意圖

自從探地雷達(dá)技術(shù)獲得工程應(yīng)用以來(lái)，其干擾抑制問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)，也相繼在硬件和信號(hào)好處理方面提出了許多卓有成效的方法。這些手段極大提高了探地雷達(dá)的適應(yīng)性，但它們的應(yīng)用也有局限性，針對(duì)一些特定情況才比較有效。目前還沒(méi)有一種普適的方法可以解決探地雷達(dá)技術(shù)所面臨的干擾問(wèn)題。

2 常見干擾來(lái)源及其特點(diǎn)分析

探地雷達(dá)勘察中的干擾與噪聲并非全部能夠通過(guò)普適的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行消除，通常需要對(duì)干擾噪聲進(jìn)行識(shí)別、判定，然后再采取相應(yīng)的濾波或其他數(shù)據(jù)出來(lái)方法來(lái)進(jìn)行消除或壓制，從而凸顯有效數(shù)據(jù), 這是探地雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋的關(guān)鍵, 直接影響到探地雷達(dá)的有效性。為了準(zhǔn)確可靠的識(shí)別和判定噪聲，首先需要對(duì)可能的噪聲來(lái)源及其特點(diǎn)有清晰的認(rèn)識(shí)。對(duì)于地下管線探測(cè)這一工程應(yīng)用，可能的干擾源有以下幾個(gè)方面：

2.1 周圍的地形、建筑物和其他設(shè)備等引起的干擾

地形、地貌影響主要是在測(cè)線附近的陡坎、懸崖等地物反射回來(lái)的電磁波，表現(xiàn)為在雷達(dá)時(shí)間剖面上出現(xiàn)能量較強(qiáng)的傾斜同相軸(直線型干擾)，同相軸的傾斜程度與測(cè)線和地物的交角有關(guān)，交角越大，同相軸越傾斜。在城市區(qū)域進(jìn)行工程勘察時(shí), 場(chǎng)地周邊的建筑也可能形成一個(gè)反射面, 將發(fā)射天線發(fā)射出的電磁波反射回來(lái)形成干擾, 干擾性質(zhì)與地形影響相似。

另外一類來(lái)自周圍其他物體的干擾，特別是在野外工作時(shí)，所使用的一些設(shè)備裝備，如車輛、工程機(jī)械、儀器主機(jī)、便攜機(jī)、電池、皮尺(金屬或涂料布質(zhì))、箱體等，如果這些用具放置在測(cè)線附近，就會(huì)反射雷達(dá)天線發(fā)射的電磁波并被接受天線接收和記錄。

2.2 高空輸電線引起的干擾

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)覆蓋的范圍越來(lái)越大，在進(jìn)行工程勘察時(shí),除了關(guān)注勘察場(chǎng)地周邊地形和建筑可能形成的干擾外，還要注意來(lái)自空中的干擾。如,測(cè)線在輸變電線下通過(guò)時(shí)、在變壓器附近通過(guò)時(shí)、在電視臺(tái)、機(jī)場(chǎng)附近工作時(shí), 都要注意其產(chǎn)生的干擾和噪聲影響。因?yàn)閬?lái)自空中的干擾異常形態(tài)有時(shí)會(huì)和地下大口徑管道的異常形態(tài)十分相似。這類干擾中，最典型的就是空中輸電線引起的干擾。

2.3 手機(jī)等通訊設(shè)備引起的干擾

由于手機(jī)的普及，在探測(cè)時(shí)手機(jī)時(shí)常帶在身邊，但是手機(jī)對(duì)探測(cè)效果會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的干擾。由于雷達(dá)接收的是帶寬很寬的時(shí)間域不同的增益的電磁波信號(hào)，手機(jī)開啟或通訊時(shí)發(fā)出的電磁波不可避免的也會(huì)被雷達(dá)接收天線所捕獲。這種干擾在靠近蜂窩式電話發(fā)射塔式時(shí)會(huì)更加嚴(yán)重，往往會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)用二而是探測(cè)失效。同樣，廣播、電視信號(hào)塔也會(huì)對(duì)探地雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生類似的影響。

2.4 其他雜波干擾

除了上面提到的幾種來(lái)自地面或空中的干擾噪聲外，探地雷達(dá)工作中還受到來(lái)自天線直接耦合、地表和地下地層介質(zhì)吸收及散射等信號(hào)影響。另外如果在探測(cè)區(qū)域周邊存在水渠、地下防空洞等大型工程，由于破壞了地質(zhì)的連續(xù)也有可能會(huì)引起反射波同相軸的異常變化。

3 抑制干擾的工程措施

由于探地雷達(dá)工程應(yīng)用中極易遭受各種雜波干擾，因此噪聲壓制或去除是探地雷達(dá)工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中因地制宜，采取簡(jiǎn)便實(shí)用的工程措施來(lái)抑制和判別干擾，對(duì)工程實(shí)踐具有更見重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.1 合理正確使用雷達(dá)，充分發(fā)揮其自身的抗干擾潛能

為了充分發(fā)揮雷達(dá)自身的潛能，需要使用者認(rèn)真閱讀雷達(dá)使用手冊(cè)或操作說(shuō)明，明確不同模式的使用場(chǎng)合和使用方法。不同廠家不同型號(hào)的探地雷達(dá)產(chǎn)品在抑制干擾方面各有特色，但基本原理和組成如圖2所示。

圖2 一般探地雷達(dá)的抗干擾系統(tǒng)組成

所謂雷達(dá)的合理使用就是指合理配置上述參數(shù)或功能模塊。

另一方面與雷達(dá)配套使用的往往還有相對(duì)獨(dú)立的信號(hào)發(fā)射機(jī)，它施加信號(hào)一般有直聯(lián)法(兩個(gè)夾子直接與被探測(cè)管線和接地桿連接)、感應(yīng)夾鉗法(通過(guò)夾鉗套住被探測(cè)管線，沒(méi)有金屬與金屬的直接連接)和線圈感應(yīng)法(把信號(hào)發(fā)射機(jī)直接放在被探測(cè)管線的正上方，通過(guò)內(nèi)部感應(yīng)線圈施加信號(hào)到被探測(cè)管線上)三種方式。如果條件允許，盡量選用直聯(lián)法和感應(yīng)夾鉗法。

使用信號(hào)發(fā)射機(jī)時(shí)另外一點(diǎn)要注意的是兩個(gè)夾子的連線也可能起到天線的作用，如果探測(cè)位置距離發(fā)射機(jī)非常近，應(yīng)盡可能使夾子的兩個(gè)連線變短，這樣會(huì)減少干擾信號(hào)的干擾。

3.2 選擇科學(xué)合理的測(cè)試參數(shù)

為獲得好的雷達(dá)探測(cè)圖像, 測(cè)量前應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量參數(shù), 包括天線頻率、記錄時(shí)窗、采樣間隔、測(cè)點(diǎn)間距、天線間距以及天線方向的取向等。

3.3 預(yù)估可能的干擾源并優(yōu)化測(cè)線及測(cè)法

前文已經(jīng)分析了可能的干擾來(lái)源及其特點(diǎn)，在進(jìn)行探測(cè)之前，應(yīng)仔細(xì)勘察測(cè)試場(chǎng)地及周圍環(huán)境，預(yù)估可能的干擾源，對(duì)于可以避免的應(yīng)盡量避免，如關(guān)閉移動(dòng)電話等無(wú)線通訊設(shè)備、清理場(chǎng)地上的干擾物、平整地形、選用屏蔽天線和屏蔽電纜、避免使用含有鐵磁的皮尺、測(cè)試附件遠(yuǎn)離測(cè)線至少5m等。同時(shí)，要根據(jù)具體的環(huán)境條件優(yōu)化測(cè)線布置，如測(cè)線應(yīng)盡可能避開高壓線，在無(wú)法避開的情況下，應(yīng)盡可能垂直高壓線走向; 主測(cè)線要沿地層走向布置，這樣，地下反射界面的雷達(dá)反射波同相軸近水平，在消除其他傾斜類干擾時(shí)，不損失目的層反射波的能量，且保證了有效反射層的識(shí)別。

3.4 采用合適的數(shù)據(jù)處理方法解析探地雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)干擾噪聲的特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步利用探地雷達(dá)軟件自帶的數(shù)字信號(hào)處理模塊對(duì)探地雷達(dá)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后再進(jìn)行解析。如對(duì)于通訊基站、廣播、電視信號(hào)塔等這類射頻信號(hào)干擾，可以在頻率域上檢驗(yàn)出或估算出中心頻率和帶寬，設(shè)計(jì)相應(yīng)的頻域陷波器，在頻域中慮除干擾頻率，而后對(duì)濾波結(jié)果進(jìn)行傅氏變換去除這類干擾。

3.5 利用速度差異進(jìn)行偽目標(biāo)識(shí)別

對(duì)于采用上述措施仍然無(wú)法避免或消除的干擾噪聲，可能會(huì)在探地雷達(dá)圖像中產(chǎn)生虛假的偽目標(biāo)，這時(shí)可以利用電磁波在空氣中和地下介質(zhì)中傳播有較大速度差異這一特點(diǎn),通過(guò)對(duì)速度參數(shù)加以分析, 判定出異常的真實(shí)速度, 進(jìn)一步鑒別屬于真正地下反射體信號(hào)還是地表繞射信號(hào), 從而識(shí)別出偽目標(biāo)。

4 總結(jié)

本文從探地雷達(dá)工作原理入手，針對(duì)工程應(yīng)用探地雷達(dá)信號(hào)易受多種噪聲干擾的缺陷，結(jié)合多年的工程實(shí)踐體會(huì)，分析了包括地形地貌、建筑物、架空線路、測(cè)試輔助設(shè)備、手機(jī)、電視廣播信號(hào)塔、通訊基站等可能的干擾源及干擾方式和噪聲信號(hào)的特點(diǎn)，從探測(cè)方法和數(shù)據(jù)判讀兩方面提出了一些避免或減小干擾，提高探測(cè)準(zhǔn)確性的措施。論文工作對(duì)工程應(yīng)用中如何克服干擾因素采集到信噪比較高的信號(hào)、如何判讀干擾信號(hào)、消除或壓制干擾信號(hào)具有一定的指導(dǎo)意義。

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