淺談地質雷達資料的去噪處理方法

鄭漢欽

（陽光學院， 福建 福州 350015）

0 引言

地質雷達又稱探地雷達，是近幾十年發展起來的一種探測地下目標的有效手段，是一種無損探測技術，與其它常規的地下探測方法相比，具有探測速度快、探測過程連續、分辨率高、操作方便靈活、探測費用低等優點，在工程勘察領域的應用日益廣泛。但是，地質雷達具有易受干擾、信號衰減快的不利特點。

1 地質雷達探測的基本原理

地質雷達是一種用于確定地下介質分布特征的高頻電磁技術。利用地下介質的電性差異，探地雷達通過一個天線發射高頻脈沖電磁波，另一個天線接收地下介質反射的電磁回波，由這些反射回波組成地質雷達的剖面圖像。通過對采集到的雷達原始資料信號進行處理、分析以及解譯，可確定目標體（比如洞穴、埋藏物、管線和地層等）的埋藏分布特征。根據式1，將接收到反射波的時間t 和波在介質中的的傳播速度v 代入，即可計算所要探測目標體的埋藏深度[1]，如下圖1 所示。

圖1 地質雷達電磁波傳播示意圖

由圖1 可知， 高頻脈沖電磁波的雙程走時可用如下公式計算：

式中，h 為電磁波所遇到的反射面的深度（x 為發射、接收天線的距離，因z>x，故x 可忽略）；V 為電磁波在地下介質中的傳播速度。

2 地質雷達資料的去噪方法與原理

2.1 噪聲來源

地質雷達在探測工作時，雷達剖面圖像也記錄了探測區的地表面與空中的某些物體。這是因為探地雷達發射的電磁波不能完全進入到地下介質中，總是會有一部分能量泄露到空氣中，而這部分的能量經空氣傳播遇到障礙物反射后，也會被雷達接收天線所[2]。

研究表明，地質雷達的噪聲主要來源于兩部分，即內部干擾和外部干擾。內部干擾是由雷達儀器本身引起的，而外部干擾則是由外界環境引起的。

所以，探地雷達數據采集系統所接收到的全部信息中，既包含了所要探測目標體的有效信息，也包含了干擾物體的信息。若原始信息資料未經過去噪處理的話，那么干擾信息會掩蓋有效信息，降低了資料的信噪比，很難提取出有用信號。所以，我們應該想辦法減弱壓制或去除干擾信息，進而突出有用信息，提高信噪比。

2.2 去噪處理方法研究

地質雷達資料的去噪處理是為了改善原始雷達記錄剖面的圖像，壓制或去除干擾信息，提取并解譯所要探測目標體的有效信息，進而達到探測目標體的埋藏分布特征的目的。

（1）數值濾波

數值濾波是根據有效波和干擾波在頻率和視速度的差異，除去雜波干擾，提取出能夠反映地下介質變化的有效反射信號，提高地質雷達的分辨率，利于對結果的分析和解譯。

（2）背景去除

在探地雷達數據采集的過程中，背景噪聲是由于阻抗不匹配而產生的駐波干擾信號，而這些干擾信號會以等時和穩定等特點顯示在地質雷達剖面上，具體體現為道間水平信號強、視速度很高。一般情況下，淺層反射回來的電磁波能量較大，它可以壓制的住水平信號。但是隨著深度的增加，深層反射回的電磁波能量會衰減，此時，水平干擾信號就會掩蓋有效信號。為了能夠提取出有效信號，增強所要探測介質目標波的強度，就得去除這種水平干擾信號。

背景去除是對雷達記錄剖面上有明顯出現道間水平干擾信號的區域求平均值，這樣求出的平均值主要表示為規則的水平信號，進而減弱了不規則的反射信號。故該平均值可看成是由地質雷達儀器內部產生的干擾信號，需要把它從雷達記錄剖面的所有數據道中剔除掉。即把均值道看成為雷達儀器的背景噪聲，那么去除背景噪聲就變換為求取雷達記錄剖面上所有道數據與背景噪聲之差了。

（3）多道中值濾波

中值濾波是一種非線性處理技術，能夠抑制雷達數據中的噪聲，它是基于雷達數據的這種特性：所采集到的數據中有一類噪聲（毛刺）它并不是一整片存在的，往往是以孤立的點的形式呈現，在整個數據中所占較小的比例。針對這類噪聲，我們可采用多道中值濾波方法將其剔除掉。該方法先是求出幾道雷達記錄數據的平均值，再將每一道雷達記錄的數據減去該平均值，這樣信號的細節信息不會被濾除掉，同時有效信號能夠被較好的保留下來。

多道中值濾波技術在處理平緩變化的或是脈沖類型的數據，能夠有效地抑制干擾噪聲，提高信噪比，起到平滑雷達記錄數據的作用。但是，該技術不適用于鋸齒型的、亂散段的、突跳型的以及較窄型的尖脈沖數據，有一定的局限性。

（4）反褶積

反褶積又稱反濾波，是廣泛應用于數字信號處理領域的一種數學變換方法。它是將雷達子波進行壓縮，提高雷達記錄剖面的垂直分辨率。即將雷達信號變換成為反射系數序列，再將信號壓制成寬帶的尖脈沖電磁波，進而提高信號的時間分辨率，有利于識別薄地層[3]。

3 結論

數值濾波、背景去除、多道中值、反褶積這些去噪方法，提供了多樣化的處理模塊，但是不同的處理方法其效果也是不同的，研究表明：數值濾波在去除雪花毛噪方面效果較好，多道中值濾波則有平滑剖面的作用，背景去除主要是壓制背景噪聲，進而突出有效波，而反褶積主要是用于提高垂向分辨率，壓縮脈沖波。

不同的去噪處理模塊都有各自的去噪能力及其局限性，單靠一種去噪方法并不能把所有的干擾去除，必須結合其它去噪方法，才能達到壓制干擾的目的。而且不同的去噪順序可以得到不同的結果，這需要在實踐中反復試算與總結，以獲得最佳的處理結果。