探地雷達數(shù)據(jù)采集與解釋

1、探地雷達數(shù)據(jù)采集以及解釋山東大學巖土中心第1章.探地雷達簡介1. 1工作基本原理探地雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)是利用頻率介于 106109Hz的無線電 波來確定地下介質(zhì)的一種地球物理探測儀器。隨著微電子技術和信號處理技術的不斷發(fā)展，探地雷達技術被廣泛應用于工程地質(zhì)勘察、建筑結構調(diào)查、公路工程質(zhì)量檢測、地下管線探測等眾多領域。探地雷達的基本原理如圖 1所示。發(fā)射天線將高頻短脈沖電磁波定向送入地下，電磁波在傳播過程中遇到存在電性差異的地層或目標體就會發(fā)生反射和透射，接收天線收到反射波信號并將其數(shù)字化，然后由電腦以反射波波形的形式記錄下來。對所采集的數(shù)據(jù)進行

2、相應的處理后，可根據(jù)反射波的旅行時間、幅度和波形，判斷地下目標體的空間位置、結構及其分布。探地雷達是在對反射波形特性分析的基礎上來判斷地下目標體的，所以其探測效果主要取決于地下目標體與周圍介質(zhì)的電性差異、電磁波的衰減程度、目標體的埋深以及外部干擾的強弱等。其中，目標體與介質(zhì)間的電性差異越大，二者的界面就越清晰，表現(xiàn)在雷達剖面圖上就是同相軸不連續(xù)。 可以說，目標體與周圍介質(zhì)之間的電性差異是探地雷達探測的基本 條件。圖1探地雷達基本原理1. 2電磁波傳播特征探地雷達的電磁脈沖在介質(zhì)中的傳播速度為：其中c為電磁波在空氣中的傳播速度, 示。名為介質(zhì)的介電常數(shù)， 常見介質(zhì)的介電常數(shù)如表 1所材質(zhì)相對介電

3、常數(shù)材質(zhì)相對介電常數(shù)粉質(zhì)粘土6水81干砂35灰?guī)r48濕砂2030花崗巖47金屬300砂巖6PVC塑料3.3頁巖515混凝土6.4淤泥530空氣1海水80粘土540表1各種常見介質(zhì)的介電常數(shù)電磁波脈沖在地質(zhì)界面上的反射系數(shù)為：根據(jù)電磁脈沖的傳播規(guī)律，在地質(zhì)界面上如果反射系數(shù)為負，則相位與發(fā)射脈沖相反， 若反射系數(shù)為正，則相位與反射脈沖一致。 如圖2和圖3,可以清除看到反射波相位的變化規(guī)律。天Alt 胺':線出占至黑色）1ms用1反射波1丁甲所$1/EV-10白至黑L 稟至白1017tT 1 111|舁15 _ _ 手 黑至白_金屬埋設物黑至白1圖2h *50<!=!*3sli152

4、 5-3.5nooLi.5. 4卜125卜150電3*1-0-9 *b m.餐工lOOtQOT0" f的*1-2,5 *1耳9314山 vi«0Ji*加/左fO) Vi = 0.07加"1 0,2,ah癡$ 也LdOfl H= 120*T»l -=IH”，fF00Vt= 0.0ft ，71M75取程走時（ns）1.18合成雷達記錄單位為i ,(ilofm/m) Mus)現(xiàn)m)圖L18為計算例子， 如第一層面的雙程走時為 50磁，在此之前所圮錄的 是沿地表兩側到達的波， 在此之后記錄到層面的反 射脈沖,由于該層面的反 射系數(shù)為負值,相位反轉 了 180、又

5、如第三層面的 雙程走時為9211s.由于反 射系數(shù)為正,相位和發(fā)射 脈沖一致。右側標出了界 面茶度，1. 3雷達的分辨率對于地質(zhì)雷達的探測方式.它的分辨率也是一個必須了解的內(nèi)容.地質(zhì)雷達的分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。地質(zhì)雷達的垂直分辨率主要由地質(zhì)雷達的波長的二分之一決定。從波的傳播規(guī)律可知，識別目標體的尺度一般需大于1/2波長，假設垂育最小可分辨的層的厚度為Dm。則它的計算式為：Dm =。32=c/2 f4其中，C為電磁波在真空中的傳播速度?？梢婎l率越高，介質(zhì)的介電常數(shù)越大，Dm越小.即垂直可分辨層的厚度越薄，垂直分辨率越高。地質(zhì)雷達的水平分辨率是指地質(zhì)雷達在水平方向上所能分辨的最小異常

6、體的尺寸的能 力。通常用Fresenel來表示，當反射面的埋深為 H,發(fā)射，接受天線的間距遠小于H時，Rf就是水平分辨率的最小尺度。從計算公式可以看出.當目標體埋深越大，雷達波頻率越 低，波長越長，則 Rf越大，水平分辨率越低.反之，水平分辨率越高。第2章.雷達數(shù)據(jù)的采集雷達數(shù)據(jù)采集的步驟如下:1 .儀器安裝調(diào)試；2 .現(xiàn)場地質(zhì)以及其它情況記錄；3 .布置測線；4 .參數(shù)設置；5 .參數(shù)現(xiàn)場校核，如不合格，重新調(diào)試參數(shù)；6 .數(shù)據(jù)采集。下面將各步驟的注意事項說明。2. 1儀器安裝調(diào)試必須在斷電的狀態(tài)下進行安裝和拆卸；如果現(xiàn)場空氣比較潮濕或者有水，注意防潮防水，以免短路導致?lián)p壞電路；2. 2現(xiàn)場

7、地質(zhì)記錄記錄現(xiàn)場的地質(zhì)條件，以免現(xiàn)場的干擾在雷達記錄中造成假象，擾亂最終的解釋。2. 3布置測線如果已知探測對象的大體走向，盡量使測線與其走向正交；2. 4參數(shù)設置參數(shù)設置是關系到采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的關鍵工作，各項參數(shù)如下：Collect菜整| （如圖4）：增益:地質(zhì)雷達發(fā)射的電磁波在介質(zhì)中傳播過程中，在電性（介電常數(shù)）分界面上會發(fā)生發(fā)射，有一部分電磁波繼續(xù)向下傳播，傳播過程中電磁波能量會被介質(zhì)吸收。隨著深度的增加，電磁波能量減弱，信號幅度相應地減小，不利于信號識別和辨認。 為了能更好地識別信號特征，采用增益（gain）函數(shù)來提高信號的幅度，使得信號的細微變化更容易 顯示和識別。增益菜單有兩個選項：

8、手動/自動Manual/Auto ,增益點數(shù)Points,GP1、GP2、GP3GP5。在采集主機的屏幕的右半部分有一個示波器窗口，除了顯示波形之外，還有一 條紅色的曲線，該曲線就是增益曲線，曲線的轉折點點就是增益控制點。適當?shù)脑鲆婧瘮?shù)會提高信號的可視性，但是增益過大會出現(xiàn)削波現(xiàn)象，應該避免削波現(xiàn)象。位置確定：雷達剖面的最頂端并不是第一個反射面（比如在地面探測時，剖面的頂 端并不是地面），這主要是因為：第一，系統(tǒng)延時，即主機給出發(fā)射指令到天線開始發(fā)射的 延遲時間，第二，直達波，即有發(fā)射天線直接到接受天線的電磁波。為了更加精確的定位， 應該去除這兩方面的干擾。但是由于確定零線較為困難?？梢栽谔綔y

9、時在地面放置一根電纜 與測線正交，天線經(jīng)過電纜時在剖面上會記錄下電纜的位置，通過識別電纜就可以確定零線的位置了。n? COLLECT3. DP1 RADAR 400 MHZ |選擇天線類型，一般主機會自動識別天線類型并自動選擇 T RATE |天統(tǒng)的發(fā)射率，該值越大，采集速度越快 MODE Distance采集模式，分為距寓測量輪模式點測模式以及時間連續(xù)模式 GPS None |關于g晤的選項，一般不選g QP1 SCAN口 SAMPLES 一 i 2 |采集樣點數(shù)'它決定了垂直分辨率的大小一般為5iz或者io” I FORMAT (bits) 16 I數(shù)據(jù)存儲格式 一般為16位 RA

10、NGE (nS) 60 |時窗范圍，決定了采集深度的大小 I DIEL 10 + 00 |介電富數(shù)是進行時深轉強的關鍵參數(shù)01 RATE 100 I歸描率，即每秒鐘采集的掃描數(shù) I SCN/UNIT 18.00 1每單位水平距離的掃描數(shù)S GAIN |增益菜單(洋見注1) I AUTO |噌益模式選擇，分為自動增益和手動增益 POINTS |增益的控制點數(shù) IGP1 (dB) -10 I第一個增益點的增益分貝數(shù) IGP2 (dB) 15 I第二個增益點的增益分貝數(shù) IGP3 (dB) 25 |第三個增益點的增益分貝數(shù) nH CP POSITION |零點位置設定(詳見注辦 I AUTO |自動

11、模式和手動模式選擇口 OFFSET ：'5*00 天線內(nèi)部延時參數(shù)，因為該值不能港確確定，所以一般使用目動模式。 I SURFACE (3)7.00 |確定地面的位置3 CP FILTERS | 濾波器0 LP IIR 890 | I工R低通濾波器 HP-IIR 100 |1邛高通濾波器 Lp FIR 0 I下工R傀通濾波器 HP二FIR 0 I F工R高通濾波器 STACKING 3 |捶加，用于去除高平干擾，數(shù)值越大，信號越平潸，但是太太會掩蓋真實信息 BGR_RMVL 0 |背景去除，用于去除低頻信號圖4 collect 菜單的注解Playbacck菜單（如圖5）該菜單用于瀏覽已

12、經(jīng)采集的文件， 在該菜單下有一個 SCA用口 PROCESS菜單，通過子菜 單可以可以進行一些參數(shù)修改和數(shù)據(jù)處理，以便得到更好的顯示效果。注：這些修改和處理只是用于顯示，并不會改變原數(shù)據(jù)。-QP PLAYBACK |數(shù)據(jù)回放S SCAN DIEL 10.00 SURFACE(%)10 + 0C-管 PROCESS LP_IIR 0 HP二工工R 0 LP二FIR 0 HP二FIR 0 STACKING 0 BGR_RMVL 0 agcT off I昌動增益控圖5 Playbacck 菜單的注解Output菜單 邯圖 6）該菜單的主要功能就是設置數(shù)據(jù)的顯示參數(shù)和數(shù)據(jù)的導出。I踐掃描顯示方式、雷達

13、剖面有兩I |種顯示方式：薄掃描和波龍方式Qp OUTPUT I數(shù)據(jù)輸出 fc DISPLAY O LINE C_TABL|顏色表選擇C_XFORM 2 |顏色轉換設置GAIN(dB) 0| 增益-(Jp TRANSFER |數(shù)據(jù)轉移(導出)PQ |導出到PC機 FLASH|導出到閃盍D KD |導出到硬維 DELETE |數(shù)據(jù)刪除圖6 Output菜單的注解System菜單滲數(shù)設置（見圖 7） SYSTEM 1系統(tǒng)參數(shù)臼1手UNITS愕位設置D DEPTHfoot I深度單位選擇 DISTANCE foot距離單位選擇 VSCALR dpcth |豎軸顯示方式選擇，包 v二jail, aep

14、cn I括深度和時間顯示方一I 曰OP SETUP |設置 RECALL I 調(diào)用參數(shù)0 SAVE |保存參數(shù)a ' PATH I存儲路徑 NEW |新建路徑S CP BACKLIGHT I屏幕背景燈光設置 LEVEL4 |亮度水平設置-Qr1 DATE/TIME | 日期設置 DATE TIME臼 CP BATTERY| 電池口 STATUS |電量狀態(tài)B V LANGUAGE I語言 ENGLISH|英語模式版本顯示S Dr5, VERSION 口 SHOW圖7 System菜單的注解2. 5參數(shù)現(xiàn)場調(diào)試調(diào)試技巧：如果出現(xiàn)削波（振幅過大）或者振幅過小的現(xiàn)象，需要調(diào)節(jié)增益設置；如果出

15、現(xiàn)雪花現(xiàn)象（特別是深部），需要增加疊加次數(shù)； 如果存在已知深度的目標體并且該目標體可以在雷達剖面上識別的話，可以通過該目標體的深度來反算波速，進而求出介電常數(shù)。這樣求出來的介電常數(shù)比較接近真實值。如 果沒有已知深度的目標體，可以打鉆確定一個目標體，然后量測其深度，用同樣的方法 來反算介電常數(shù)。2. 6數(shù)據(jù)采集注意事項： 天線拖動過程中要勻速，并且不要發(fā)生跳動現(xiàn)象，跳動現(xiàn)象會造成非常大的干擾。打標記要及時，盡量不要重復。隧道拱頂或者拱腰部位探測時，可以使用臺車（由裝載機拖動臺車），汽車架子和裝載機架子，如圖8。其中臺車最安全，汽車架子最不平穩(wěn)。臺車（由裝載機拖動）汽車架子裝載機架子圖8 各種架子

16、第3章數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理的目的就是壓制干擾，突出有效信號，提高信噪比，這是進行成果 解釋的前提，只有進行仔細的處理，才能獲得良好的效果。圖9為數(shù)據(jù)分析和處理的流程圖， 其中數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理需要進行多次調(diào)試對比，才能達到較好的處理效果。本章將對各個步驟進行詳細講解。圖9雷達數(shù)據(jù)分析和處理流程3. 1繪制測線布置圖和尺寸調(diào)整3. 1. 1繪制測線布置圖內(nèi)業(yè)工作的第一步就是將現(xiàn)場的測線布置草圖繪制成正式文檔。由于現(xiàn)場雷達數(shù)據(jù)文件是以編號命名的，所以每條測線所對應的文件編號需要記錄在文檔中，以防混亂。如下圖 10,就是雷達探測橋洞的測線布置圖，可見在圖中標注了測線的方向以及測線所對應的文件編

17、號，應該盡量多的將現(xiàn)場信息反映在布置圖上，有助于在解釋過程中識別干擾，必要時可以做文字說明。B圖10雷達測線布置圖I 置f H 牙EL'-LiAX JTXWERq-MfiJ2 Vf JJVKQi'iuiKii121,1231SSSS16nn3. 1. 2雷達數(shù)據(jù)剖面的尺寸調(diào)整由于在數(shù)據(jù)采集過程中存在以下的情況: 采用時間連續(xù)采集模式的時候天線走速不均勻，導致標記（等距離標記）之間的道數(shù)不 一樣，甚至差別非常大； 地表起伏比較大，容易在雷達剖上造成假象； 由于直達波的存在，使得剖面的最頂部并不是地面的反映，使得深度產(chǎn)生誤差。針對以上的情況，需要進行尺寸調(diào)整，各功能模塊如下：距離正

18、?；匠叽缯{(diào)整水平長度的縮放剖 面 尺 寸 調(diào) 整文件拼接垂直尺寸調(diào)整距離正?；嚯x正?；?，該項功能允許你在標記（必須是等距標記） 之間建立等長尺寸，也就是要求在標記之間每單位距離上的尺寸等同，或道數(shù)一樣。在沒有測量輪的情況下以連續(xù)模式采集數(shù)時，天線移動速度難以保持恒速，這樣就需要利用距離正?；墓δ?。聯(lián)合標記或者距離標記（注：關于Mark數(shù)據(jù)庫的性質(zhì)與使用見軟件說明書的的第二章）設定后，該項功能就會通過增或刪的方式來修正每個標記之間的道數(shù)，然同時也修正了采集速度（天線運行速度）。位的位1單間單米每之t為度數(shù)度長道長Distance NorKaIiza1:i. .'/ Xm/Mar每

19、個標記之間的距 離（單位：米）I' Stacking 1皮用到用戶標記F Appl to 金時 M 第k4_ _ 這二|Cancel | Help參數(shù)輸入框汪息：在運行該功能之前，必須確保標記信息是正確的（無重復標記，無丟失標記，首尾標記都存在，所有的用戶標記都已經(jīng)轉化為距離標記或聯(lián)合標記）。Scans/unit,unit/mark都必須在頭文件中設置好，以便運行該功能。unit/mark 是根據(jù)測量時的設定來設置的。Scans/unit 需要用鼠標來清點每個標記之間的道數(shù)（ 注意：因為在雷達剖面中顯示的是 已經(jīng)做了疊加處理的數(shù)據(jù)，若每個標志之間的道數(shù)為3,而疊加次數(shù)為16,則實際每個

20、標志之間的道數(shù)為二者的乘積48,切記！ ?。┰摴δ苓\行之后，原數(shù)據(jù)中在第一個標志之前的部分已經(jīng)被cut off 了。水平尺寸縮放|巴 可以通過水平尺寸縮放中的疊加，去除，添加功能來修改雷達數(shù)據(jù)。Horizcintal Scaling ParametersHelp1 Skipping,Sketchhg參數(shù)設置對話框注意每次只能這三項功能中的一個。疊加(stacking ):使用該功能可以對數(shù)據(jù)進行簡單的滑動平均處理。該功能就是將所指定的幾道平均疊加之后輸出一道數(shù)據(jù)。去除(skipping )：選定此項，你可以將指定的道去除，比如，你輸入?yún)?shù)1,就會每隔一道去除一道數(shù)據(jù)(因此，數(shù)據(jù)被壓縮到原來的二

21、分之一)添加(stretching ):選擇此項，將拓展水平尺寸。該功能將計算出每相鄰兩道的平均值(或指定道數(shù))，然后將平均道添加到已有數(shù)據(jù)中。拼接文件 有時因為場地條件所限，我們不得不分部采集數(shù)據(jù)，在后處理中為了將各部分數(shù)據(jù)連接在一起，就要使用該功能了。選擇 File > Append File.選擇所要連接的各個文件。點擊Done,完成連接，重新命名加以保存。表面位置調(diào)整(非常重要) 由于系統(tǒng)延時和直達波存在，使得整個剖面的最頂部并不是地面的位置。確定地面的位置,對于精確的深度定位來說非常關鍵，但是如何確定，目前還沒有定論，下面列舉三個常用的 方法。根據(jù)RADAg紹，百分之九十的情況

22、下把直達波的第一個正峰位置作為地面。 根據(jù)華東院資料，將直達波的第二個波瓣作為地面，如下圖Thr Rr雪3 0mHiputse3 根據(jù)經(jīng)驗，可以在探測時在起始部位放置一根電纜，在后處理時在剖面上識別出該電纜,這樣就可以確定地面位置了。卜面以一個探測剖面為例說明一下這三種方法的用法與區(qū)別（如圖11):圖11零線的確定如圖11,其第一個正峰位置是10.34ns ,第二個峰值是14ns,而電纜位置是16.34ns ,可見三者最大相差6ns,按照介電常數(shù)為8計算，深度偏差了 30cm,對于超前預報來說該誤差可以允許。而對于襯砌檢測來說偏差較大，需要綜合三種方法來分析。表面正常化在測線布置時會遇到地表起

23、伏較大的情況，這就需要修正地表起伏對數(shù)據(jù)剖面的影響，進而可以使水平或接近水平狀的反射體的反應更接近實際。通過輸入標記的z值就可以實現(xiàn)該功能。3. 2數(shù)據(jù)分析傅立葉譜分析數(shù)據(jù)處理是進行數(shù)據(jù)解釋的基礎，目前比較常用的處理方法有一維濾波，二維濾波，以及反濾波，這幾種方法都是以傅立葉譜分析為基礎的，傅立葉譜分析是將雷達數(shù)據(jù)由時間域轉化為頻率域，表現(xiàn)的是各種諧波頻率的振幅分布，如圖 12。圖12振幅頻譜圖關于不同探測介質(zhì)的振幅頻譜特征，一下有幾個結論(摘自楊峰資料)：(1)水對高頻電磁波具有很強的吸收作用，這與水離子導電是密切相關的，離子導電增加了介質(zhì)的電導，而電磁波傳播與電導和頻率之間呈指數(shù)衰減關系。

24、(2)花崗巖不但對高頻成份具有一定吸收，而且形成的振幅譜比較單一。(3)在干燥的不均勻介質(zhì)中，形成的振幅譜不但主頻特征不明顯，而且在天線的高端會形成一定的雜波信號。這可能是由于高頻電磁波在不均勻介質(zhì)內(nèi)形成多次干涉造成的。干涉現(xiàn)象勢必加寬信號的頻帶特征。具體的譜圖如圖13?？諝獗尘袄走_頻譜特征Z1水背景雷達頻譜特征花崗巖背景雷達頻譜特征干燥碎石背景雷達頻譜特征圖13 不同介質(zhì)的頻譜圖希爾伯特變換由于大地介質(zhì)的不均勻性，地質(zhì)雷達發(fā)射的高頻脈沖電磁波在地下傳播過程中將發(fā)生強烈的衰減、反射、折射、繞射和散射，這些反射波、折射波、繞射波和散射波相互疊加在一起，為數(shù)據(jù)處理帶來了巨大的困難；同時，為了得到更

25、多的反射波特征，地質(zhì)雷達通常利用寬頻帶進行記錄，因此不可避免地記錄下各種干擾噪聲。如果噪聲頻率帶與反射波頻率帶重疊或接近，利用傅立葉譜分析技術對這樣的信號進行分析，有時難以取得理想的效果， 嚴重影響了圖像解釋的可信度和精度，進而影響了地質(zhì)雷達的探測效果。而希爾伯特變換可以較好的解決這個問題，希爾伯特變換就是將記錄道的信息直接在時間域上轉化為瞬時振幅，瞬時相位，瞬時頻率的技術。復信號的瞬時振幅、瞬時相位、瞬時頻率這3種瞬時信息，一般是指一個特定的瞬間，而不是一個時間段的平均。地質(zhì)雷達信號記錄道x(t)的復信號分析與地質(zhì)雷達信號的傅立葉 譜分析分別在時間域和頻率域上對地質(zhì)雷達信號的能量、頻率和相位

26、等參數(shù)進行分析檢測， 它們在振幅上無本質(zhì)差別， 而瞬時頻率與傅立葉分析的頻率不同，前者是分析全部諧波疊加波形的視頻率，后者則是分析各諧波頻率的振幅分布情況。兩者既有區(qū)別，又有一定的內(nèi)在聯(lián)系。復信號分析技術與傅立葉譜分析技術的成果輸出不同，它可以將地質(zhì)雷達記錄中的瞬時振幅、瞬時相位和瞬時頻率分離出來，得到同一個剖面的3個參數(shù)圖，因而其解釋方法與傅立葉譜分析技術的解釋方法亦有所不同。瞬時振幅是反射強度的量度，它正比于該時刻地質(zhì)雷達信號總能量的平方根， 利用這種特征便于確定特殊巖層的變化。當?shù)貙哟嬖诿黠@介質(zhì)分層、滑裂帶或地下水分界面時， 瞬時振幅會產(chǎn)生強烈變化， 反映在瞬時振幅剖面圖中就是 分界面位

27、置出現(xiàn)明顯振幅變化。瞬時相位是地質(zhì)雷達剖面上同相軸連續(xù)性的量度。無論反射波的能量強弱，它的相位都能顯示出來，即使是弱振幅有效波在瞬時相位圖上也能很好地顯 示出來。當電磁波在各向同性均勻介質(zhì)中傳播時，其相位是連續(xù)的；當電磁波在有異常存在的介質(zhì)中傳播時，其相位將在異常位置發(fā)生顯著變化，在剖面圖中明顯不連續(xù)。 因此利用瞬時相位能夠較好地對地下分層和地下異常進行辨別。當瞬時相位圖像剖面中出現(xiàn)相位不連續(xù)時，就可以判斷該處存在分層或異常。|瞬時頻率是相位的時間變化率，它反映了組成地層的巖性變化，有助于識別地層，當電磁波通過不同介質(zhì)界面時，電磁波頻率將發(fā)生明顯變化。 這種變化可以在瞬時頻率圖像剖面中較為清晰

28、地顯示出來，在地下介質(zhì)發(fā)生變化的時候， 瞬時頻率也會發(fā)生顯著變化， 需要指出的是，在反射層處瞬時頻率的大小在數(shù)值上與反射波的 主頻對應的很好，所以可以利用瞬時頻率的大小和穩(wěn)定情況來判斷地下介質(zhì)的穩(wěn)定性和巖性 變化。對于同一探測對象，3種瞬時信息在同一位置發(fā)生明顯變化就可能反映探測對象在該處的物性變化。因為在這 3個參數(shù)中，瞬時相位譜的分辨率最高，而瞬時頻率譜和瞬時振幅 譜的變化也較為直觀，所以通常根據(jù)瞬時頻率譜和瞬時振幅譜來確定地下異?；蚍謱拥拇蟾?位置，然后利用瞬時相位譜精確確定異常位置和分層輪廓線。有些時候，也可以直接利用瞬時相位譜來確定地下異常的位置。 具體的分析實例見第五章。第4章數(shù)據(jù)

29、處理數(shù)據(jù)處理是進行數(shù)據(jù)解釋的基礎，在RADA即數(shù)據(jù)處理的方法非常多，應該在數(shù)據(jù)分析的基礎上決定采取那些處理方法，采取怎樣的處理步驟。針對不同的目標，有不同處理方法。目標方法去除水平噪音水平高通濾波豎直高通濾波空間濾波背景去噪局頻噪首（如：雪花）豎直低通濾波水平低通濾波空間濾波去除多次反射反褶積去除繞射并修正傾角較大的層面偏移增加低振幅部分的可視性運算功能顯示增益和窗口增益觀察細微的特征Hibert幅度轉換空間濾波生成更為清晰的數(shù)據(jù)四則運算功能Local peaks（局部極值提?。╈o態(tài)修正各種處理方法的使用方法和注意事項在下面具體講述。4. 1去除水平噪音所謂的水平干擾信號， 就是指水平帶狀干擾

30、, 通常具有低頻特征，經(jīng)常會干擾一些真實的反映體，如下圖:（a）水平干擾（b）頻譜圖（可以看出低頻干擾較多）圖1水平帶狀干擾及其對應的頻譜圖圖2水平干擾（可以看出剖面主要被水平信號覆蓋）,如果該數(shù)值超過225,則IIR水平高通濾波濾波器長度應該先設為數(shù)據(jù)剖面的最大道數(shù)（應該為奇數(shù)） 應該選擇225。這樣，在水平方向上長度等于或超過該值的特征將被執(zhí)行濾波，而長度低于 該值的特征受影響很小。注意：因為對于IIR水平高通濾波器，其長度最大為 255,所以長度超過該值的特征 都將會被執(zhí)行濾波，這是不可避免的；因為直達波也是水平信號，為了不對直達波產(chǎn)生影響，可以通過設置起始/終止樣本點來圈定濾波區(qū)域，避

31、開直達波。卜R背景去噪一濾波器長度應該先設為數(shù)據(jù)剖面的最大道數(shù)（應該為奇數(shù)），如果該數(shù)值超過1023,則應該選擇1023。這樣，在水平方向上長度等于或超過該值的特征將被執(zhí)行濾波，而長度低于該值的特征受影響很小。注意：因為對于 FIR背景去噪濾波器，其長度最大為1023,所以長度超過該值的特征都將會被執(zhí)行濾波，這是不可避免的；因為直達波也是水平信號，為了不對直達波產(chǎn)生影響，可以通過設置起始/終止樣本點來圈定濾波區(qū)域，避開直達波。垂直高通濾波因為水平干擾信號往往具有低頻干擾，所以垂直高通濾波器可以進行相應的處理，具體濾波器設計需根據(jù)頻譜特征來確定。4. 2去除高頻干擾高頻信號經(jīng)常表現(xiàn)為雪花形狀，對

32、數(shù)據(jù)造成了較大干擾?？梢酝ㄟ^垂直低通濾波，水平 低通濾波，滑動平均濾波來進行處理。垂直低通濾波垂直低通濾波分為IIR和FIR形式，可以根據(jù)頻譜圖來確定具體的濾波參數(shù)。IIR水平低通濾波和 FIR水平疊加其原理是當你輸入一個非零值，由該值決定的道數(shù)會相加平均并將平均值賦予中間道,依次計算。所以參數(shù)值應該為奇數(shù)，一般情況設為5就可以很好的去除高頻，平滑數(shù)據(jù)。4. 3空間濾波以上就是F-K濾波的流程圖，首先經(jīng)過快速傅立葉變換將時間域雷達數(shù)據(jù)轉化為二維譜圖，經(jīng)過對二維譜圖的分析，選擇合適的參數(shù)進行快速傅立葉逆變換，得到處理之后的時間域雷達數(shù)據(jù)剖面?？臻g快速傅立葉變換濾波器，是一個二維的頻率濾波器,在時

33、空二維域中進行濾波。經(jīng)常被稱作頻率波數(shù)濾波，或 f-k濾波（注：k就是波數(shù)的意思）。這種方法可以產(chǎn)生一個二維矩陣，代表了雷達波的相位和振幅?？梢杂么藶V波器進行二維濾波以削減噪音干擾。對已經(jīng)變化的數(shù)據(jù)矩陣進行傅立葉逆變換，此時的濾波器會濾掉一些噪音。在技術上，通過逆變換，數(shù)據(jù)由頻率域恢復到時間域。相對于一維的垂直和水平濾波，F(xiàn)-K濾波的優(yōu)點有：可以對信號和噪音進行更好的區(qū)分。信號和噪音或許在一維處理中會有所重疊，使得分離它們變得非常困難。但是二維濾波中的情況好的多。該功能的對話框如下圖：主要顯示了二維譜圖，濾波器參數(shù)設置，以及譜圖的顯示控制 參數(shù)。其中譜圖的豎軸代表了信號頻率，橫軸代表了波數(shù)（即

34、每單位長度上波周的數(shù)目）2D H 1 DIAGFIAM濾波器參數(shù)設置顯示設置Recalc按鈕會將文件轉化為二維譜圖。譜圖的顯示參數(shù)可以控制譜圖的顯示質(zhì)量，一旦譜圖形成，可以用Gain , Zoom來增強顯示效果， 可以使用Scans, Samples來選擇顯示范圍（顯示范圍也可以通過鼠標來控制）設置濾波器參數(shù)可以開始快速傅立葉逆變換。濾波器參數(shù)的意義和選擇 Min Freq最小頻率，Max Freq最高頻率，這兩項控制著濾波器的豎向分量。 Alpha和Delta Alpha 控制著水平分量，可以通過圖中的直線在調(diào)整。Alpha 代表著濾波器的對稱程度，當兩條直線關于中間直線對稱時，Alpha的

35、值接近于0,當Alpha很高時，意味著兩條射線不對稱。Delta Alpha代表著射線之間的夾角，與反射體的線性尺寸相關。濾波器類型的選擇：該項決定了使用哪種空間快速傅立葉逆變換，總共有五種：None: FFT文件不作任何修改被恢復，High-Cut Horizontal:僅兩射線之間的部分被執(zhí)行 FFT逆變換。High-Cut Vertical:僅兩射線之外部分被執(zhí)行 FFT逆變換。High-Cut Vert Symm:僅兩射線之外部分被執(zhí)行 FFT逆變換（對稱的）High-Cut Horz Symm:僅兩射線之間的部分被執(zhí)行 FFT逆變換（對稱的） 注：當射線不對稱時，使用對稱濾波器形式可

36、以起到較好的作用。使用經(jīng)驗:不對稱的射線與對稱的濾波器類型組合，往往得到比較好的效果。射線對稱時（即Alpha的值接近于0）,水平和豎直特征會被突出。不對稱的射線（即Alpha的值很高）突出傾斜的特征。 對于 High-Cut Horizontal 和 High-Cut Horz Symm 來說，Delta Alph 較小時且對稱時，突 出的是水平信號，當 Delta較大且對稱時，則可以包含各種信號。如下圖。原始數(shù)據(jù)Alpha較小Alpha較大High-Cut Vertical和High-Cut Vert Symm方式，當Delta Alph較小且射線對稱時，包含各種 信號，當Delta較大且

37、對稱時，突出豎直信號。所以運用這個功能可以去除水平干擾。原始數(shù)據(jù)Alpha較小Alpha較大當射線不對稱時，突出的是傾斜信號，如下圖，可見 High-Cut Horizontal傾斜信號不突出。High-Cut Vertical 模式High-Cut Vert SymmHigh-Cut Horizontal4. 4去除多次反射-反卷積當雷達信號在目標體（如一塊金屬物或濕粘土層）和天線之間來回反射的時候，往 往會出現(xiàn)多次反射界面的現(xiàn)象?；蛘咴趦蓚€反射層面之間發(fā)生電磁波的振蕩，出現(xiàn)多次 反射現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會模糊淺部的（或者深度較小的部分）真實信息。在實際探測中在 掃描地下水層，基巖或空洞的時候就會

38、出現(xiàn)多次重復的情況。反卷積就是為去除此類噪 聲干擾而設計的濾波方法，還可以提高垂直分辨率，分解間距較小的層。RADA即的反卷積方法叫做預測反卷積，|這是一種將尖脈沖反卷積作為一種特例的常 見方法。該方法試圖盡力在天線與地面耦合的時候去逼近發(fā)射脈沖的形狀。假設一個特 定長度的震源子波，也稱作濾波器算子長度，當震源子波由數(shù)據(jù)中被清除時，該濾波器 可以預測一定距離之外的數(shù)據(jù)形狀，叫做預測延遲。這就導致了反射子波被壓制。像天 線重復反射等此類預測現(xiàn)象，將被移動到比預測延遲更遠的位置，可以有效的消除此類 現(xiàn)象。反卷積參數(shù)選擇為了更好的運行反卷積濾波，像濾波算子長度，預測延遲，預白噪聲化，增益，起 始樣本

39、，終止樣本等參數(shù)應該適當?shù)倪x擇。濾波算子長度： 按照組成一個脈沖的樣本點數(shù)目，濾波器算子長度設定了濾波器的 大小。 較長的濾波算子長度可以對雷達波進行較好的擬合，并且可以得到較好的結果， 但是耗時較長。 濾波器算子長度應該滿足一個完整的雷達子波循環(huán)，這樣將起到較好的作用。小 于該值的參數(shù)會導致不好的結果。 如何確定濾波算子長度？首先找到反射界面的第一個正反射,再找到第二個正反 射峰值，將兩者的樣本點數(shù)相減，而算子長度值應該大于或等于該值。預測延遲：該值將被設定為理想的輸出脈沖長度（大約為雷達子波的半個循環(huán)）。小于該值的參數(shù)會產(chǎn)生更多噪聲。 利用反卷積來去除重復反射時，延遲值應該等于或小于重復之

40、間的空間。 參數(shù)值為5-1的預測延遲被用作擬合尖脈沖反卷積，但是這將給數(shù)據(jù)帶來更多噪 聲干擾。預白噪聲化： 通過加強白噪聲（零延遲）元件，預白噪聲化可以調(diào)整相應的自相關 函數(shù)。從數(shù)學意義上來講， 預白噪聲化可以是濾波器穩(wěn)定，并且可以是輸出的數(shù)據(jù)光滑，降低噪聲干擾。0.11是普通值，而0.8是一個較好的值。附加增益：附加增益是必要的，因為反卷積會造成信號的衰減，尤其是在預測延遲較短的情況下。35是普通值，盡量使用可以是振幅恢復到原始數(shù)據(jù)水平的增益值。起始/終止樣本點：為了對反卷積時間上建立一個范圍，起始和終止樣本點應該設置,以樣本點編號來定義，該范圍內(nèi)反卷積濾波是可用的。原始數(shù)據(jù)剖面經(jīng)反卷積處理

41、的剖面4. 5去除繞射繞射產(chǎn)生的原因有:雷達天線以寬束的模式發(fā)射能量，所以在（離天線）幾英尺遠的目標體可以被探測到。當 天線由遠及近并經(jīng)過有限尺寸的物體時，該物體在雷達圖像上表現(xiàn)為雙曲線形態(tài)。急劇傾斜的地層表面也會導致雷達能量的繞射交角處也會產(chǎn)生雙曲線繞射。常見繞射雙曲線繞射如下圖：管線繞射圖像a為墻角繞射，b為橋墩頂部繞射繞射會模糊一些有用的信息，導致對地下目標體的尺寸和形狀作出錯誤的解譯。急劇傾斜層在雷達剖面上的表面形狀是一種假相，在很多情況下需要進行修正。而偏移就是將傾斜層反應回歸到其真實位置，并削弱雙曲線繞射的一種技術。在RADANK進行偏移的流程如下圖：偏移處理的流程圖偏移參數(shù)選擇在

42、RADA仲有偏移方法：可?；舴蚱坪碗p曲線累加偏移。雙曲線累加偏移要比可?；舴蚱扑俣瓤欤蔷_度小。雙曲線累加偏移：該方法是沿數(shù)據(jù)剖面上的雙曲線將其累加，然后將平均結果賦予雙曲線的頂部?？上；舴蚱疲涸摲椒ㄒ入p曲線累加精確。同樣的，通過將數(shù)據(jù)剖面上的雙曲線累加，將平均值賦予雙曲線的頂點。然而，不同的是：基于數(shù)據(jù)特征的入射角和距離，可?；舴蜻€對該平均值應用了一個修正參數(shù)。還對累加過程應用了濾波處理。該濾波處理通過加強高頻成分和應用相位校正來提高分辨率。通常來說，優(yōu)先使用可?；舴蚱?。注意：為了是偏移處理更加準確，建議在數(shù)據(jù)采集時使用測量輪。兩種方法皆要求雙曲線的寬度以及相對速度被定義。在數(shù)

43、據(jù)被執(zhí)行偏移處理之前，在頭文件中的下列參數(shù)需要定義一個值：樣本/道數(shù) 時窗范圍（納秒）道數(shù)/米速度：即雷達脈沖在某處的傳播速度。相對速度 就是橫軸上一個目標體的長度（in numberof scans/meter 與其在縱軸（時間軸）方向上的長度（number of samples/meter 的比值。你應該調(diào)整雙曲線鏡像的形狀，以便與數(shù)據(jù)中的真實雙曲線相符。注意：當你改變雙曲線鏡像的形狀的時候，速度也隨之改變了。 雙曲線鏡像只是一個工具，用來幫你識別介質(zhì)的修正速度。寬度：（以道數(shù)計）該值應該與繞射雙曲線的道數(shù)設為一致。較大的值可以更為精確，但是如果過大，就會出現(xiàn)衰減。增益：用于加強偏移之后的

44、振幅，因為偏移處理通常會減弱雷達的信號。該值通?？梢栽O為1.5 5。建議按照以下步驟進行設定參數(shù)：1 .當光標放在雙曲線鏡像的中心頂點的時候，點擊左鍵，這樣可以拖動雙曲線鏡像，以便 使與數(shù)據(jù)中真實的雙曲線相互重疊比對。2 .使用形狀手柄可以使雙曲線鏡像的形狀與真實雙曲線相匹配。確?？梢愿采w整個真實的雙曲線，并記住使用真實雙曲線的尾部來幫助你調(diào)整形狀。這樣可以設置偏移速度。3 .調(diào)整寬度：可以通過左鍵點住豎線底部或頂部的拖動點來拖動鼠標。確保足夠寬以便包容整個真實雙曲線，但是也不要太寬以免將其它雙曲線包含進來。這樣就可以設置雙曲線搜尋寬度。4 .如果介質(zhì)是各向同性的， 你可以運行2D常量速度偏移

45、，若不是各向同性的，則點擊NEXT 去運行2D變量速度偏移。2D變量速度偏fT在與真實雙曲線匹配好之后，點擊NEXT進入下一對話框：變量速度偏移。這里允許你針對不同的深度輸入不同的速度值。當隨探測深度的介質(zhì)發(fā)生變化時，這種方法就經(jīng)常被用到，比如土壤的化學特性、孔隙率以及含水率都會隨著深度而變化，若使用二維常量速度偏移就會出現(xiàn)巨大的偏差。在一個條件不確定的測區(qū)，使用變量速度偏移可以得到更為準確的深度 計算值。注意：這種偏移不會產(chǎn)生一個單獨的介電值，并不會代替頭文件中的介電常量。1 .使用鼠標，點擊數(shù)據(jù)文件中的幾個雙曲線的頂部它們經(jīng)常表現(xiàn)為彩色環(huán)，每個被點擊的雙曲線將被用來計算波速盡量選擇不同深度

46、的目標（雙曲線），因為測區(qū)的介質(zhì)中的波速不僅在橫向上變化，而且在深度方向上也彼此不同（ 此條至關重要）2 .計算結果在對話框的左側顯示，在右側以表格的形式顯示。每個目標的位置和速度由一個置信水平?jīng)Q定。置信水平在左側以不同的顏色顯示：白色對應高水平，黑色對應低水平，灰色對應中等。在對話框右側的電子表格提供了關于目標的大量信息：目標位置，估計速度以及其置信水平。速度曲線1 .在速度分布對話框里，選擇具有高水平置信度的點，比如白色的，然后雙擊這些點就產(chǎn) 生相應的速度曲線。該曲線被定義為點速度函數(shù)。2 .通過選擇這些參考點，用戶可以向左或向右拖動這些參考拐點來生成最佳速度剖面。 單擊“運行變速偏移”按

47、鈕，運用偏移函數(shù)，將產(chǎn)生最終的結果剖面。在不同的雷達剖面 的不同深度上，運用變速偏移比常速偏移對點狀目標體更加準確。 如果在首次偏移后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)偏移過度，應該減小相對速度。 過度偏移的反射層在雷達圖像上表現(xiàn)為 雙曲線倒置（就如同“微笑”的形狀）。 相應的，如果偏移量過小，就應該增加相對速度。過小偏移則在雷達圖像上表現(xiàn)為雙曲線 部分或全部的縱向收縮。偏移提示：1 .繞射頂點不會移動2 .雙曲線會縮到；一個點狀，或者圈狀。偏移處理例子原始剖面中管線和油罐的繞射較為嚴重，而且掩蓋了一些深部的信息選擇可希霍夫偏移模式通過調(diào)節(jié)鏡像雙曲線與剖面中的真實雙曲線相匹配，來設定參數(shù):因為探測介質(zhì)是非均勻的，故選擇

48、變速二維偏移，并拾取雙曲線頂點（注：綠色矩形框縮標的就是取圓環(huán)）: / 若/，。睡二m人熹、，用T0,0 ,iiD.n2如，匚31U 二40.0 J50二fiDJ繪制速度曲線:Target Pickine and Velocity EfftiBationKuTlV*r l sblt ¥«Lch2L tyth 筍 NiimTine | tffielT yg, l£弱】Q32. 3M0. 230孤國立0. S025TT. L680.15?9e上一步上捎布助點擊“運行變速偏移”按鈕，執(zhí)行偏移，結果如下，可見部分雙曲線偏移效果較好，但是 多數(shù)偏移不足，這就需要重新設置參數(shù)

49、從頭開始或者對當前的剖面進行二次偏移處理。口.口二10.0二20.031。二4Q.0二51。二60.0 -下圖就是處理效果較好的剖面：4. 6增加低振幅部分的可視性在RADA曲有三種方法用來增加低振幅部分或加強小振幅特征。利用顏色轉換功能調(diào)整時窗增益調(diào)整顯示增益利用顏色轉換功能(color transform)如何調(diào)整顏色轉換已經(jīng)在前面進行了我詳細闡述。顏色轉換的默認為1,其色標由8個負極顏色和8個正極顏色組成，每個顏色段的長度是均等的。一般來說，較小振幅變化可以被視為電磁波遇到地下層面發(fā)生較大變化的標志，比如，地下水面上浮動的油脂會是振幅發(fā)生較小的變化。為了加強較弱的振幅反映，建議選擇顏色轉

50、化2,若要達到更強的效果，則可以選擇3。用戶可以自行選擇顏色轉換模式，用于突出較弱的反映體。顏色轉換功能可以用來壓制較高振幅的反射，并突出用戶感興趣的反射，比如金屬管道，地下油罐。時窗增益參數(shù)因廠一般來說，執(zhí)行了濾波之后信號的振幅會有所降低。RADA瞅件允許用戶利用增益功能，來補償振幅的降低?？偣灿袃煞N增益方式：時窗增益和恢復增益。時窗增益可以幫助用戶來調(diào)整數(shù)據(jù)的增益，而恢復增益則可以那些去除在采集時應用到數(shù)據(jù)中的增益。時窗增益在RADA曲有三種時窗增益方式：自動增益，線性增益，指數(shù)增益。線性增益&指數(shù)增益函數(shù)是用于數(shù)動增益模式的，允許用戶手動操作增益點。增益點即可以通過參數(shù)框輸入，也

51、可以用手動拖動增益點來調(diào)整。 當選擇線性和指數(shù)增益時，增益調(diào)整就可以被應用到整個數(shù)據(jù)。增益曲線不僅可以增加弱振幅的部分而且可以增加高振幅部分。 線性函數(shù)在增益點之間進行增益。 指數(shù)函數(shù)則可以在增益點之間進行指數(shù)增益，指數(shù)增益函數(shù)在豎向上的尺寸用分貝來表不。 自動增益是用來平衡每一道之間的增益，在運行自動增益是需要輸入一個水平時間常量(Horizontal time constant ),該常數(shù)決定了在當前道的左邊有多少道用于形成自動增益函數(shù)曲線，這應用了加權濾波。一個較小的值意味著賦予當前道附近的道更多的權重，較大的值則將給予較遠道更多的權重。 當同時使用自動增益和手動增益時，建議將增益點設置

52、為48。當用自動增益時增益點一般設置為25,而水平時間常量設置為1121。恢復增益（該功能不是很懂）恢復增益函數(shù)可以用來去除采集時用到數(shù)據(jù)上的增益?；謴驮鲆媸且粋€重要選擇，可以 將數(shù)據(jù)輸出到正演模型程序，或決定電性常量，導電常量，或層間衰減率。恢復增益函 數(shù)利用頭文件中的增益信息來去除增益函數(shù)，使增益正?；Ｗ⒁猓涸鲆娉^30分貝會導致數(shù)據(jù)嚴重丟失。顯示增益為改變顯示增益，可以在屏幕上點擊右鍵然后選擇顯示增益。你可以在預設的菜單中選 擇0.0625到16。這可以改變整個時窗?？梢試L試不同的顯示增益參數(shù)，一直到比較容 易辨認低振幅的目標。4. 7增加微弱信號得可視性并生成更清晰得數(shù)據(jù)剖面Hilb

53、ert 轉換：發(fā)現(xiàn)細微特萬（詳見第三章的相關內(nèi)容）Hilbert 變換參數(shù)選擇1.使用Hilbert變換時需要輸入一些參數(shù)：起始樣本點，終止樣本點需要轉換的方式（振幅值，瞬時相位or瞬時頻率）,頻率范圍2.用戶可以使用 Trsform to 功能來選擇數(shù)據(jù)的顯示方式：振幅值，瞬時相位or瞬時頻率頻率范圍（frequency scale框要以“周期數(shù)/道數(shù)”來輸入，當你選擇瞬時頻率 的顯示方式時，該值應該是所要輸出的數(shù)據(jù)的最大振幅。靜態(tài)校正靜態(tài)校正經(jīng)常被用來補償在水平方向上出現(xiàn)的高程變化，相位變化以及高頻噪音，它通常是數(shù)據(jù)處理的最后一步。靜態(tài)校正假定近似水平的反射層是連續(xù)的，但因為天線耦合不好、 零點出問題或這局部速度的變化，會導致出現(xiàn)不連續(xù)的情況。有時候，經(jīng)過一些列的處理步驟后，一旦水平（或近似 水平）和連續(xù)反射層出現(xiàn)不連續(xù)的情況或者在旅行時間上發(fā)生輕微變化，都會導致難以追蹤反射體。而靜態(tài)校正可以對此作出修正。靜態(tài)校正可以補償那些因為在特定時間窗口內(nèi)出現(xiàn)的反射層移動而產(chǎn)生的噪聲干擾。靜態(tài)校正的另外一個功能就是在不影響數(shù)據(jù)的豎向頻率的