| 标题 | 孤立目标体特性影响地质雷达成像试验研究 |
| 范文 | 刘磊 魏松 常前朋 李慧敏 摘要：在利用地质雷达进行目标探测时，常因探测目标的差异和对所得数据解析处理的不同，导致探测目标和探测环境难以判定等问题。针对该问题，通过对地质雷达探测技术的分析总结，利用LTD2100地质雷达设备，进行了数种已知孤立目标物的探测试验，研究了孤立目标体在不同外界因素下的回波数据，得出相应的结论。结果表明：孤立目标体的尺寸、埋深、形状以及材质是影响其雷达成像的主要因素；孤立目标体周围介质对其成像有一定程度的影响，即在相同条件下，介质的介电常数越大，雷达数据的分辨率越低；采用不同频率天线对同一目标体进行探测，在探测深度允许的情况下，应选择频率较高的天线，以获得较大的分辨率，并有利于后期的分析解读。 关键词：地质雷达，孤立目标体，目标探测，数据识别 中图分类号：TN959文献标志码：A文章编号：1672-1683（2015）-002-0018-04 地质雷达是利用超高频电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探仪器[1]，是不断发展的微电子、瞬态电磁场检测、超宽带收发天线、信号处理以及计算机等高新技术融合的产物[2]。在对目标体探测的众多手段中，因其具有高效率、高分辨、低成本、无污染、探测结果直观[3]，可以探测地下金属和非金属目标等特点，已在水利、土木、交通等工程建设中发挥重要作用[46]。 在探测时，均匀介质中的非均匀目标体以电磁波的形式反映在雷达主机上。孤立目标体在雷达主机上的图像随着目标体的介电常数以及埋藏深度、大小、形状等的变化而有所变化，一般来说，目标体与周围介质的电性差异越大，在雷达主机上的成像越明显，对目标体的判读就越有利[7]。由于在不同的外界因素下，目标体在雷达主机上成像有所不同，所以掌握孤立目标体的成像特征，即可快速对探测结果进行解释分析，提高工作效率。此外因地下探测环境的复杂性以及对所得数据分析处理及理解不同，常出现探测目标难以判定、探测环境难以标定等问题。 针对地质雷达在探测工作中存在的问题，利用LTD2100地质雷达设备，进行了相关目标体尺寸不同、深度不同、材质不同、周围介质不同时的探测分析以及基于不同频率的目标体探测试验，研究了地下介质中孤立目标体在不同外界因素下的回波数据，得出相应结论。所得结论对地质雷达回波成像识别、数据的相关处理、及其在实际工程中进一步应用有一定的实践价值。 1地质雷达探测技术 1.1地质雷达工作原理 地质雷达在进行探测工作时，在雷达主机的控制下，脉冲源发射高频宽带电磁波并直接反馈给发射天线，经由发射天线耦合到地下信号。在地下介质传播过程中，电磁波遇到存在电性差异的介质就会发生反射信号。位于地面的接收天线接收地下反射信号后，直接传输给接收机，反射信号经接收机整理、放大等一系列处理后，传送到微机。微机对处理后的信号依照其幅度的大小进行编码，最终以伪彩色图、灰度图或堆积波形图显示出来。显示的雷达数据经过后期处理软件处理形成二维剖面图，供解读人员进行解读以判断地下目标的深度、大小和方位等[8]。 1.2地质雷达的探测方法以及参数设置 [JP2]地质雷达探测方式的选择依探测目的和探测内容的不同而不同[9]。目前常用的探测方式包括剖面法、多次覆盖法、宽角法和多天线法。本论文的探测试验主要采用剖面法。[JP] 地质雷达参数设置的正确与否直接关系到后期雷达数据的分析与解读，故需对测区的地质情况要有所了解，以利于正确的设置雷达参数。地质雷达系统的主要参数包括天线主频、时窗设置、增益调节、介电常数等。 正确的参数设置使得采集的雷达数据获得较为合适的分辨率。分辨率是指将能区分开两个相距非常近脉冲信号的能力[10]，包括水平分辨率和垂直分辨率[11]。传播介质的吸收特性是影响水平分辨率的主要因素，吸收特性越强，目标体的中心反射能量与边缘的反射能量的相对差距就越大，其水平分辨率就越高。垂直分辨率主要受到发射信号的脉冲宽度影响，而发射信号的脉冲宽度又取决于天线的中心频率和频带宽度，电磁脉冲信号频率越窄，其频带宽度就越宽、垂直分辨率越高。 1.3孤立目标体成像原理 （1）原理简介。 对于孤立的目标体，雷达数据成像为典型双曲线形式[12]，其成像原理为：发射天线所发射的电磁波是以圆锥体的形式向四周扩散发射，发射天线移动扫描过程中，在没有移动到目标体的正上方就会探测到目标体的存在，以此时目标体与接收天线之间的距离作为当前波形记录在接收天线的正下方，随着发射天线的接近、经过和远离，就会在雷达数据上表现为双曲线形式，见图1。一般来说，双曲线的顶端是反射最强烈的地方，也是目标体的真实所在位置。 [FK（W] 图1雷达数据中双曲线成像原理 [FK）] （2）试验验证。 以上是从理论上分析了雷达数据双曲线的成像原理，论文通过试验验证其正确性。为避免目标体周围介质的孔隙率对试验结果的影响，本次试验采用水作为介质。试验目标体是位于水下10 cm、直径为15 cm的钢筋。雷达参数采用天线频率1 500 MHz、介电常数为81。图2为实际采集的雷达数据。 [FK（W] 图2钢筋的雷达数据 [FK）] 对图2进行解读可知，雷达数据中存在着明显的典型双曲线形式，且双曲线的顶端反应最为强烈，应为钢筋的真实所在位置。 地质雷达在实际探测应用过程中，由于目标体和电磁波传播介质的多样性和复杂性，往往会对目标体回波数据成像造成一定影响，例如目标体的埋藏深度、目标体的尺寸以及目标体周围的介质不同等因素，都会对目标体的数据成像造成不同程度的影响。本文主要研究外界因素不同时对数据成像的影响，并根据地质雷达的实测数据分析解读常见目标体的典型成像特征，为地质雷达数据的后期处理与判读提供科学依据。 [BT（2][STHZ]2[ZK（]孤立目标体不同特性影响地质雷达成像试验[ZK）] 2.1目标体尺寸不同时的探测分析 （1）试验目标体以及雷达数据。 试验目标体是位于水下10 cm的3个PVE管，直径分别为5 cm、3 cm、18 cm。雷达参数采用天线频率1 500 MHz、介电常数为81。实际采集的雷达数据见图3。[FL）] 图3目标体尺寸不同时的雷达数据 [FL（K2] （2）试验结果解读分析。 [JP2]根据图3的数据，不同尺寸的目标体在雷达数据回波图像上均有不同程度的异常特征现象，但不同尺寸目标体在雷达数据上的异常区域位置以及面积不尽相同。可见，地质雷达进行实际探测时，在测探环境和雷达系统设置不变的情况下，目标体尺寸越小，目标体与电磁波接触的范围就越小，反射信号的强度也会变弱，这使得目标体在雷达数据上的成像面积变小，[JP3]且目标体的典型特征变得很模糊，不易于解读人员进行解读。相反，当目标体的尺寸较大时，其反射信号的强度就会很强，在雷达数据上的成像也就越明显，易于识别与解读。[JP][HJ1.6mm] 2.2目标体深度不同时的探测分析 （1）试验目标体以及雷达数据。 试验目标体是长100 cm、直径08 cm的钢筋，埋藏深度分别为10 cm、20 cm、30 cm。目标体周围介质为湿沙。雷达参数采用天线频率900 MHz、介电常取20。实际采集的雷达数据见图4。[FL）] 图4目标体埋深不同时的雷达数据 [FL（K2]（2）试验结果解读分析。 分析图4可知，埋藏深度不同的目标体在地质雷达上都有不同程度的异常反应。当目标体埋深10 cm时，其特征异常反应最为明显，埋深20 cm的目标体异常反应较为明显，而目标体埋深30 cm时，其雷达数据成像较为模糊，不易于分辨。 在探测环境和雷达系统参数不变的条件下，目标体埋深越浅，目标体的反射信号的强度越大，其回波图像的异常特征就越明显；目标体埋藏越深，由于传播介质对电磁波的吸收以及电磁波的衰减，目标体的雷达成像就越不清晰。随着深度的不断加大，目标体的反射图像趋于变缓，甚至不显现。这也说明了地质雷达的探测深度是有限的。根据经验[3]，如果[HJ1.7mm]目标体的埋藏深度超过地质雷达的探测深度的一半时，会存在很大的误差，不建议使用地质雷达进行探测。此外，电磁波的波速、介质的介电常数等也是影响探测深度的因素。 2.3目标体材质不同时的探测分析 （1）试验目标体以及雷达数据。 试验目标体描述如下：长100 cm、直径15 cm的钢筋；长100 cm、直径18 cm的PVE管；长15 cm、宽15 cm、高15 cm的混凝土块；长24 cm、宽115 cm、高15 cm的砖块。目标体均位于水下10 cm处。雷达参数采用天线频率1 500 MHz、介电常数为81。实际采集的雷达数据见图5。[FL）] 图5目标体材质不同时的雷达数据 [FL（K2]（2）试验结果解读分析。 对图5解读可得出如下结论。 ①[JP+1]四种材质各异的目标体在雷达数据上的成像均有不同程度的显示，这说明地质雷达的应用范围较广，不仅能探测金属，还能探测非金属如PVE、砖块等与周围介质存在电性差异的目标体。但分析图5（a）与图5（b），在外界环境大致相同时，金属材质目标体的反射信号强度要比非金属的高，差异更加明显。这是因为金属材质的目标体与周围介质水的介电常数存在较大差异，所以其雷达数据的异常特征更加明显。地质雷达数据成像是按照反射信号强度的大小形成的，因此目标体的材质是影响数据成像的重要因素之一。[JP] ②在图5（c）中的[JP]雷达数据图像上，典型特征双曲线的顶点存在一距离很短的水平段，且反射信号较强，而图5（d）中的雷达数据图像与图5（c）中有明显的不同，图5（d）中特征双曲线上没有较为明显的水平段。这是因为地质雷达发射天线的水平分辨率有限，而混凝土块比砖块更宽，所以较窄的砖块没有显示出水平段。图5（c）中双曲线顶[JP]端水平段为混凝土块的上表面。 ③在四个雷达数据回波图像中，都有曲线或者弧形的特征，但在图5（c）中双曲线的顶点存在一距离很短的水平段，与典型双曲线有一定的差别。因此目标体的材质、形状等是影响目标体成曲线或弧形特征的因素，而探测环境往往较为复杂，目标体呈现双曲线形式并不是绝对的。 2.4目标体周围介质不同时的探测分析 （1）试验目标体以及雷达数据。 试验目标体为长100 cm、直径08 cm的钢筋、埋深10 cm。目标体周围的介质分别为：纯净水，介电常数为81；湿沙，介电常数取20；空气，介电常数为1。天线频率为1 500 MHz。实际采集的雷达数据图像见图6。 （2）试验结果解读分析。 分析图6中的雷达数据可知，目标体在空气中的雷达数据特征最为明显，在水中的雷达数据最为模糊，而湿沙中的雷达数据异常特征介于两者之间。 [FL）] 图6目标体周围介质不同时的雷达数据 [FL（K2] 对于相同目标体在不同介质中回波图像的异常特征存在明显差异，主要是由电磁波反射信号的强弱决定的。电磁波在传播介质中会有不同程度的衰减，而衰减的程度主要与传播介质的介电属性有关。本次试验的三种介质分别为水、湿沙和空气。介质的介电常数越大，电磁波衰减程度就越大，致使其反射信号的强度较弱，其异常特征就越不明显。因此正确设置雷达系统的介电常数对雷达数据的后期处理与判读至关重要。 2.5基于不同频率的目标体探测分析 （1）试验目标体以及雷达数据。 试验目标体是位于水下10 cm、长100 cm、直径15 cm的钢筋。采用不同频率的天线进行探测，分别为天线频率1 500 MHz和天线频率900 MHz。雷达系统的介电常数设置为81。实际采集的雷达数据图像见图7。 [FK（W] 图7天线频率不同时的雷达数据 [FK）] （2）试验结果解读分析。 从图7（a）和图7（b）分析对比可知，在其他外界条件相同时，采用不同频率的天线所探测的目标图像有所不同。图7（a）中采用频率为1 500 MHz的天线，目标体成像效果明显，且典型特征双曲线较为清晰，分辨率较高。图7（b）中采用频率为900 MHz的天线，目标体成像表现为趋于水平的直线而不是表现为典型特征双曲线，且成像较为模糊，分辨率比较低。本次试验充分说明在探测过程中天线频率选择的重要性。 3结论 （1）通过对地质雷达工作基本原理的阐述，总结了地质雷达常用的探测方式。并对地质雷达系统参数的设置进行介绍，分析了对地质雷达分辨率的影响因素。 （2）系统的分析了对于孤立目标体成像的影响因素。通过多组实验，[JP2]主要包括目标体尺寸不同、深度不同、材质不同、周围介质不同时的探测分析以及基于不同频率的目标体探测分析，得出结论：孤立目标体的自身特性如尺寸、埋深、形状以及材质是影响其雷达成像的主要因素。对于孤立目标体，大部分雷达数据都存在程度不一的曲线或弧形特征，但探测环境往往较为复杂，[JP]目标体的材质、形状等影响目标体成曲线或弧形特征，因此目标体呈现双曲线形式并不是绝对的。 （3）孤立目标体周围介质对其成像有一定程度的影响。相同条件下，介质的介电常数越大，雷达数据的分辨率越低；采用不同频率天线对同一目标体进行探测，在探测深度允许的情况下，应选择频率较高的天线，已获得较大的分辨率，有利于后期的分析解读。 参考文献： [1]吴宝杰.探地雷达二维正演模拟及其工程实例[D].浙江：浙江大学，2007. 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