探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集與解釋

1、探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集以及解釋山東大學(xué)巖土中心第1章探地雷達(dá)簡(jiǎn)介11工作基本原理探地雷達(dá)（GroundPenetratingRadar，簡(jiǎn)稱(chēng)GPR）是利用頻率介于106109Hz的無(wú)線電波來(lái)確定地下介質(zhì)的一種地球物理探測(cè)儀器。隨著微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，探地雷達(dá)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察、建筑結(jié)構(gòu)調(diào)查、公路工程質(zhì)量檢測(cè)、地下管線探測(cè)等眾多領(lǐng)域。探地雷達(dá)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(guò)程中遇到存在電性差異的地層或目標(biāo)體就會(huì)發(fā)生反射和透射，接收天線收到反射波信號(hào)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(lái)。對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，可

2、根據(jù)反射波的旅行時(shí)間、幅度和波形，判斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)及其分布。探地雷達(dá)是在對(duì)反射波形特性分析的基礎(chǔ)上來(lái)判斷地下目標(biāo)體的，所以其探測(cè)效果主要取決于地下目標(biāo)體與周?chē)橘|(zhì)的電性差異、電磁波的衰減程度、目標(biāo)體的埋深以及外部干擾的強(qiáng)弱等。其中，目標(biāo)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(dá)剖面圖上就是同相軸不連續(xù)?？梢哉f(shuō)，目標(biāo)體與周?chē)橘|(zhì)之間的電性差異是探地雷達(dá)探測(cè)的基本條件。IFt丨丨|汕丨|擁I圖1探地雷達(dá)基本原理12電磁波傳播特征探地雷達(dá)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，為介質(zhì)的介電常數(shù)，常見(jiàn)介質(zhì)的介電常數(shù)如表1所示。材質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)材質(zhì)相

3、對(duì)介電常數(shù)粉質(zhì)粘土6水81干砂35灰?guī)r48濕砂2030-+HULJuLr花崗巖47金屬300砂巖6PVC塑料3.3頁(yè)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(jiàn)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(fù)，則相位與發(fā)射脈沖相反，若反圖2圖l.Lfl合成雷達(dá)記當(dāng)圖l.Lfl合成雷達(dá)記當(dāng)單ft戶(hù)(厲fm)v(ru/ns)jffti)圖1.18為計(jì)算例子如第一層面的雙程走肘為50ns,在此之前所記童的是沿地叢甌惻到達(dá)的波在此之后記錄到層面的反贈(zèng)脈沖.由于該層面時(shí)反射系數(shù)為負(fù)億，相位反蒔Tno又如幫三層面的雙程走時(shí)苛98刀

4、向由于反射系數(shù)無(wú)正，相位和發(fā)射脈沖一致。右側(cè)標(biāo)出了界面深度。3雷達(dá)的分辨率對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)方式.它的分辨率也是一個(gè)必須了解的內(nèi)容.地質(zhì)雷達(dá)的分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。地質(zhì)雷達(dá)的垂直分辨率主要由地質(zhì)雷達(dá)的波長(zhǎng)的二分之一決定。從波的傳播規(guī)律可知，識(shí)別目標(biāo)體的尺度一般需大于1/2波長(zhǎng)，假設(shè)垂育最小可分辨的層的厚度為Dm。則它的計(jì)算式為：Dm=O.5A=c/2/V其中，c為電磁波在真空中的傳播速度?？梢?jiàn)頻率越高，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(dá)的水平分辨率是指地質(zhì)雷達(dá)在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸的能力。通常用Fresenel來(lái)表示，當(dāng)

5、反射面的埋深為H,發(fā)射，接受天線的間距遠(yuǎn)小于H時(shí)，Rf就是水平分辨率的最小尺度。從計(jì)算公式可以看出.當(dāng)目標(biāo)體埋深越大，雷達(dá)波頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，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(dá)數(shù)據(jù)的采集雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的步驟如下：1儀器安裝調(diào)試；2現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)以及其它情況記錄；3布置測(cè)線；4參數(shù)設(shè)置；5參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)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(xiàng)說(shuō)明。21儀器安裝調(diào)試必須在斷電的狀態(tài)下進(jìn)行安裝和拆卸；如果現(xiàn)場(chǎng)空氣比較潮濕或者有水，注意防潮防水，以免短路導(dǎo)致?lián)p壞電路；22現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)記錄記錄現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，以免現(xiàn)場(chǎng)的干擾在雷達(dá)記錄中造成假象，擾亂最終的解釋。23布置測(cè)線

6、如果已知探測(cè)對(duì)象的大體走向，盡量使測(cè)線與其走向正交；24參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置是關(guān)系到采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵工作，各項(xiàng)參數(shù)如下：Collect菜單（如圖4）：注：增益:地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在介質(zhì)中傳播過(guò)程中，在電性（介電常數(shù)）分界面上會(huì)發(fā)生發(fā)射，有一部分電磁波繼續(xù)向下傳播，傳播過(guò)程中電磁波能量會(huì)被介質(zhì)吸收。隨著深度的增加，電磁波能量減弱，信號(hào)幅度相應(yīng)地減小，不利于信號(hào)識(shí)別和辨認(rèn)。為了能更好地識(shí)別信號(hào)特征，采用增益（gain）函數(shù)來(lái)提高信號(hào)的幅度，使得信號(hào)的細(xì)微變化更容易顯示和識(shí)別。增益菜單有兩個(gè)選項(xiàng)：手動(dòng)/自動(dòng)Manual/Auto,增益點(diǎn)數(shù)Points,GPl、GP2、GP3-GP5。在采集主機(jī)的屏幕

7、的右半部分有一個(gè)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(zhuǎn)折點(diǎn)點(diǎn)就是增益控制點(diǎn)。適當(dāng)?shù)脑鲆婧瘮?shù)會(huì)提高信號(hào)的可視性，但是增益過(guò)大會(huì)出現(xiàn)削波現(xiàn)象，應(yīng)該避免削波現(xiàn)象。位置確定：雷達(dá)剖面的最頂端并不是第一個(gè)反射面（比如在地面探測(cè)時(shí)，剖面的頂端并不是地面），這主要是因?yàn)椋旱谝?，系統(tǒng)延時(shí)，即主機(jī)給出發(fā)射指令到天線開(kāi)始發(fā)射的延遲時(shí)間，第二，直達(dá)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(yīng)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(cè)時(shí)在地面放置一根電纜與測(cè)線正交，天線經(jīng)過(guò)電纜時(shí)在剖面上會(huì)記錄下電纜的位置，通過(guò)識(shí)別電纜就可以確定零線的位置了。F

8、COLLECTQPRADAR400MHZ|選擇天銭類(lèi)型，一般主機(jī)會(huì)自動(dòng)識(shí)別天跋類(lèi)型并自動(dòng)選擇IBATEi天線的垸射率該值越犬采集速蠱越快MODEDistance|采集櫃式分為距離測(cè)量輪複式點(diǎn)測(cè)複式也及時(shí)間連續(xù)複式GPSNone|耒于g畔的選頊，一股不選0孑SCAN口SAMPLES512采集樣?xùn)藬?shù)它決定了垂宜分辨率的丈小一般丸5螢或若i此4口FORMATbits)16|數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式.一股為16位口RANGE(nS)60|時(shí)窗范圍，決定了采集裸度的犬小DIEL10,301介電翩是進(jìn)疔時(shí)深轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵參數(shù)RATE100I掃描率，即每秒聊采集的掃描數(shù)SCN/UNIT18,001毎單位水平距靄的掃描數(shù)SD

9、PGAIN|増益粟單(詳見(jiàn)注1)AUTO|増益複式選擇，分為自動(dòng)増益和手動(dòng)増益POINTSj|増益的揑制點(diǎn)數(shù)GP1(dB-1UI第一牛増益點(diǎn)的増益分貝數(shù)GP215I勢(shì)牛増益點(diǎn)的増益分貝數(shù)GP3dB)2o|第三牛増益點(diǎn)的増益分貝數(shù)oPOSITIONI專(zhuān)點(diǎn)位置設(shè)定詳見(jiàn)注卩口AUTO|自動(dòng)梗式和手動(dòng)梗式選擇OFFSET2500天緒內(nèi)部延時(shí)參數(shù)，因?yàn)樵撝挡击诨创_確定，斯以一般使用自動(dòng)棋式-口SURFACE(%)7.00|確圭地面的位置3巒FILTERSLPIIRgQOhr低通濾滾器口HP*IIR丄CC1111高通濾波黑口LPIRQFTK低通濾波器口HPFIR0|FIE高適濾波器口STACKING3|直

10、加用于去除高平千擾，數(shù)值越丈，信號(hào)越平滑，但是太大會(huì)掩蓋崖實(shí)信息BGRRMVL0|器去除，用于去院愜頻信號(hào)圖4collect菜單的注解Playbacck菜單（如圖5）該菜單用于瀏覽已經(jīng)采集的文件，在該菜單下有一個(gè)SCAN和PROCESS子菜單，通過(guò)子菜單可以可以進(jìn)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(huì)改變?cè)瓟?shù)據(jù)。-QPPLAYBACKI數(shù)據(jù)回放SOPSCAN口MEL10,000SURFACE（）10,0C0CPPROCESSLP_IIR0O0L?2fir0nhp2firoOSTACKING0BGR_RMVL0OAGC_OFF|畠動(dòng)增益控圖5Pl

11、aybacck菜單的注解Output菜單（見(jiàn)圖6）該菜單的主要功能就是設(shè)置數(shù)據(jù)的顯示參數(shù)和數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。圖6Output菜單的注解System菜單參數(shù)設(shè)置（見(jiàn)圖7）-GFSYSTEM|系統(tǒng)參數(shù)日了UNITSI單位設(shè)置DEPTHfoot丨灤度單位選扌華DISTANCEfoot距離單位選擇口VSCALEdepth-ETSETUPI諛蜀RECALLI調(diào)用參歎SAVE|保存茲數(shù)-O?PATHI存儲(chǔ)路徑NEW|新產(chǎn)路徑曰歹BACKLIGHTI屏幕背景燈光設(shè)置口LEVEL4|売度水平設(shè)置日Or1DATE/TIMEI日期設(shè)置DATE0TIMEBATTERY|電池STATUS|電童狀態(tài)樓LANGUAGE丨語(yǔ)言口

12、ENGLISHI英語(yǔ)模式-UPVERSIONSHOW-UPVERSIONSHOWIS圖7System菜單的注解5參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試調(diào)試技巧：如果出現(xiàn)削波（振幅過(guò)大）或者振幅過(guò)小的現(xiàn)象，需要調(diào)節(jié)增益設(shè)置；如果出現(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(biāo)體并且該目標(biāo)體可以在雷達(dá)剖面上識(shí)別的話，可以通過(guò)該目標(biāo)體的深度來(lái)反算波速，進(jìn)而求出介電常數(shù)。這樣求出來(lái)的介電常數(shù)比較接近真實(shí)值。如果沒(méi)有已知深度的目標(biāo)體，可以打鉆確定一個(gè)目標(biāo)體，然后量測(cè)其深度，用同樣的方法來(lái)反算介電常數(shù)。2.6數(shù)據(jù)采集注意事項(xiàng)：天線拖動(dòng)過(guò)程中要?jiǎng)蛩?，并且不要發(fā)生跳動(dòng)現(xiàn)象，跳動(dòng)現(xiàn)象會(huì)造成非常大的干擾。打標(biāo)記要及時(shí)，

13、盡量不要重復(fù)。隧道拱頂或者拱腰部位探測(cè)時(shí)，可以使用臺(tái)車(chē)（由裝載機(jī)拖動(dòng)臺(tái)車(chē)），汽車(chē)架子和裝載機(jī)架子，如圖8。其中臺(tái)車(chē)最安全，汽車(chē)架子最不平穩(wěn)。臺(tái)車(chē)（由裝載機(jī)拖動(dòng)）汽車(chē)架子圖臺(tái)車(chē)（由裝載機(jī)拖動(dòng)）汽車(chē)架子圖8各種架子裝載機(jī)架子第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(hào)，提高信噪比，這是進(jìn)行成果解釋的前提，只有進(jìn)行仔細(xì)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(jìn)行多次調(diào)試對(duì)比，才能達(dá)到較好的處理效果。本章將對(duì)各個(gè)步驟進(jìn)行詳細(xì)講解。尺寸調(diào)整繪制測(cè)線布置圖尺寸調(diào)整產(chǎn)頻譜分析數(shù)據(jù)分析亠希爾伯特變換確定處理流程和參數(shù)增益處理IIR濾波數(shù)據(jù)處理FI

14、R濾波1F-K濾波算術(shù)運(yùn)算反卷積處理效果，偏移處理靜態(tài)校正好希爾伯特變換成果解釋報(bào)告編寫(xiě)圖9雷達(dá)數(shù)據(jù)分析和處理流程3.1繪制測(cè)線布置圖和尺寸調(diào)整3.1.1繪制測(cè)線布置圖內(nèi)業(yè)工作的第一步就是將現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)線布置草圖繪制成正式文檔。由于現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)數(shù)據(jù)文件是以編號(hào)命名的，所以每條測(cè)線所對(duì)應(yīng)的文件編號(hào)需要記錄在文檔中，以防混亂。如下圖10，就是雷達(dá)探測(cè)橋洞的測(cè)線布置圖，可見(jiàn)在圖中標(biāo)注了測(cè)線的方向以及測(cè)線所對(duì)應(yīng)的文件編號(hào)，應(yīng)該盡量多的將現(xiàn)場(chǎng)信息反映在布置圖上，有助于在解釋過(guò)程中識(shí)別干擾，必要時(shí)可以做文字說(shuō)明。122B伽5mB伽5m圖10雷達(dá)測(cè)線布置圖3.1.2雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面的尺寸調(diào)整由于在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中存在以下

15、的情況：采用時(shí)間連續(xù)采集模式的時(shí)候天線走速不均勻，導(dǎo)致標(biāo)記（等距離標(biāo)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(dá)剖上造成假象；由于直達(dá)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(duì)以上的情況，需要進(jìn)行尺寸調(diào)整，各功能模塊如下：距離正常化水平尺寸調(diào)整水平長(zhǎng)度的縮放剖面文件拼接尺寸調(diào)零線調(diào)整整深度正?；怪背叽缯{(diào)整距離正常化距離正?；擁?xiàng)功能允許你在標(biāo)記（必須是等距標(biāo)記）之間建立等長(zhǎng)尺寸，也就是要求在標(biāo)記之間每單位距離上的尺寸等同，或道數(shù)一樣。在沒(méi)有測(cè)量輪的情況下以連續(xù)模式采集數(shù)時(shí)，天線移動(dòng)速度難以保持恒速，這樣就需要利用距離正?；墓δ?。聯(lián)合標(biāo)記或者距離

16、標(biāo)記（注：關(guān)于Mark數(shù)據(jù)庫(kù)的性質(zhì)與使用見(jiàn)軟件說(shuō)明書(shū)的的第二章）設(shè)定后，該項(xiàng)功能就會(huì)通過(guò)增或刪的方式來(lái)修正每個(gè)標(biāo)記之間的道數(shù)，當(dāng)然同時(shí)也修正了采集速度（天線運(yùn)行速度）。參數(shù)輸入框每單位長(zhǎng)廈之間的道數(shù)（單位畏度參數(shù)輸入框注意:在運(yùn)行該功能之前，必須確保標(biāo)記信息是正確的（無(wú)重復(fù)標(biāo)記，無(wú)丟失標(biāo)記，首尾標(biāo)記都存在，所有的用戶(hù)標(biāo)記都已經(jīng)轉(zhuǎn)化為距離標(biāo)記或聯(lián)合標(biāo)記）。Scans/unit,unit/mark都必須在頭文件中設(shè)置好，以便運(yùn)行該功能。unit/mark是根據(jù)測(cè)量時(shí)的設(shè)定來(lái)設(shè)置的。Scans/unit需要用鼠標(biāo)來(lái)清點(diǎn)每個(gè)標(biāo)記之間的道數(shù)（注意：因?yàn)樵诶走_(dá)剖面中顯示的是已經(jīng)做了疊加處理的數(shù)據(jù)，若每個(gè)標(biāo)

17、志之間的道數(shù)為3,而疊加次數(shù)為16,則實(shí)際每個(gè)標(biāo)志之間的道數(shù)為二者的乘積48,切記！該功能運(yùn)行之后，原數(shù)據(jù)中在第一個(gè)標(biāo)志之前的部分已經(jīng)被cutoff了。水平尺寸縮放一！可以通過(guò)水平尺寸縮放中的疊加，去除，添加功能來(lái)修改雷達(dá)數(shù)據(jù)。注意每次只能這三項(xiàng)功能中的一個(gè)。參數(shù)設(shè)置對(duì)話框參數(shù)設(shè)置對(duì)話框疊加（stacking）：使用該功能可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的滑動(dòng)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(xiàng)，你可以將指定的道去除，比如，你輸入?yún)?shù)1,就會(huì)每隔一道去除一道數(shù)據(jù)（因此，數(shù)據(jù)被壓縮到原來(lái)的二分之一）添加（stretching）：選擇此項(xiàng)，將拓展水平尺寸

18、。該功能將計(jì)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(shí)因?yàn)閳?chǎng)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?jǐn)?shù)據(jù)連接在一起，就要使用該功能了。選擇FileAppendFile.選擇所要連接的各個(gè)文件。點(diǎn)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(shí)和直達(dá)波存在，使得整個(gè)剖面的最頂部并不是地面的位置。確定地面的位置,對(duì)于精確的深度定位來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵，但是如何確定，目前還沒(méi)有定論，下面列舉三個(gè)常用的方法。根據(jù)RADAN介紹，百分之九十的情況下把直達(dá)波的第一個(gè)正峰位置作為地面。根據(jù)華東院資料，將直達(dá)波的第二個(gè)波瓣作為地面，如

19、下圖7根據(jù)華東院資料，將直達(dá)波的第二個(gè)波瓣作為地面，如下圖7h*FirstIwf-Qqoleoftr#nsrritt#fputs#Zeropoint根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以在探測(cè)時(shí)在起始部位放置一根電纜，在后處理時(shí)在剖面上識(shí)別出該電纜,這樣就可以確定地面位置了。F面以一個(gè)探測(cè)剖面為例說(shuō)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(gè)正峰位置是10.34ns,第二個(gè)峰值是14ns,而電纜位置是16.34ns,可見(jiàn)三者最大相差6ns，按照介電常數(shù)為8計(jì)算，深度偏差了30cm，對(duì)于超前預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)該誤差可以允許。而對(duì)于襯砌檢測(cè)來(lái)說(shuō)偏差較大，需要綜合三種方法來(lái)分析。表面正常化在測(cè)線布置時(shí)

20、會(huì)遇到地表起伏較大的情況，這就需要修正地表起伏對(duì)數(shù)據(jù)剖面的影響，進(jìn)而可以使水平或接近水平狀的反射體的反應(yīng)更接近實(shí)際。通過(guò)輸入標(biāo)記的z值就可以實(shí)現(xiàn)該功能。32數(shù)據(jù)分析傅立葉譜分析數(shù)據(jù)處理是進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋的基礎(chǔ)，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(chǔ)的，傅立葉譜分析是將雷達(dá)數(shù)據(jù)由時(shí)間域轉(zhuǎn)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(guān)于不同探測(cè)介質(zhì)的振幅頻譜特征，一下有幾個(gè)結(jié)論（摘自楊峰資料）：（1）水對(duì)高頻電磁波具有很強(qiáng)的吸收作用，這與水離子導(dǎo)電是密切相關(guān)的，離子導(dǎo)電增加了介質(zhì)的電導(dǎo)，而電磁波傳播與電導(dǎo)和頻率之間呈指數(shù)衰減

21、關(guān)系。（2）花崗巖不但對(duì)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(huì)形成一定的雜波信號(hào)。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(shì)必加寬信號(hào)的頻帶特征。具體的譜圖如圖13。水背景雷達(dá)頻譜特征空氣背景雷達(dá)頻譜特征水背景雷達(dá)頻譜特征花崗巖背景雷達(dá)頻譜特征干燥碎石背景雷達(dá)頻譜特征花崗巖背景雷達(dá)頻譜特征干燥碎石背景雷達(dá)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(dá)發(fā)射的高頻脈沖電磁波在地下傳播過(guò)程中將發(fā)生強(qiáng)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

22、射波相互疊加在一起，為數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了巨大的困難；同時(shí)，為了得到更多的反射波特征，地質(zhì)雷達(dá)通常利用寬頻帶進(jìn)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(shù)對(duì)這樣的信號(hào)進(jìn)行分析，有時(shí)難以取得理想的效果，嚴(yán)重影響了圖像解釋的可信度和精度，進(jìn)而影響了地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)效果。而希爾伯特變換可以較好的解決這個(gè)問(wèn)題，希爾伯特變換就是將記錄道的信息直接在時(shí)間域上轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)振幅，瞬時(shí)相位，瞬時(shí)頻率的技術(shù)。復(fù)信號(hào)的瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率這3種瞬時(shí)信息，一般是指一個(gè)特定的瞬間，而不是一個(gè)時(shí)間段的平均。地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)記錄道x(t)的復(fù)信號(hào)分析與地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)的傅立葉

23、譜分析分別在時(shí)間域和頻率域上對(duì)地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)的能量、頻率和相位等參數(shù)進(jìn)行分析檢測(cè)，它們?cè)谡穹蠠o(wú)本質(zhì)差別，而瞬時(shí)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(fù)信號(hào)分析技術(shù)與傅立葉譜分析技術(shù)的成果輸出不同，它可以將地質(zhì)雷達(dá)記錄中的瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率分離出來(lái)，得到同一個(gè)剖面的3個(gè)參數(shù)圖，因而其解釋方法與傅立葉譜分析技術(shù)的解釋方法亦有所不同。瞬時(shí)振幅是反射強(qiáng)度的量度，它正比于該時(shí)刻地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)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(dāng)?shù)貙哟嬖诿黠@介質(zhì)分層、滑裂帶或地下水分界面時(shí)，瞬時(shí)振幅會(huì)

24、產(chǎn)生強(qiáng)烈變化，反映在瞬時(shí)振幅剖面圖中就是分界面位置出現(xiàn)明顯振幅變化。瞬時(shí)相位是地質(zhì)雷達(dá)剖面上同相軸連續(xù)性的量度。無(wú)論反射波的能量強(qiáng)弱，它的相位都能顯示出來(lái)，即使是弱振幅有效波在瞬時(shí)相位圖上也能很好地顯示出來(lái)。當(dāng)電磁波在各向同性均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，其相位是連續(xù)的；當(dāng)電磁波在有異常存在的介質(zhì)中傳播時(shí)，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(shí)相位能夠較好地對(duì)地下分層和地下異常進(jìn)行辨別。當(dāng)瞬時(shí)相位圖像剖面中出現(xiàn)相位不連續(xù)時(shí)，就可以判斷該處存在分層或異常。瞬時(shí)頻率是相位的時(shí)間變化率，它反映了組成地層的巖性變化，有助于識(shí)別地層，當(dāng)電磁波通過(guò)不同介質(zhì)界面時(shí)，電磁波頻率將發(fā)生明顯變化。

25、這種變化可以在瞬時(shí)頻率圖像剖面中較為清晰地顯示出來(lái)，在地下介質(zhì)發(fā)生變化的時(shí)候，瞬時(shí)頻率也會(huì)發(fā)生顯著變化，需要指出的是，在反射層處瞬時(shí)頻率的大小在數(shù)值上與反射波的主頻對(duì)應(yīng)的很好，所以可以利用瞬時(shí)頻率的大小和穩(wěn)定情況來(lái)判斷地下介質(zhì)的穩(wěn)定性和巖性變化。對(duì)于同一探測(cè)對(duì)象，3種瞬時(shí)信息在同一位置發(fā)生明顯變化就可能反映探測(cè)對(duì)象在該處的物性變化。因?yàn)樵谶@3個(gè)參數(shù)中，瞬時(shí)相位譜的分辨率最高，而瞬時(shí)頻率譜和瞬時(shí)振幅譜的變化也較為直觀，所以通常根據(jù)瞬時(shí)頻率譜和瞬時(shí)振幅譜來(lái)確定地下異?；蚍謱拥拇蟾盼恢?，然后利用瞬時(shí)相位譜精確確定異常位置和分層輪廓線。有些時(shí)候，也可以直接利用瞬時(shí)相位譜來(lái)確定地下異常的位置。具體的分析

26、實(shí)例見(jiàn)第五章。第4章數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理是進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋的基礎(chǔ)，在RADAN中數(shù)據(jù)處理的方法非常多，應(yīng)該在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上決定采取那些處理方法，采取怎樣的處理步驟。針對(duì)不同的目標(biāo)，有不同處理方法。目標(biāo)方法去除水平噪音水平咼通濾波豎直咼通濾波空間濾波背景去噪高頻噪音（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(yùn)算功能顯示增益和窗口增益觀察細(xì)微的特征Hibert幅度轉(zhuǎn)換空間濾波生成更為清晰的數(shù)據(jù)四則運(yùn)算功能Localpeaks（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(xiàng)在下面具體講述。4.1去除水平噪音所謂的水平干擾信號(hào)

27、，就是指水平帶狀干擾，通常具有低頻特征，經(jīng)常會(huì)干擾一些真實(shí)的反映體，如下圖:（b）頻譜圖（可以看出低頻干擾較多）圖的反映體，如下圖:（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(duì)應(yīng)的頻譜圖圖2水平干擾（可以看出剖面主要被水平信號(hào)覆蓋）IIR水平高通濾波濾波器長(zhǎng)度應(yīng)該先設(shè)為數(shù)據(jù)剖面的最大道數(shù)（應(yīng)該為奇數(shù)），如果該數(shù)值超過(guò)225，則應(yīng)該選擇225。這樣，在水平方向上長(zhǎng)度等于或超過(guò)該值的特征將被執(zhí)行濾波，而長(zhǎng)度低于該值的特征受影響很小。注意：因?yàn)閷?duì)于IIR水平高通濾波器，其長(zhǎng)度最大為255,所以長(zhǎng)度超過(guò)該值的特征都將會(huì)被執(zhí)行濾波，這是不可避免的；因?yàn)橹边_(dá)波也是水平信號(hào)，為了不對(duì)直達(dá)波產(chǎn)生

28、影響，可以通過(guò)設(shè)置起始/終止樣本點(diǎn)來(lái)圈定濾波區(qū)域，避開(kāi)直達(dá)波。FIR背景去噪濾波器長(zhǎng)度應(yīng)該先設(shè)為數(shù)據(jù)剖面的最大道數(shù)（應(yīng)該為奇數(shù)），如果該數(shù)值超過(guò)1023，則應(yīng)該選擇1023。這樣，在水平方向上長(zhǎng)度等于或超過(guò)該值的特征將被執(zhí)行濾波，而長(zhǎng)度低于該值的特征受影響很小。注意：因?yàn)閷?duì)于FIR背景去噪濾波器，其長(zhǎng)度最大為1023，所以長(zhǎng)度超過(guò)該值的特征都將會(huì)被執(zhí)行濾波，這是不可避免的；因?yàn)橹边_(dá)波也是水平信號(hào)，為了不對(duì)直達(dá)波產(chǎn)生影響，可以通過(guò)設(shè)置起始/終止樣本點(diǎn)來(lái)圈定濾波區(qū)域，避開(kāi)直達(dá)波。垂直高通濾波因?yàn)樗礁蓴_信號(hào)往往具有低頻干擾，所以垂直高通濾波器可以進(jìn)行相應(yīng)的處理，具體濾波器設(shè)計(jì)需根據(jù)頻譜特征來(lái)確定。

29、42去除高頻干擾高頻信號(hào)經(jīng)常表現(xiàn)為雪花形狀，對(duì)數(shù)據(jù)造成了較大干擾。可以通過(guò)垂直低通濾波，水平低通濾波，滑動(dòng)平均濾波來(lái)進(jìn)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(lái)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(dāng)你輸入一個(gè)非零值，由該值決定的道數(shù)會(huì)相加平均并將平均值賦予中間道，依次計(jì)算。所以參數(shù)值應(yīng)該為奇數(shù)，一般情況設(shè)為5就可以很好的去除高頻，平滑數(shù)據(jù)。43空間濾波以上就是F-K濾波的流程圖，首先經(jīng)過(guò)快速傅立葉變換將時(shí)間域雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維譜圖，經(jīng)過(guò)對(duì)二維譜圖的分析，選擇合適的參數(shù)進(jìn)行快速傅立葉逆變換，得到處理之后的時(shí)間域雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面?？臻g快速傅立葉變

30、換濾波器,是一個(gè)二維的頻率濾波器，在時(shí)空二維域中進(jìn)行濾波。經(jīng)常被稱(chēng)作頻率一波數(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(gè)二維矩陣，代表了雷達(dá)波的相位和振幅?？梢杂么藶V波器進(jìn)行二維濾波以削減噪音干擾。對(duì)已經(jīng)變化的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行傅立葉逆變換，此時(shí)的濾波器會(huì)濾掉一些噪音。在技術(shù)上，通過(guò)逆變換，數(shù)據(jù)由頻率域恢復(fù)到時(shí)間域。相對(duì)于一維的垂直和水平濾波，F(xiàn)-K濾波的優(yōu)點(diǎn)有：可以對(duì)信號(hào)和噪音進(jìn)行更好的區(qū)分。信號(hào)和噪音或許在一維處理中會(huì)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(duì)話框如下圖：主要顯示了二維譜圖，濾波器參數(shù)設(shè)置，以及譜圖的顯示控制參數(shù)。其中譜圖的豎

31、軸代表了信號(hào)頻率，橫軸代表了波數(shù)（即每單位長(zhǎng)度上波周的數(shù)目）。2DFFTDIAGRAM濾波器參數(shù)設(shè)置顯示後直2DFFTDIAGRAM濾波器參數(shù)設(shè)置顯示後直Recalc按鈕會(huì)將文件轉(zhuǎn)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(lái)增強(qiáng)顯示效果，可以使用Scans，Samples來(lái)選擇顯示范圍（顯示范圍也可以通過(guò)鼠標(biāo)來(lái)控制）設(shè)置濾波器參數(shù)可以開(kāi)始快速傅立葉逆變換。濾波器參數(shù)的意義和選擇MinFreq最小頻率，MaxFreq最高頻率，這兩項(xiàng)控制著濾波器的豎向分量。Alpha和DeltaAlpha控制著水平分量，可以通過(guò)圖中的直線在調(diào)整。Alpha代表著濾波

32、器的對(duì)稱(chēng)程度，當(dāng)兩條直線關(guān)于中間直線對(duì)稱(chēng)時(shí)，Alpha的值接近于0,當(dāng)Alpha很高時(shí)，意味著兩條射線不對(duì)稱(chēng)。DeltaAlpha代表著射線之間的夾角，與反射體的線性尺寸相關(guān)。濾波器類(lèi)型的選擇：該項(xiàng)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(fù)，High-CutHorizontal:僅兩射線之間的部分被執(zhí)行FFT逆變換。High-CutVertical:僅兩射線之外部分被執(zhí)行FFT逆變換。High-CutVertSymm:僅兩射線之外部分被執(zhí)行FFT逆變換（對(duì)稱(chēng)的）High-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVer

33、tSymmHigh-CutHorizontalHigh-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVertSymmHigh-CutHorizontalHigh-CutHorzSymm:僅兩射線之間的部分被執(zhí)行FFT逆變換（對(duì)稱(chēng)的）注：當(dāng)射線不對(duì)稱(chēng)時(shí)，使用對(duì)稱(chēng)濾波器形式可以起到較好的作用。使用經(jīng)驗(yàn)：不對(duì)稱(chēng)的射線與對(duì)稱(chēng)的濾波器類(lèi)型組合，往往得到比較好的效果。射線對(duì)稱(chēng)時(shí)（即Alpha的值接近于0）,水平和豎直特征會(huì)被突出。不對(duì)稱(chēng)的射線（即Alpha的值很高）突出傾斜的特征。對(duì)于High-CutHorizontal和High-CutHorzSymm來(lái)說(shuō)，DeltaAlp

34、h較小時(shí)且對(duì)稱(chēng)時(shí)，突出的是水平信號(hào)，當(dāng)Delta較大且對(duì)稱(chēng)時(shí)，則可以包含各種信號(hào)。如下圖。High-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVertSymmHigh-CutHorizontalHigh-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVertSymmHigh-CutHorizontal原始數(shù)據(jù)Alpha較小Alpha較大High-CutVertica1和High-CutVertSymm方式，當(dāng)DeltaAlph較小且射線對(duì)稱(chēng)時(shí)，包含各種信號(hào)，當(dāng)Delta較大且對(duì)稱(chēng)時(shí)，突出豎直信號(hào)。所以運(yùn)用這個(gè)功能可以去除水平干擾。原始

35、數(shù)據(jù)Alpha較小原始數(shù)據(jù)Alpha較小Alpha較大High-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVertSymmHigh-CutHorizontalHigh-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVertSymmHigh-CutHorizontal當(dāng)射線不對(duì)稱(chēng)時(shí)，突出的是傾斜信號(hào)，如下圖，可見(jiàn)High-CutHorizontal傾斜信號(hào)不突出。管線繞射圖像a為墻角繞射，b為橋墩頂部繞射管線繞射圖像a為墻角繞射，b為橋墩頂部繞射44去除多次反射反卷積當(dāng)雷達(dá)信號(hào)在目標(biāo)體（如一塊金屬物或濕粘土層）和天線之間來(lái)回反射的時(shí)候，

36、往往會(huì)出現(xiàn)多次反射界面的現(xiàn)象?；蛘咴趦蓚€(gè)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(huì)模糊淺部的（或者深度較小的部分）真實(shí)信息。在實(shí)際探測(cè)中在掃描地下水層，基巖或空洞的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)多次重復(fù)的情況。反卷積就是為去除此類(lèi)噪聲干擾而設(shè)計(jì)的濾波方法，還可以提高垂直分辨率，分解間距較小的層。RADAN中的反卷積方法叫做預(yù)測(cè)反卷積，這是一種將尖脈沖反卷積作為一種特例的常見(jiàn)方法。該方法試圖盡力在天線與地面耦合的時(shí)候去逼近發(fā)射脈沖的形狀。假設(shè)一個(gè)特定長(zhǎng)度的震源子波，也稱(chēng)作濾波器算子長(zhǎng)度，當(dāng)震源子波由數(shù)據(jù)中被清除時(shí)，該濾波器可以預(yù)測(cè)一定距離之外的數(shù)據(jù)形狀，叫做預(yù)測(cè)延遲。這就導(dǎo)致了反射子波被壓制。像天

37、線重復(fù)反射等此類(lèi)預(yù)測(cè)現(xiàn)象，將被移動(dòng)到比預(yù)測(cè)延遲更遠(yuǎn)的位置，可以有效的消除此類(lèi)現(xiàn)象。反卷積參數(shù)選擇為了更好的運(yùn)行反卷積濾波，像濾波算子長(zhǎng)度，預(yù)測(cè)延遲，預(yù)白噪聲化，增益，起始樣本，終止樣本等參數(shù)應(yīng)該適當(dāng)?shù)倪x擇。濾波算子長(zhǎng)度：按照組成一個(gè)脈沖的樣本點(diǎn)數(shù)目，濾波器算子長(zhǎng)度設(shè)定了濾波器的大小。較長(zhǎng)的濾波算子長(zhǎng)度可以對(duì)雷達(dá)波進(jìn)行較好的擬合，并且可以得到較好的結(jié)果，但是耗時(shí)較長(zhǎng)。濾波器算子長(zhǎng)度應(yīng)該滿(mǎn)足一個(gè)完整的雷達(dá)子波循環(huán)，這樣將起到較好的作用。小于該值的參數(shù)會(huì)導(dǎo)致不好的結(jié)果。|如何確定濾波算子長(zhǎng)度？首先找到反射界面的第一個(gè)正反射,再找到第二個(gè)正反射峰值，將兩者的樣本點(diǎn)數(shù)相減，而算子長(zhǎng)度值應(yīng)該大于或等于該值

38、。預(yù)測(cè)延遲：該值將被設(shè)定為理想的輸出脈沖長(zhǎng)度（大約為雷達(dá)子波的半個(gè)循環(huán)）。小于該值的參數(shù)會(huì)產(chǎn)生更多噪聲。利用反卷積來(lái)去除重復(fù)反射時(shí)，延遲值應(yīng)該等于或小于重復(fù)之間的空間。參數(shù)值為51的預(yù)測(cè)延遲被用作擬合尖脈沖反卷積，但是這將給數(shù)據(jù)帶來(lái)更多噪聲干擾。預(yù)白噪聲化：通過(guò)加強(qiáng)白噪聲（零延遲）元件，預(yù)白噪聲化可以調(diào)整相應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)。從數(shù)學(xué)意義上來(lái)講，預(yù)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(gè)較好的值。管線繞射圖像a為墻角繞射，b為橋墩頂部繞射管線繞射圖像a為墻角繞射，b為橋墩頂部繞射附加增益：附加增益是必要的，因?yàn)榉淳矸e會(huì)造成信號(hào)的衰減，尤其是在

39、預(yù)測(cè)延遲較短的情況下。35是普通值，盡量使用可以是振幅恢復(fù)到原始數(shù)據(jù)水平的增益值。起始/終止樣本點(diǎn)：為了對(duì)反卷積時(shí)間上建立一個(gè)范圍，起始和終止樣本點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置,以樣本點(diǎn)編號(hào)來(lái)定義，該范圍內(nèi)反卷積濾波是可用的。1工|馬蟻?zhàn)I伺第=孕駆出珥汨丄r原始數(shù)據(jù)剖面經(jīng)反卷積處理的剖面5去除繞射繞射產(chǎn)生的原因有：雷達(dá)天線以寬束的模式發(fā)射能量，所以在（離天線）幾英尺遠(yuǎn)的目標(biāo)體可以被探測(cè)到。當(dāng)天線由遠(yuǎn)及近并經(jīng)過(guò)有限尺寸的物體時(shí)，該物體在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為雙曲線形態(tài)。急劇傾斜的地層表面也會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)能量的繞射交角處也會(huì)產(chǎn)生雙曲線繞射。常見(jiàn)繞射雙曲線繞射如下圖:繞射會(huì)模糊一些有用的信息，導(dǎo)致對(duì)地下目標(biāo)體的尺寸和形狀作出

40、錯(cuò)誤的解譯。急劇傾斜層在雷達(dá)剖面上的表面形狀是一種假相，在很多情況下需要進(jìn)行修正。而偏移就是將傾斜層反應(yīng)回歸到其真實(shí)位置，并削弱雙曲線繞射的一種技術(shù)。在RADAN中，進(jìn)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RADAN中有偏移方法：可希霍夫偏移和雙曲線累加偏移。雙曲線累加偏移要比可?；舴蚱扑俣瓤?，但是精確度小。雙曲線累加偏移：該方法是沿?cái)?shù)據(jù)剖面上的雙曲線將其累加，然后將平均結(jié)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(guò)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(diǎn)。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(duì)該平均值應(yīng)用了一個(gè)修正參數(shù)。還

41、對(duì)累加過(guò)程應(yīng)用了濾波處理。該濾波處理通過(guò)加強(qiáng)高頻成分和應(yīng)用相位校正來(lái)提高分辨率。通常來(lái)說(shuō)，優(yōu)先使用可?；舴蚱啤榱耸瞧铺幚砀訙?zhǔn)確，建議在數(shù)據(jù)采集時(shí)使用測(cè)量輪。兩種方法皆要求雙曲線的寬度以及相對(duì)速度被定義。在數(shù)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(gè)值：樣本/道數(shù)時(shí)窗范圍（納秒）道數(shù)/米速度：即雷達(dá)脈沖在某處的傳播速度。相對(duì)速度就是橫軸上一個(gè)目標(biāo)體的長(zhǎng)度（innumberofscans/meter）與其在縱軸（時(shí)間軸）方向上的長(zhǎng)度（numberofsamples/meter）的比值。你應(yīng)該調(diào)整雙曲線鏡像的形狀，以便與數(shù)據(jù)中的真實(shí)雙曲線相符。注意：當(dāng)你改變雙曲線鏡像的形狀的時(shí)候

42、，速度也隨之改變了。雙曲線鏡像只是一個(gè)工具，用來(lái)幫你識(shí)別介質(zhì)的修正速度。寬度：（以道數(shù)計(jì)）該值應(yīng)該與繞射雙曲線的道數(shù)設(shè)為一致。較大的值可以更為精確，但是如果過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)衰減。增益：用于加強(qiáng)偏移之后的振幅，因?yàn)槠铺幚硗ǔ?huì)減弱雷達(dá)的信號(hào)。該值通?？梢栽O(shè)為1.55。建議按照以下步驟進(jìn)行設(shè)定參數(shù)：1當(dāng)光標(biāo)放在雙曲線鏡像的中心頂點(diǎn)的時(shí)候，點(diǎn)擊左鍵，這樣可以拖動(dòng)雙曲線鏡像，以便使與數(shù)據(jù)中真實(shí)的雙曲線相互重疊比對(duì)。2使用形狀手柄可以使雙曲線鏡像的形狀與真實(shí)雙曲線相匹配。確?？梢愿采w整個(gè)真實(shí)的雙曲線，并記住使用真實(shí)雙曲線的尾部來(lái)幫助你調(diào)整形狀。這樣可以設(shè)置偏移速度。3調(diào)整寬度：可以通過(guò)左鍵點(diǎn)住豎線底部或

43、頂部的拖動(dòng)點(diǎn)來(lái)拖動(dòng)鼠標(biāo)。確保足夠?qū)捯员惆菡麄€(gè)真實(shí)雙曲線，但是也不要太寬以免將其它雙曲線包含進(jìn)來(lái)。這樣就可以設(shè)置雙曲線搜尋寬度。4.如果介質(zhì)是各向同性的，你可以運(yùn)行2D常量速度偏移，若不是各向同性的，則點(diǎn)擊NEXT去運(yùn)行2D變量速度偏移。2D變量速度偏移在與真實(shí)雙曲線匹配好之后，點(diǎn)擊NEXT進(jìn)入下一對(duì)話框：變量速度偏移。這里允許你針對(duì)不同的深度輸入不同的速度值。當(dāng)隨探測(cè)深度的介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，這種方法就經(jīng)常被用到，比如土壤的化學(xué)特性、孔隙率以及含水率都會(huì)隨著深度而變化，若使用二維常量速度偏移就會(huì)出現(xiàn)巨大的偏差。在一個(gè)條件不確定的測(cè)區(qū)，使用變量速度偏移可以得到更為準(zhǔn)確的深度計(jì)算值。注意：這種偏移不

44、會(huì)產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的介電值，并不會(huì)代替頭文件中的介電常量。使用鼠標(biāo)，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)文件中的幾個(gè)雙曲線的頂部它們經(jīng)常表現(xiàn)為彩色環(huán)，每個(gè)被點(diǎn)擊的雙曲線將被用來(lái)計(jì)算波速盡量選擇不同深度的目標(biāo)（雙曲線），因?yàn)闇y(cè)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(guān)重要）計(jì)算結(jié)果在對(duì)話框的左側(cè)顯示，在右側(cè)以表格的形式顯示。每個(gè)目標(biāo)的位置和速度由一個(gè)置信水平?jīng)Q定。置信水平在左側(cè)以不同的顏色顯示：白色對(duì)應(yīng)高水平，黑色對(duì)應(yīng)低水平，灰色對(duì)應(yīng)中等。在對(duì)話框右側(cè)的電子表格提供了關(guān)于目標(biāo)的大量信息：目標(biāo)位置，估計(jì)速度以及其置信水平。速度曲線在速度分布對(duì)話框里，選擇具有高水平置信度的點(diǎn)，比如白色的，然后雙擊這些點(diǎn)

45、就產(chǎn)生相應(yīng)的速度曲線。該曲線被定義為點(diǎn)速度函數(shù)。通過(guò)選擇這些參考點(diǎn)，用戶(hù)可以向左或向右拖動(dòng)這些參考拐點(diǎn)來(lái)生成最佳速度剖面。單擊“運(yùn)行變速偏移”按鈕，運(yùn)用偏移函數(shù)，將產(chǎn)生最終的結(jié)果剖面。在不同的雷達(dá)剖面的不同深度上，運(yùn)用變速偏移比常速偏移對(duì)點(diǎn)狀目標(biāo)體更加準(zhǔn)確。如果在首次偏移后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)偏移過(guò)度，應(yīng)該減小相對(duì)速度。過(guò)度偏移的反射層在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為雙曲線倒置（就如同”微笑”的形狀）。相應(yīng)的，如果偏移量過(guò)小，就應(yīng)該增加相對(duì)速度。過(guò)小偏移則在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為雙曲線部分或全部的縱向收縮。偏移提示：繞射頂點(diǎn)不會(huì)移動(dòng)雙曲線會(huì)縮到；一個(gè)點(diǎn)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(yán)重，而且掩蓋了一

46、些深部的信息1D.01D.030JI4D.U弧0弧0選擇可?；舴蚱颇Ｊ酵ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)鏡像雙曲線與剖面中的真實(shí)雙曲線相匹配，來(lái)設(shè)定參數(shù):因?yàn)樘綔y(cè)介質(zhì)是非均勻的，故選擇變速二維偏移，并拾取雙曲線頂點(diǎn)（注：綠色矩形框縮標(biāo)的就是拾取圓環(huán)）：繪制速度曲線:點(diǎn)擊“運(yùn)行變速偏移”按鈕，執(zhí)行偏移，結(jié)果如下，可見(jiàn)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(shè)置參數(shù)從頭開(kāi)始或者對(duì)當(dāng)前的剖面進(jìn)行二次偏移處理。下圖就是處理效果較好的剖面:46增加低振幅部分的可視性在RADAN中有三種方法用來(lái)增加低振幅部分或加強(qiáng)小振幅特征。利用顏色轉(zhuǎn)換功能調(diào)整時(shí)窗增益調(diào)整顯示增益利用顏色轉(zhuǎn)換功能(colortransform)如

47、何調(diào)整顏色轉(zhuǎn)換已經(jīng)在前面進(jìn)行了我詳細(xì)闡述。顏色轉(zhuǎn)換的默認(rèn)為1，其色標(biāo)由8個(gè)負(fù)極顏色和8個(gè)正極顏色組成，每個(gè)顏色段的長(zhǎng)度是均等的。一般來(lái)說(shuō)，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(biāo)志，比如，地下水面上浮動(dòng)的油脂會(huì)是振幅發(fā)生較小的變化。為了加強(qiáng)較弱的振幅反映，建議選擇顏色轉(zhuǎn)化2，若要達(dá)到更強(qiáng)的效果，則可以選擇3。用戶(hù)可以自行選擇顏色轉(zhuǎn)換模式，用于突出較弱的反映體。顏色轉(zhuǎn)換功能可以用來(lái)壓制較高振幅的反射，并突出用戶(hù)感興趣的反射，比如金屬管道，地下油罐。一般來(lái)說(shuō)，執(zhí)行了濾波之后信號(hào)的振幅會(huì)有所降低。RADAN軟件允許用戶(hù)利用增益功能,來(lái)補(bǔ)償振幅的降低?？偣灿袃煞N增益方式：時(shí)窗增益和恢復(fù)

48、增益。時(shí)窗增益可以幫助用戶(hù)來(lái)調(diào)整數(shù)據(jù)的增益，而恢復(fù)增益則可以那些去除在采集時(shí)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中的增益。時(shí)窗增益在RADAN中有三種時(shí)窗增益方式：自動(dòng)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(dòng)增益模式的，允許用戶(hù)手動(dòng)操作增益點(diǎn)。增益點(diǎn)即可以通過(guò)參數(shù)框輸入，也可以用手動(dòng)拖動(dòng)增益點(diǎn)來(lái)調(diào)整。當(dāng)選擇線性和指數(shù)增益時(shí)，增益調(diào)整就可以被應(yīng)用到整個(gè)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(diǎn)之間進(jìn)行增益。指數(shù)函數(shù)則可以在增益點(diǎn)之間進(jìn)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(lái)表示。自動(dòng)增益是用來(lái)平衡每一道之間的增益，在運(yùn)行自動(dòng)增益是需要輸入一個(gè)水平時(shí)間常量(Hor

49、izontaltimeconstant),該常數(shù)決定了在當(dāng)前道的左邊有多少道用于形成自動(dòng)增益函數(shù)曲線，這應(yīng)用了加權(quán)濾波。一個(gè)較小的值意味著賦予當(dāng)前道附近的道更多的權(quán)重，較大的值則將給予較遠(yuǎn)道更多的權(quán)重。當(dāng)同時(shí)使用自動(dòng)增益和手動(dòng)增益時(shí)，建議將增益點(diǎn)設(shè)置為48。-當(dāng)用自動(dòng)增益時(shí)增益點(diǎn)一般設(shè)置為25,而水平時(shí)間常量設(shè)置為1121。恢復(fù)增益|（該功能不是很懂）恢復(fù)增益函數(shù)可以用來(lái)去除采集時(shí)用到數(shù)據(jù)上的增益?；謴?fù)增益是一個(gè)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(dǎo)電常量,或?qū)娱g衰減率?；謴?fù)增益函數(shù)利用頭文件中的增益信息來(lái)去除增益函數(shù),使增益正?；Ｗ⒁猓涸鲆娉^(guò)30分貝會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)嚴(yán)重丟失

50、。顯示增益為改變顯示增益,可以在屏幕上點(diǎn)擊右鍵然后選擇顯示增益。你可以在預(yù)設(shè)的菜單中選擇0.0625到16。這可以改變整個(gè)時(shí)窗?？梢試L試不同的顯示增益參數(shù),一直到比較容易辨認(rèn)低振幅的目標(biāo)。47增加微弱信號(hào)得可視性并生成更清晰得數(shù)據(jù)剖面Hilbert轉(zhuǎn)換：發(fā)現(xiàn)細(xì)微特征|（詳見(jiàn)第三章的相關(guān)內(nèi)容）Hilbert變換參數(shù)選擇使用Hilbert變換時(shí)需要輸入一些參數(shù)：起始樣本點(diǎn)，終止樣本點(diǎn)需要轉(zhuǎn)換的方式（振幅值，瞬時(shí)相位or瞬時(shí)頻率）頻率范圍用戶(hù)可以使用Trsformto功能來(lái)選擇數(shù)據(jù)的顯示方式：振幅值，瞬時(shí)相位or瞬時(shí)頻率頻率范圍（frequencyscale）框要以“周期數(shù)/道數(shù)來(lái)輸入，當(dāng)你選擇瞬時(shí)

51、頻率的顯示方式時(shí)，該值應(yīng)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(lái)補(bǔ)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?yàn)樘炀€耦合不好、零點(diǎn)出問(wèn)題或這局部速度的變化，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不連續(xù)的情況。有時(shí)候，經(jīng)過(guò)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(shí)間上發(fā)生輕微變化，都會(huì)導(dǎo)致難以追蹤反射體。而靜態(tài)校正可以對(duì)此作出修正。靜態(tài)校正可以補(bǔ)償那些因?yàn)樵谔囟〞r(shí)間窗口內(nèi)出現(xiàn)的反射層移動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲干擾。靜態(tài)校正的另外一個(gè)功能就是在不影響數(shù)據(jù)的豎向頻率的前提下來(lái)進(jìn)行水平濾波，而不像水平高通和

52、低通濾波。靜態(tài)校正證明了使用交互相關(guān)的方法對(duì)反射層的水平追蹤是可行的。1.運(yùn)行靜態(tài)校正，在Process菜單中選擇CorrectStatic在數(shù)據(jù)剖面上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)矩形。你可以使用鼠標(biāo)來(lái)改變矩形的形狀以達(dá)到合適的寬度，然后拖動(dòng)矩形以使其覆蓋到你所感興趣的反射體上面。2調(diào)整好第一部分后，移動(dòng)鼠標(biāo)來(lái)調(diào)整下一個(gè)部分這樣可以建立一個(gè)多部分的窗口，在此窗口中可以使用靜態(tài)校正來(lái)追蹤某個(gè)反射體。3將出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，你可以輸入窗高（即矩形的高度，以樣本點(diǎn)計(jì)）濾波器長(zhǎng)度，校正起點(diǎn)（correctionthreshold?）,以及濾波器形式選擇。校正起點(diǎn)值是用來(lái)在模型數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)之間進(jìn)行交互校正的。該參數(shù)可以告訴

53、你追蹤層的效果程度，通常被設(shè)定在0.51。Localpeaks提取功能Localpeaks提取功能可以自動(dòng)追蹤反射較強(qiáng)的連續(xù)反射體，利用該功能可以提取在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的最強(qiáng)的反射，以次來(lái)判斷介質(zhì)的分層位置。Localpeaks需要輸入的參數(shù)如下：Select：定義追蹤的對(duì)象，是全部，是正反射，還是負(fù)反射Max#ofPoints：定義了所要追蹤的峰值的數(shù)量。由該值決定的最強(qiáng)的反射會(huì)顯示出來(lái)，有的反射體可能在剖面中很長(zhǎng)，但追蹤的峰值的數(shù)目不會(huì)超過(guò)該值。（體會(huì)：該值決定了追蹤的最強(qiáng)反射層面的數(shù)目，所以要追蹤較多的反射體，就應(yīng)該將該值設(shè)大一些）Sample/poins：決定了所追蹤的峰值在垂直方向上的寬

54、度。峰值的寬度按照此值顯示。起始/終止樣本：其缺省項(xiàng)是整個(gè)剖面。用戶(hù)可以選擇特定部分來(lái)處理。數(shù)學(xué)運(yùn)算可以點(diǎn)擊數(shù)學(xué)運(yùn)算（ArithmeticFunctions）圖標(biāo),來(lái)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算.你可以加或減另一個(gè)文件,加或乘以一個(gè)常數(shù),或者顯示數(shù)據(jù)的絕對(duì)值、平方根，或者對(duì)數(shù)據(jù)求積分。當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)求對(duì)數(shù)或平方根時(shí)，這樣可以突出數(shù)據(jù)的低振幅部分。注意：當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)或平方根處理時(shí)，數(shù)據(jù)的振幅必須以正數(shù)值，不然的話，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。所以，你應(yīng)該首先將數(shù)據(jù)調(diào)整為絕對(duì)值顯示。使用指數(shù)或者平方時(shí)，可以突出較強(qiáng)的信號(hào)（也就是高振幅部分），削弱低振幅部分。數(shù)學(xué)運(yùn)算操作安下面的順序進(jìn)行（如圖）：加一個(gè)常數(shù)乘一個(gè)

55、常數(shù)函數(shù)運(yùn)算再乘一個(gè)常數(shù)第五章探測(cè)實(shí)例5.1管線探測(cè)實(shí)例管線在雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面中一般呈現(xiàn)雙曲線形態(tài)，下面例子主要是將如何進(jìn)行尺寸調(diào)整以及回歸偏移。尺寸調(diào)整如圖5.1，由于天線走速不勻速，導(dǎo)致每個(gè)標(biāo)記之間的間距不等，所以應(yīng)該進(jìn)行距離正?；紫葘serMark轉(zhuǎn)化為聯(lián)合標(biāo)記，如圖中的白線。工曲連傀*o閘蘭亠尋卸Mmijn圖5.1將用戶(hù)標(biāo)記轉(zhuǎn)化為聯(lián)合標(biāo)記然后再進(jìn)行距離正?；c(diǎn)擊相應(yīng)選項(xiàng)，輸入?yún)?shù)：SCAN/M為50,m/mark為2。處理結(jié)果如圖5.2,可以看到水平尺寸已經(jīng)調(diào)整。圖5.2距離正?；蟮钠拭嫫茪w位處理選擇可希霍夫偏移模式通過(guò)調(diào)節(jié)鏡像雙曲線與剖面中的真實(shí)雙曲線相匹配，來(lái)設(shè)定參數(shù):mC

56、KHDEFKyrerbolaWidth.VelocityDai.mCKHDEFKyrerbolaWidth.VelocityDai.Velocity(in/nsHigjratlddKini2D匚OUEtGILtVelocityMirjrstion圖5.3通過(guò)調(diào)節(jié)鏡像雙曲線來(lái)設(shè)置參數(shù)因?yàn)樘綔y(cè)介質(zhì)是非均勻的，故選擇變速二維偏移，并拾取雙曲線頂點(diǎn)（注：綠色矩形框縮標(biāo)的就是拾取圓環(huán)）：圖5.4雙曲線頂點(diǎn)拾取繪制速度曲線：圖5.5繪制速度曲線點(diǎn)擊“運(yùn)行變速偏移”按鈕，執(zhí)行偏移，結(jié)果如下，可見(jiàn)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(shè)置參數(shù)從頭開(kāi)始或者對(duì)當(dāng)前的剖面進(jìn)行二次偏移處理。圖5.6偏

57、移結(jié)果下圖就是處理效果較好的剖面：圖5.7較好的偏移結(jié)果2橋洞探測(cè)實(shí)例觀察雷達(dá)原始剖面(圖5.8)，可以看出該數(shù)據(jù)有以下特點(diǎn)：零點(diǎn)位置偏差較大，需要加以調(diào)整；色標(biāo)不合適，這樣的色標(biāo)使得正負(fù)反射極為不容易辨認(rèn)；在圖中可以明顯看到橋拱的反射，但是出現(xiàn)了明顯的多次反射，模糊的深部的信息，特別是空氣與水的界面難以辨認(rèn)；由于電磁波是在不同介質(zhì)中傳播，所以不能使用同一個(gè)介電常數(shù)來(lái)進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換。119118120AB(b)原始剖面圖5.8雷達(dá)原始剖面色標(biāo)設(shè)置首先設(shè)置一個(gè)正負(fù)反射對(duì)比明顯的色標(biāo)：如圖5.9:圖5.9經(jīng)色標(biāo)設(shè)置后的剖面增益處理在圖5.9中可以看出，部分振幅過(guò)小，使得某些某些界面難以辨認(rèn)。進(jìn)行手動(dòng)

58、增益，并將顯示增益調(diào)整為2。處理后的剖面如5.10.(a)手動(dòng)增益曲線設(shè)置(b)增益后的剖面5.10增益處理濾波處理對(duì)剖面進(jìn)行頻譜分析，在剖面中挑選了幾道來(lái)分析其頻率成分，如圖5.11.0.025.050.075.0100125150175scanSscan30scanlzOscan235scan390每個(gè)參考道的位置Scan9的頻譜Scan300.025.050.075.0100125150175scanSscan30scanlzOscan235scan390每個(gè)參考道的位置Scan9的頻譜Scan30的頻譜Scanl20的頻譜（主頻在100MHz）（主頻在100MHz）（主頻在20MHz）

59、（主頻在60MHz）Scan390Scan390的頻譜（主頻在65MHz）Scan235的頻譜（主頻在71MHz）圖5.11數(shù)據(jù)剖面頻譜分析根據(jù)上圖的頻譜分析，可以看到該剖面的頻譜有以下特點(diǎn)：正常數(shù)據(jù)道的主頻在100左右，而橋洞部位的幾道的主頻在2070之間，可見(jiàn)頻率較低，原因應(yīng)該是有水存在的原因；在25ns75ns這部分剖面中存在雪花現(xiàn)象，高頻成分較多，應(yīng)該是因?yàn)檫@座拱橋頂部存在回填土，其中碎塊較多，導(dǎo)致多次散射，折射，出現(xiàn)高頻干擾。根據(jù)以上特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波，濾波長(zhǎng)度為40140,然后再進(jìn)行水平IIR低通濾波(因子為6),結(jié)果如圖5.12，可見(jiàn)高頻減少，整個(gè)剖面的更加光滑，分辨率有所提

60、高。丨工翱魚(yú)禺0丨風(fēng)爲(wèi)=轉(zhuǎn)XI“I(a)FIR帶通濾波(b)IIR水平低通濾波圖5.12濾波處理反卷積處理由于存在多次反射，模糊了深部信息，需要進(jìn)行反卷積處理。如下圖，可見(jiàn)，多次反射的情況明顯減少了，更加突出了真實(shí)的層面。但是，不可避免的，多次反射的情況并沒(méi)有完全解決，也不可能完全解決。圖5.13反卷積處理后的剖面希爾伯特變換這次探測(cè)的目的主要是尋找到水的界面，根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，判斷水的主要依據(jù)有：負(fù)反射；反射較強(qiáng)；頻率較低；但是在該剖面中干擾較多，只根據(jù)已有的成果圖5.12(b)和圖5.13并不能充分判斷水面的位置，還需要進(jìn)行希爾伯特變換，如圖5.14。觀察希爾伯特變換的成果，可見(jiàn)，瞬時(shí)振幅圖