脈沖體制探地雷達工程應用中干擾源分析及抑制措施探討

王國永 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(Ground Penetrating Radar，簡稱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構的情況下快速探測地下介質(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方法。

由于探地雷達具有無損、快速、連續(xù)、高精度、實時探測成像等特點，使得探地雷達技術在工程勘察領域中的應用取得了長足發(fā)展，已成為當前國際上最先進的地球物理勘探手段之一。然而探地雷達技術本身也存在固有的缺點，就是對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、電視廣播信號塔、通訊基站、地形等干擾源時, 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，探地雷達對目標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)驗和先驗知識有密切關系。

本文結合作者多年使用探地雷達進行地下管網(wǎng)探測的工作實踐，總結了工程實際探測中可能的干擾源及其信號特點，從探測方法和數(shù)據(jù)判讀兩方面提出了一些避免或減小干擾，提高探測準確性的措施。論文工作對工程應用中如何克服干擾因素采集到信噪比較高的信號、如何判讀干擾信號、消除或壓制干擾信號具有一定的指導意義。

1 探地雷達的工作原理及工程應用中存在的問題

探地雷達工作原理和過程如圖1所示，發(fā)射機通過發(fā)射天線發(fā)射高頻脈沖電磁波到被探測地表面，電磁波在穿越地下介質(zhì)過程中，遇到不連續(xù)的介質(zhì)(如金屬管線)時會發(fā)生電磁波的反射，并被接收天線接受，通過對接收機接手的回波信號的分析和處理，來確定不連續(xù)的介質(zhì)的位置、走向和幾何尺寸等信息。但在探地雷達的實際應用中，雷達接收到的信號是十分復雜的多種信號的耦合，主要包括三部分：(1)來自于收發(fā)天線之間的直接耦合波和來自于地表面的反射波，二者合稱為直達波；(2)地下被測量目標產(chǎn)生的回波信號；(3)來自諸如調(diào)頻廣播、電視和通信系統(tǒng)等電磁信號的射頻干擾(RFI)。直達波和射頻干擾信號在時間上和頻率上有較強的非平穩(wěn)性和隨機性，它們與探地雷達回波信號重疊，一方面在時域“淹沒”了地下目標的回波信號，另一方面在頻域“畸化”了目標回波的頻譜結構，這些影響給目標的檢測、識別和成像帶來困難。直達波和RFI的抑制是探地雷達工程應用中的重要一環(huán)。

圖1 GPR的工作原理和過程示意圖

自從探地雷達技術獲得工程應用以來，其干擾抑制問題一直是國內(nèi)外有關研究人員關注的焦點，也相繼在硬件和信號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的適應性，但它們的應用也有局限性，針對一些特定情況才比較有效。目前還沒有一種普適的方法可以解決探地雷達技術所面臨的干擾問題。

2 常見干擾來源及其特點分析

探地雷達勘察中的干擾與噪聲并非全部能夠通過普適的數(shù)據(jù)處理方法進行消除，通常需要對干擾噪聲進行識別、判定，然后再采取相應的濾波或其他數(shù)據(jù)出來方法來進行消除或壓制，從而凸顯有效數(shù)據(jù), 這是探地雷達數(shù)據(jù)解釋的關鍵, 直接影響到探地雷達的有效性。為了準確可靠的識別和判定噪聲，首先需要對可能的噪聲來源及其特點有清晰的認識。對于地下管線探測這一工程應用，可能的干擾源有以下幾個方面：

2.1 周圍的地形、建筑物和其他設備等引起的干擾

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

另外一類來自周圍其他物體的干擾，特別是在野外工作時，所使用的一些設備裝備，如車輛、工程機械、儀器主機、便攜機、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線附近，就會反射雷達天線發(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)濟的發(fā)展，電網(wǎng)覆蓋的范圍越來越大，在進行工程勘察時,除了關注勘察場地周邊地形和建筑可能形成的干擾外，還要注意來自空中的干擾。如,測線在輸變電線下通過時、在變壓器附近通過時、在電視臺、機場附近工作時, 都要注意其產(chǎn)生的干擾和噪聲影響。因為來自空中的干擾異常形態(tài)有時會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 手機等通訊設備引起的干擾

由于手機的普及，在探測時手機時常帶在身邊，但是手機對探測效果會產(chǎn)生很嚴重的干擾。由于雷達接收的是帶寬很寬的時間域不同的增益的電磁波信號，手機開啟或通訊時發(fā)出的電磁波不可避免的也會被雷達接收天線所捕獲。這種干擾在靠近蜂窩式電話發(fā)射塔式時會更加嚴重，往往會造成測量數(shù)據(jù)無用二而是探測失效。同樣，廣播、電視信號塔也會對探地雷達信號產(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自地面或空中的干擾噪聲外，探地雷達工作中還受到來自天線直接耦合、地表和地下地層介質(zhì)吸收及散射等信號影響。另外如果在探測區(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

由于探地雷達工程應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工程應用的關鍵技術。在實際應用中因地制宜，采取簡便實用的工程措施來抑制和判別干擾，對工程實踐具有更見重要的現(xiàn)實意義。

3.1 合理正確使用雷達，充分發(fā)揮其自身的抗干擾潛能

為了充分發(fā)揮雷達自身的潛能，需要使用者認真閱讀雷達使用手冊或操作說明，明確不同模式的使用場合和使用方法。不同廠家不同型號的探地雷達產(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 一般探地雷達的抗干擾系統(tǒng)組成

所謂雷達的合理使用就是指合理配置上述參數(shù)或功能模塊。

另一方面與雷達配套使用的往往還有相對獨立的信號發(fā)射機，它施加信號一般有直聯(lián)法(兩個夾子直接與被探測管線和接地桿連接)、感應夾鉗法(通過夾鉗套住被探測管線，沒有金屬與金屬的直接連接)和線圈感應法(把信號發(fā)射機直接放在被探測管線的正上方，通過內(nèi)部感應線圈施加信號到被探測管線上)三種方式。如果條件允許，盡量選用直聯(lián)法和感應夾鉗法。

使用信號發(fā)射機時另外一點要注意的是兩個夾子的連線也可能起到天線的作用，如果探測位置距離發(fā)射機非常近，應盡可能使夾子的兩個連線變短，這樣會減少干擾信號的干擾。

3.2 選擇科學合理的測試參數(shù)

為獲得好的雷達探測圖像, 測量前應選擇適當?shù)臏y量參數(shù), 包括天線頻率、記錄時窗、采樣間隔、測點間距、天線間距以及天線方向的取向等。

3.3 預估可能的干擾源并優(yōu)化測線及測法

前文已經(jīng)分析了可能的干擾來源及其特點，在進行探測之前，應仔細勘察測試場地及周圍環(huán)境，預估可能的干擾源，對于可以避免的應盡量避免，如關閉移動電話等無線通訊設備、清理場地上的干擾物、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、測試附件遠離測線至少5m等。同時，要根據(jù)具體的環(huán)境條件優(yōu)化測線布置，如測線應盡可能避開高壓線，在無法避開的情況下，應盡可能垂直高壓線走向; 主測線要沿地層走向布置，這樣，地下反射界面的雷達反射波同相軸近水平，在消除其他傾斜類干擾時，不損失目的層反射波的能量，且保證了有效反射層的識別。

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

通過對干擾噪聲的特點的認識，進一步利用探地雷達軟件自帶的數(shù)字信號處理模塊對探地雷達的測試數(shù)據(jù)進行預處理，然后再進行解析。如對于通訊基站、廣播、電視信號塔等這類射頻信號干擾，可以在頻率域上檢驗出或估算出中心頻率和帶寬，設計相應的頻域陷波器，在頻域中慮除干擾頻率，而后對濾波結果進行傅氏變換去除這類干擾。

3.5 利用速度差異進行偽目標識別

對于采用上述措施仍然無法避免或消除的干擾噪聲，可能會在探地雷達圖像中產(chǎn)生虛假的偽目標，這時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,通過對速度參數(shù)加以分析, 判定出異常的真實速度, 進一步鑒別屬于真正地下反射體信號還是地表繞射信號, 從而識別出偽目標。

4 總結

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

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