探地雷达数据采集与解释

1、探地雷达数据采集以及解释山东大学岩土中心第1章探地雷达简介11工作基本原理探地雷达（GroundPenetratingRadar，简称GPR）是利用频率介于106109Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器。随着微电子技术和信号处理技术的不断发展，探地雷达技术被广泛应用于工程地质勘察、建筑结构调查、公路工程质量检测、地下管线探测等众多领域。探地雷达的基本原理如图1所示。发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。对所采集的数据进行相应的处理后，可

2、根据反射波的旅行时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的，所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。其中，目标体与介质间的电性差异越大，二者的界面就越清晰，表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续。可以说，目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本条件。IFt丨丨|汕丨|拥I图1探地雷达基本原理12电磁波传播特征探地雷达的电磁脉冲在介质中的传播速度为：其中c为电磁波在空气中的传播速度，为介质的介电常数，常见介质的介电常数如表1所示。材质相对介电常数材质相

3、对介电常数粉质粘土6水81干砂35灰岩48湿砂2030-+HULJuLr花岗岩47金属300砂岩6PVC塑料3.3页岩515混凝土6.4淤泥530空气1海水80粘土540表1各种常见介质的介电常数电磁波脉冲在地质界面上的反射系数为：根据电磁脉冲的传播规律，在地质界面上如果反射系数为负，则相位与发射脉冲相反，若反图2图l.Lfl合成雷达记當图l.Lfl合成雷达记當单ft户(厲fm)v(ru/ns)jffti)图1.18为计算例子如第一层面的双程走肘为50ns,在此之前所记童的是沿地叢瓯恻到达的波在此之后记录到层面的反赠脉冲.由于该层面时反射系数为负億，相位反蒔Tno又如幫三层面的双程走时苛98刀

4、向由于反射系数无正，相位和发射脉冲一致。右側标出了界面深度。3雷达的分辨率对于地质雷达的探测方式.它的分辨率也是一个必须了解的内容.地质雷达的分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。地质雷达的垂直分辨率主要由地质雷达的波长的二分之一决定。从波的传播规律可知，识别目标体的尺度一般需大于1/2波长，假设垂育最小可分辨的层的厚度为Dm。则它的计算式为：Dm=O.5A=c/2/V其中，c为电磁波在真空中的传播速度。可见频率越高，介质的介电常数越大，Dm越小.即垂直可分辨层的厚度越薄，垂直分辨率越高。地质雷达的水平分辨率是指地质雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸的能力。通常用Fresenel来表示，当

5、反射面的埋深为H,发射，接受天线的间距远小于H时，Rf就是水平分辨率的最小尺度。从计算公式可以看出.当目标体埋深越大，雷达波频率越低，波长越长，则rf越大，水平分辨率越低反之，水平分辨率越高。第2章雷达数据的采集雷达数据采集的步骤如下：1仪器安装调试；2现场地质以及其它情况记录；3布置测线；4参数设置；5参数现场校核，如不合格，重新调试参数；6数据采集。下面将各步骤的注意事项说明。21仪器安装调试必须在断电的状态下进行安装和拆卸；如果现场空气比较潮湿或者有水，注意防潮防水，以免短路导致损坏电路；22现场地质记录记录现场的地质条件，以免现场的干扰在雷达记录中造成假象，扰乱最终的解释。23布置测线

6、如果已知探测对象的大体走向，尽量使测线与其走向正交；24参数设置参数设置是关系到采集数据质量的关键工作，各项参数如下：Collect菜单（如图4）：注：增益:地质雷达发射的电磁波在介质中传播过程中，在电性（介电常数）分界面上会发生发射，有一部分电磁波继续向下传播，传播过程中电磁波能量会被介质吸收。随着深度的增加，电磁波能量减弱，信号幅度相应地减小，不利于信号识别和辨认。为了能更好地识别信号特征，采用增益（gain）函数来提高信号的幅度，使得信号的细微变化更容易显示和识别。增益菜单有两个选项：手动/自动Manual/Auto,增益点数Points,GPl、GP2、GP3-GP5。在采集主机的屏幕

7、的右半部分有一个示波器窗口，除了显示波形之外，还有一条红色的曲线，该曲线就是增益曲线，曲线的转折点点就是增益控制点。适当的增益函数会提高信号的可视性，但是增益过大会出现削波现象，应该避免削波现象。位置确定：雷达剖面的最顶端并不是第一个反射面（比如在地面探测时，剖面的顶端并不是地面），这主要是因为：第一，系统延时，即主机给出发射指令到天线开始发射的延迟时间，第二，直达波，即有发射天线直接到接受天线的电磁波。为了更加精确的定位，应该去除这两方面的干扰。但是由于确定零线较为困难。可以在探测时在地面放置一根电缆与测线正交，天线经过电缆时在剖面上会记录下电缆的位置，通过识别电缆就可以确定零线的位置了。F

8、COLLECTQPRADAR400MHZ|选择天銭类型，一般主机会自动识别天跋类型并自动选择IBATEi天线的垸射率该值越犬采集速蛊越快MODEDistance|采集櫃式分为距离测量轮複式点测複式也及时间连续複式GPSNone|耒于g畔的选顼，一股不选0孑SCAN口SAMPLES512采集样査数它决定了垂宜分辨率的丈小一般丸5螢或若i此4口FORMATbits)16|数据存储格式.一股为16位口RANGE(nS)60|时窗范围，决定了采集裸度的犬小DIEL10,301介电翩是进疔时深转换的关键参数RATE100I扫描率，即每秒聊采集的扫描数SCN/UNIT18,001毎单位水平距霭的扫描数SD

9、PGAIN|増益粟单(详见注1)AUTO|増益複式选择，分为自动増益和手动増益POINTSj|増益的揑制点数GP1(dB-1UI第一牛増益点的増益分贝数GP215I勢牛増益点的増益分贝数GP3dB)2o|第三牛増益点的増益分贝数oPOSITIONI專点位置设定详见注卩口AUTO|自动梗式和手动梗式选择OFFSET2500天绪內部延时参数，因为该值不髭淮确确定，斯以一般使用自动棋式-口SURFACE(%)7.00|确圭地面的位置3巒FILTERSLPIIRgQOhr低通滤滾器口HP*IIR丄CC1111高通滤波黑口LPIRQFTK低通滤波器口HPFIR0|FIE高適滤波器口STACKING3|直

10、加用于去除高平千扰，数值越丈，信号越平滑，但是太大会掩盖崖实信息BGRRMVL0|器去除，用于去院惬频信号图4collect菜单的注解Playbacck菜单（如图5）该菜单用于浏览已经采集的文件，在该菜单下有一个SCAN和PROCESS子菜单，通过子菜单可以可以进行一些参数修改和数据处理，以便得到更好的显示效果。注：这些修改和处理只是用于显示，并不会改变原数据。-QPPLAYBACKI數据回放SOPSCAN口MEL10,000SURFACE（）10,0C0CPPROCESSLP_IIR0O0L?2fir0nhp2firoOSTACKING0BGR_RMVL0OAGC_OFF|畠动增益控图5Pl

11、aybacck菜单的注解Output菜单（见图6）该菜单的主要功能就是设置数据的显示参数和数据的导出。图6Output菜单的注解System菜单参数设置（见图7）-GFSYSTEM|系统参数日了UNITSI单位设置DEPTHfoot丨滦度单位选扌華DISTANCEfoot距离单位选择口VSCALEdepth-ETSETUPI谀蜀RECALLI调用参歎SAVE|保存兹数-O?PATHI存储路径NEW|新產路径曰歹BACKLIGHTI屏幕背景灯光设置口LEVEL4|売度水平设置日Or1DATE/TIMEI日期设置DATE0TIMEBATTERY|电池STATUS|电童狀态樓LANGUAGE丨语言口

12、ENGLISHI英语模式-UPVERSIONSHOW-UPVERSIONSHOWIS图7System菜单的注解5参数现场调试调试技巧：如果出现削波（振幅过大）或者振幅过小的现象，需要调节增益设置；如果出现雪花现象（特别是深部），需要增加叠加次数；如果存在已知深度的目标体并且该目标体可以在雷达剖面上识别的话，可以通过该目标体的深度来反算波速，进而求出介电常数。这样求出来的介电常数比较接近真实值。如果没有已知深度的目标体，可以打钻确定一个目标体，然后量测其深度，用同样的方法来反算介电常数。2.6数据采集注意事项：天线拖动过程中要匀速，并且不要发生跳动现象，跳动现象会造成非常大的干扰。打标记要及时，

13、尽量不要重复。隧道拱顶或者拱腰部位探测时，可以使用台车（由装载机拖动台车），汽车架子和装载机架子，如图8。其中台车最安全，汽车架子最不平稳。台车（由装载机拖动）汽车架子图台车（由装载机拖动）汽车架子图8各种架子装载机架子第3章数据分析数据分析和数据处理的目的就是压制干扰，突出有效信号，提高信噪比，这是进行成果解释的前提，只有进行仔细的处理，才能获得良好的效果。图9为数据分析和处理的流程图，其中数据分析和数据处理需要进行多次调试对比，才能达到较好的处理效果。本章将对各个步骤进行详细讲解。尺寸调整绘制测线布置图尺寸调整产频谱分析数据分析亠希尔伯特变换确定处理流程和参数增益处理IIR滤波数据处理FI

14、R滤波1F-K滤波算术运算反卷积处理效果，偏移处理静态校正好希尔伯特变换成果解释报告编写图9雷达数据分析和处理流程3.1绘制测线布置图和尺寸调整3.1.1绘制测线布置图内业工作的第一步就是将现场的测线布置草图绘制成正式文档。由于现场雷达数据文件是以编号命名的，所以每条测线所对应的文件编号需要记录在文档中，以防混乱。如下图10，就是雷达探测桥洞的测线布置图，可见在图中标注了测线的方向以及测线所对应的文件编号，应该尽量多的将现场信息反映在布置图上，有助于在解释过程中识别干扰，必要时可以做文字说明。122B伽5mB伽5m图10雷达测线布置图3.1.2雷达数据剖面的尺寸调整由于在数据采集过程中存在以下

15、的情况：采用时间连续采集模式的时候天线走速不均匀，导致标记（等距离标记）之间的道数不一样，甚至差别非常大；地表起伏比较大，容易在雷达剖上造成假象；由于直达波的存在，使得剖面的最顶部并不是地面的反映，使得深度产生误差。针对以上的情况，需要进行尺寸调整，各功能模块如下：距离正常化水平尺寸调整水平长度的缩放剖面文件拼接尺寸调零线调整整深度正常化垂直尺寸调整距离正常化距离正常化，该项功能允许你在标记（必须是等距标记）之间建立等长尺寸，也就是要求在标记之间每单位距离上的尺寸等同，或道数一样。在没有测量轮的情况下以连续模式采集数时，天线移动速度难以保持恒速，这样就需要利用距离正常化的功能。联合标记或者距离

16、标记（注：关于Mark数据库的性质与使用见软件说明书的的第二章）设定后，该项功能就会通过增或删的方式来修正每个标记之间的道数，当然同时也修正了采集速度（天线运行速度）。参数输入框每单位长廈之间的道数（单位畏度参数输入框注意:在运行该功能之前，必须确保标记信息是正确的（无重复标记，无丢失标记，首尾标记都存在，所有的用户标记都已经转化为距离标记或联合标记）。Scans/unit,unit/mark都必须在头文件中设置好，以便运行该功能。unit/mark是根据测量时的设定来设置的。Scans/unit需要用鼠标来清点每个标记之间的道数（注意：因为在雷达剖面中显示的是已经做了叠加处理的数据，若每个标

17、志之间的道数为3,而叠加次数为16,则实际每个标志之间的道数为二者的乘积48,切记！该功能运行之后，原数据中在第一个标志之前的部分已经被cutoff了。水平尺寸缩放一！可以通过水平尺寸缩放中的叠加，去除，添加功能来修改雷达数据。注意每次只能这三项功能中的一个。参数设置对话框参数设置对话框叠加（stacking）：使用该功能可以对数据进行简单的滑动平均处理。该功能就是将所指定的几道平均叠加之后输出一道数据。去除（skipping）：选定此项，你可以将指定的道去除，比如，你输入参数1,就会每隔一道去除一道数据（因此，数据被压缩到原来的二分之一）添加（stretching）：选择此项，将拓展水平尺寸

18、。该功能将计算出每相邻两道的平均值（或指定道数），然后将平均道添加到已有数据中。拼接文件有时因为场地条件所限，我们不得不分部采集数据，在后处理中为了将各部分数据连接在一起，就要使用该功能了。选择FileAppendFile.选择所要连接的各个文件。点击Done，完成连接，重新命名加以保存。表面位置调整（非常重要）由于系统延时和直达波存在，使得整个剖面的最顶部并不是地面的位置。确定地面的位置,对于精确的深度定位来说非常关键，但是如何确定，目前还没有定论，下面列举三个常用的方法。根据RADAN介绍，百分之九十的情况下把直达波的第一个正峰位置作为地面。根据华东院资料，将直达波的第二个波瓣作为地面，如

19、下图7根据华东院资料，将直达波的第二个波瓣作为地面，如下图7h*FirstIwf-Qqoleoftr#nsrritt#fputs#Zeropoint根据经验，可以在探测时在起始部位放置一根电缆，在后处理时在剖面上识别出该电缆,这样就可以确定地面位置了。F面以一个探测剖面为例说明一下这三种方法的用法与区别（如图11）：图11零线的确定如图11,其第一个正峰位置是10.34ns,第二个峰值是14ns,而电缆位置是16.34ns,可见三者最大相差6ns，按照介电常数为8计算，深度偏差了30cm，对于超前预报来说该误差可以允许。而对于衬砌检测来说偏差较大，需要综合三种方法来分析。表面正常化在测线布置时

20、会遇到地表起伏较大的情况，这就需要修正地表起伏对数据剖面的影响，进而可以使水平或接近水平状的反射体的反应更接近实际。通过输入标记的z值就可以实现该功能。32数据分析傅立叶谱分析数据处理是进行数据解释的基础，目前比较常用的处理方法有一维滤波，二维滤波，以及反滤波，这几种方法都是以傅立叶谱分析为基础的，傅立叶谱分析是将雷达数据由时间域转化为频率域，表现的是各种谐波频率的振幅分布，如图12。图12振幅频谱图关于不同探测介质的振幅频谱特征，一下有几个结论（摘自杨峰资料）：（1）水对高频电磁波具有很强的吸收作用，这与水离子导电是密切相关的，离子导电增加了介质的电导，而电磁波传播与电导和频率之间呈指数衰减

21、关系。（2）花岗岩不但对高频成份具有一定吸收，而且形成的振幅谱比较单一。（3）在干燥的不均匀介质中，形成的振幅谱不但主频特征不明显，而且在天线的高端会形成一定的杂波信号。这可能是由于高频电磁波在不均匀介质内形成多次干涉造成的。干涉现象势必加宽信号的频带特征。具体的谱图如图13。水背景雷达频谱特征空气背景雷达频谱特征水背景雷达频谱特征花岗岩背景雷达频谱特征干燥碎石背景雷达频谱特征花岗岩背景雷达频谱特征干燥碎石背景雷达频谱特征图13不同介质的频谱图希尔伯特变换由于大地介质的不均匀性，地质雷达发射的高频脉冲电磁波在地下传播过程中将发生强烈的衰减、反射、折射、绕射和散射，这些反射波、折射波、绕射波和散

22、射波相互叠加在一起，为数据处理带来了巨大的困难；同时，为了得到更多的反射波特征，地质雷达通常利用宽频带进行记录，因此不可避免地记录下各种干扰噪声。如果噪声频率带与反射波频率带重叠或接近，利用傅立叶谱分析技术对这样的信号进行分析，有时难以取得理想的效果，严重影响了图像解释的可信度和精度，进而影响了地质雷达的探测效果。而希尔伯特变换可以较好的解决这个问题，希尔伯特变换就是将记录道的信息直接在时间域上转化为瞬时振幅，瞬时相位，瞬时频率的技术。复信号的瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率这3种瞬时信息，一般是指一个特定的瞬间，而不是一个时间段的平均。地质雷达信号记录道x(t)的复信号分析与地质雷达信号的傅立叶

23、谱分析分别在时间域和频率域上对地质雷达信号的能量、频率和相位等参数进行分析检测，它们在振幅上无本质差别，而瞬时频率与傅立叶分析的频率不同，前者是分析全部谐波叠加波形的视频率，后者则是分析各谐波频率的振幅分布情况。两者既有区别，又有一定的内在联系。复信号分析技术与傅立叶谱分析技术的成果输出不同，它可以将地质雷达记录中的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率分离出来，得到同一个剖面的3个参数图，因而其解释方法与傅立叶谱分析技术的解释方法亦有所不同。瞬时振幅是反射强度的量度，它正比于该时刻地质雷达信号总能量的平方根，利用这种特征便于确定特殊岩层的变化。当地层存在明显介质分层、滑裂带或地下水分界面时，瞬时振幅会

24、产生强烈变化，反映在瞬时振幅剖面图中就是分界面位置出现明显振幅变化。瞬时相位是地质雷达剖面上同相轴连续性的量度。无论反射波的能量强弱，它的相位都能显示出来，即使是弱振幅有效波在瞬时相位图上也能很好地显示出来。当电磁波在各向同性均匀介质中传播时，其相位是连续的；当电磁波在有异常存在的介质中传播时，其相位将在异常位置发生显著变化，在剖面图中明显不连续。因此利用瞬时相位能够较好地对地下分层和地下异常进行辨别。当瞬时相位图像剖面中出现相位不连续时，就可以判断该处存在分层或异常。瞬时频率是相位的时间变化率，它反映了组成地层的岩性变化，有助于识别地层，当电磁波通过不同介质界面时，电磁波频率将发生明显变化。

25、这种变化可以在瞬时频率图像剖面中较为清晰地显示出来，在地下介质发生变化的时候，瞬时频率也会发生显著变化，需要指出的是，在反射层处瞬时频率的大小在数值上与反射波的主频对应的很好，所以可以利用瞬时频率的大小和稳定情况来判断地下介质的稳定性和岩性变化。对于同一探测对象，3种瞬时信息在同一位置发生明显变化就可能反映探测对象在该处的物性变化。因为在这3个参数中，瞬时相位谱的分辨率最高，而瞬时频率谱和瞬时振幅谱的变化也较为直观，所以通常根据瞬时频率谱和瞬时振幅谱来确定地下异常或分层的大概位置，然后利用瞬时相位谱精确确定异常位置和分层轮廓线。有些时候，也可以直接利用瞬时相位谱来确定地下异常的位置。具体的分析

26、实例见第五章。第4章数据处理数据处理是进行数据解释的基础，在RADAN中数据处理的方法非常多，应该在数据分析的基础上决定采取那些处理方法，采取怎样的处理步骤。针对不同的目标，有不同处理方法。目标方法去除水平噪音水平咼通滤波竖直咼通滤波空间滤波背景去噪高频噪音（如：雪花）竖直低通滤波水平低通滤波空间滤波去除多次反射反褶积去除绕射并修正倾角较大的层面偏移增加低振幅部分的可视性运算功能显示增益和窗口增益观察细微的特征Hibert幅度转换空间滤波生成更为清晰的数据四则运算功能Localpeaks（局部极值提取）静态修正各种处理方法的使用方法和注意事项在下面具体讲述。4.1去除水平噪音所谓的水平干扰信号

27、，就是指水平带状干扰，通常具有低频特征，经常会干扰一些真实的反映体，如下图:（b）频谱图（可以看出低频干扰较多）图的反映体，如下图:（b）频谱图（可以看出低频干扰较多）图1水平带状干扰及其对应的频谱图图2水平干扰（可以看出剖面主要被水平信号覆盖）IIR水平高通滤波滤波器长度应该先设为数据剖面的最大道数（应该为奇数），如果该数值超过225，则应该选择225。这样，在水平方向上长度等于或超过该值的特征将被执行滤波，而长度低于该值的特征受影响很小。注意：因为对于IIR水平高通滤波器，其长度最大为255,所以长度超过该值的特征都将会被执行滤波，这是不可避免的；因为直达波也是水平信号，为了不对直达波产生

28、影响，可以通过设置起始/终止样本点来圈定滤波区域，避开直达波。FIR背景去噪滤波器长度应该先设为数据剖面的最大道数（应该为奇数），如果该数值超过1023，则应该选择1023。这样，在水平方向上长度等于或超过该值的特征将被执行滤波，而长度低于该值的特征受影响很小。注意：因为对于FIR背景去噪滤波器，其长度最大为1023，所以长度超过该值的特征都将会被执行滤波，这是不可避免的；因为直达波也是水平信号，为了不对直达波产生影响，可以通过设置起始/终止样本点来圈定滤波区域，避开直达波。垂直高通滤波因为水平干扰信号往往具有低频干扰，所以垂直高通滤波器可以进行相应的处理，具体滤波器设计需根据频谱特征来确定。

29、42去除高频干扰高频信号经常表现为雪花形状，对数据造成了较大干扰。可以通过垂直低通滤波，水平低通滤波，滑动平均滤波来进行处理。垂直低通滤波垂直低通滤波分为IIR和FIR形式，可以根据频谱图来确定具体的滤波参数。IIR水平低通滤波和FIR水平叠加其原理是当你输入一个非零值，由该值决定的道数会相加平均并将平均值赋予中间道，依次计算。所以参数值应该为奇数，一般情况设为5就可以很好的去除高频，平滑数据。43空间滤波以上就是F-K滤波的流程图，首先经过快速傅立叶变换将时间域雷达数据转化为二维谱图，经过对二维谱图的分析，选择合适的参数进行快速傅立叶逆变换，得到处理之后的时间域雷达数据剖面。空间快速傅立叶变

30、换滤波器,是一个二维的频率滤波器，在时空二维域中进行滤波。经常被称作频率一波数滤波，或f-k滤波（注：k就是波数的意思）。这种方法可以产生一个二维矩阵，代表了雷达波的相位和振幅。可以用此滤波器进行二维滤波以削减噪音干扰。对已经变化的数据矩阵进行傅立叶逆变换，此时的滤波器会滤掉一些噪音。在技术上，通过逆变换，数据由频率域恢复到时间域。相对于一维的垂直和水平滤波，F-K滤波的优点有：可以对信号和噪音进行更好的区分。信号和噪音或许在一维处理中会有所重叠，使得分离它们变得非常困难。但是二维滤波中的情况好的多。该功能的对话框如下图：主要显示了二维谱图，滤波器参数设置，以及谱图的显示控制参数。其中谱图的竖

31、轴代表了信号频率，横轴代表了波数（即每单位长度上波周的数目）。2DFFTDIAGRAM滤波器参数设置显示後直2DFFTDIAGRAM滤波器参数设置显示後直Recalc按钮会将文件转化为二维谱图。谱图的显示参数可以控制谱图的显示质量，一旦谱图形成，可以用Gain，Zoom来增强显示效果，可以使用Scans，Samples来选择显示范围（显示范围也可以通过鼠标来控制）设置滤波器参数可以开始快速傅立叶逆变换。滤波器参数的意义和选择MinFreq最小频率，MaxFreq最高频率，这两项控制着滤波器的竖向分量。Alpha和DeltaAlpha控制着水平分量，可以通过图中的直线在调整。Alpha代表着滤波

32、器的对称程度，当两条直线关于中间直线对称时，Alpha的值接近于0,当Alpha很高时，意味着两条射线不对称。DeltaAlpha代表着射线之间的夹角，与反射体的线性尺寸相关。滤波器类型的选择：该项决定了使用哪种空间快速傅立叶逆变换，总共有五种：None:FFT文件不作任何修改被恢复，High-CutHorizontal:仅两射线之间的部分被执行FFT逆变换。High-CutVertical:仅两射线之外部分被执行FFT逆变换。High-CutVertSymm:仅两射线之外部分被执行FFT逆变换（对称的）High-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVer

33、tSymmHigh-CutHorizontalHigh-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVertSymmHigh-CutHorizontalHigh-CutHorzSymm:仅两射线之间的部分被执行FFT逆变换（对称的）注：当射线不对称时，使用对称滤波器形式可以起到较好的作用。使用经验：不对称的射线与对称的滤波器类型组合，往往得到比较好的效果。射线对称时（即Alpha的值接近于0）,水平和竖直特征会被突出。不对称的射线（即Alpha的值很高）突出倾斜的特征。对于High-CutHorizontal和High-CutHorzSymm来说，DeltaAlp

34、h较小时且对称时，突出的是水平信号，当Delta较大且对称时，则可以包含各种信号。如下图。High-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVertSymmHigh-CutHorizontalHigh-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVertSymmHigh-CutHorizontal原始数据Alpha较小Alpha较大High-CutVertica1和High-CutVertSymm方式，当DeltaAlph较小且射线对称时，包含各种信号，当Delta较大且对称时，突出竖直信号。所以运用这个功能可以去除水平干扰。原始

35、数据Alpha较小原始数据Alpha较小Alpha较大High-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVertSymmHigh-CutHorizontalHigh-CutVerticalHigh-CutVertical模式High-CutVertSymmHigh-CutHorizontal当射线不对称时，突出的是倾斜信号，如下图，可见High-CutHorizontal倾斜信号不突出。管线绕射图像a为墙角绕射，b为桥墩顶部绕射管线绕射图像a为墙角绕射，b为桥墩顶部绕射44去除多次反射反卷积当雷达信号在目标体（如一块金属物或湿粘土层）和天线之间来回反射的时候，

36、往往会出现多次反射界面的现象。或者在两个反射层面之间发生电磁波的振荡，出现多次反射现象。这种现象会模糊浅部的（或者深度较小的部分）真实信息。在实际探测中在扫描地下水层，基岩或空洞的时候就会出现多次重复的情况。反卷积就是为去除此类噪声干扰而设计的滤波方法，还可以提高垂直分辨率，分解间距较小的层。RADAN中的反卷积方法叫做预测反卷积，这是一种将尖脉冲反卷积作为一种特例的常见方法。该方法试图尽力在天线与地面耦合的时候去逼近发射脉冲的形状。假设一个特定长度的震源子波，也称作滤波器算子长度，当震源子波由数据中被清除时，该滤波器可以预测一定距离之外的数据形状，叫做预测延迟。这就导致了反射子波被压制。像天

37、线重复反射等此类预测现象，将被移动到比预测延迟更远的位置，可以有效的消除此类现象。反卷积参数选择为了更好的运行反卷积滤波，像滤波算子长度，预测延迟，预白噪声化，增益，起始样本，终止样本等参数应该适当的选择。滤波算子长度：按照组成一个脉冲的样本点数目，滤波器算子长度设定了滤波器的大小。较长的滤波算子长度可以对雷达波进行较好的拟合，并且可以得到较好的结果，但是耗时较长。滤波器算子长度应该满足一个完整的雷达子波循环，这样将起到较好的作用。小于该值的参数会导致不好的结果。|如何确定滤波算子长度？首先找到反射界面的第一个正反射,再找到第二个正反射峰值，将两者的样本点数相减，而算子长度值应该大于或等于该值

38、。预测延迟：该值将被设定为理想的输出脉冲长度（大约为雷达子波的半个循环）。小于该值的参数会产生更多噪声。利用反卷积来去除重复反射时，延迟值应该等于或小于重复之间的空间。参数值为51的预测延迟被用作拟合尖脉冲反卷积，但是这将给数据带来更多噪声干扰。预白噪声化：通过加强白噪声（零延迟）元件，预白噪声化可以调整相应的自相关函数。从数学意义上来讲，预白噪声化可以是滤波器稳定，并且可以是输出的数据光滑，降低噪声干扰。0.11是普通值，而0.8是一个较好的值。管线绕射图像a为墙角绕射，b为桥墩顶部绕射管线绕射图像a为墙角绕射，b为桥墩顶部绕射附加增益：附加增益是必要的，因为反卷积会造成信号的衰减，尤其是在

39、预测延迟较短的情况下。35是普通值，尽量使用可以是振幅恢复到原始数据水平的增益值。起始/终止样本点：为了对反卷积时间上建立一个范围，起始和终止样本点应该设置,以样本点编号来定义，该范围内反卷积滤波是可用的。1工|马蟻注OI伺第=孕駆出珥汨丄r原始数据剖面经反卷积处理的剖面5去除绕射绕射产生的原因有：雷达天线以宽束的模式发射能量，所以在（离天线）几英尺远的目标体可以被探测到。当天线由远及近并经过有限尺寸的物体时，该物体在雷达图像上表现为双曲线形态。急剧倾斜的地层表面也会导致雷达能量的绕射交角处也会产生双曲线绕射。常见绕射双曲线绕射如下图:绕射会模糊一些有用的信息，导致对地下目标体的尺寸和形状作出

40、错误的解译。急剧倾斜层在雷达剖面上的表面形状是一种假相，在很多情况下需要进行修正。而偏移就是将倾斜层反应回归到其真实位置，并削弱双曲线绕射的一种技术。在RADAN中，进行偏移的流程如下图：偏移处理的流程图偏移参数选择在RADAN中有偏移方法：可希霍夫偏移和双曲线累加偏移。双曲线累加偏移要比可希霍夫偏移速度快，但是精确度小。双曲线累加偏移：该方法是沿数据剖面上的双曲线将其累加，然后将平均结果赋予双曲线的顶部。可希霍夫偏移：该方法要比双曲线累加精确。同样的，通过将数据剖面上的双曲线累加，将平均值赋予双曲线的顶点。然而，不同的是：基于数据特征的入射角和距离，可希霍夫还对该平均值应用了一个修正参数。还

41、对累加过程应用了滤波处理。该滤波处理通过加强高频成分和应用相位校正来提高分辨率。通常来说，优先使用可希霍夫偏移。为了是偏移处理更加准确，建议在数据采集时使用测量轮。两种方法皆要求双曲线的宽度以及相对速度被定义。在数据被执行偏移处理之前，在头文件中的下列参数需要定义一个值：样本/道数时窗范围（纳秒）道数/米速度：即雷达脉冲在某处的传播速度。相对速度就是横轴上一个目标体的长度（innumberofscans/meter）与其在纵轴（时间轴）方向上的长度（numberofsamples/meter）的比值。你应该调整双曲线镜像的形状，以便与数据中的真实双曲线相符。注意：当你改变双曲线镜像的形状的时候

42、，速度也随之改变了。双曲线镜像只是一个工具，用来帮你识别介质的修正速度。宽度：（以道数计）该值应该与绕射双曲线的道数设为一致。较大的值可以更为精确，但是如果过大，就会出现衰减。增益：用于加强偏移之后的振幅，因为偏移处理通常会减弱雷达的信号。该值通常可以设为1.55。建议按照以下步骤进行设定参数：1当光标放在双曲线镜像的中心顶点的时候，点击左键，这样可以拖动双曲线镜像，以便使与数据中真实的双曲线相互重叠比对。2使用形状手柄可以使双曲线镜像的形状与真实双曲线相匹配。确保可以覆盖整个真实的双曲线，并记住使用真实双曲线的尾部来帮助你调整形状。这样可以设置偏移速度。3调整宽度：可以通过左键点住竖线底部或

43、顶部的拖动点来拖动鼠标。确保足够宽以便包容整个真实双曲线，但是也不要太宽以免将其它双曲线包含进来。这样就可以设置双曲线搜寻宽度。4.如果介质是各向同性的，你可以运行2D常量速度偏移，若不是各向同性的，则点击NEXT去运行2D变量速度偏移。2D变量速度偏移在与真实双曲线匹配好之后，点击NEXT进入下一对话框：变量速度偏移。这里允许你针对不同的深度输入不同的速度值。当随探测深度的介质发生变化时，这种方法就经常被用到，比如土壤的化学特性、孔隙率以及含水率都会随着深度而变化，若使用二维常量速度偏移就会出现巨大的偏差。在一个条件不确定的测区，使用变量速度偏移可以得到更为准确的深度计算值。注意：这种偏移不

44、会产生一个单独的介电值，并不会代替头文件中的介电常量。使用鼠标，点击数据文件中的几个双曲线的顶部它们经常表现为彩色环，每个被点击的双曲线将被用来计算波速尽量选择不同深度的目标（双曲线），因为测区的介质中的波速不仅在横向上变化，而且在深度方向上也彼此不同（此条至关重要）计算结果在对话框的左侧显示，在右侧以表格的形式显示。每个目标的位置和速度由一个置信水平决定。置信水平在左侧以不同的颜色显示：白色对应高水平，黑色对应低水平，灰色对应中等。在对话框右侧的电子表格提供了关于目标的大量信息：目标位置，估计速度以及其置信水平。速度曲线在速度分布对话框里，选择具有高水平置信度的点，比如白色的，然后双击这些点

45、就产生相应的速度曲线。该曲线被定义为点速度函数。通过选择这些参考点，用户可以向左或向右拖动这些参考拐点来生成最佳速度剖面。单击“运行变速偏移”按钮，运用偏移函数，将产生最终的结果剖面。在不同的雷达剖面的不同深度上，运用变速偏移比常速偏移对点状目标体更加准确。如果在首次偏移后发现数据偏移过度，应该减小相对速度。过度偏移的反射层在雷达图像上表现为双曲线倒置（就如同”微笑”的形状）。相应的，如果偏移量过小，就应该增加相对速度。过小偏移则在雷达图像上表现为双曲线部分或全部的纵向收缩。偏移提示：绕射顶点不会移动双曲线会缩到；一个点状，或者圈状。偏移处理例子原始剖面中管线和油罐的绕射较为严重，而且掩盖了一

46、些深部的信息1D.01D.030JI4D.U弧0弧0选择可希霍夫偏移模式通过调节镜像双曲线与剖面中的真实双曲线相匹配，来设定参数:因为探测介质是非均匀的，故选择变速二维偏移，并拾取双曲线顶点（注：绿色矩形框缩标的就是拾取圆环）：绘制速度曲线:点击“运行变速偏移”按钮，执行偏移，结果如下，可见部分双曲线偏移效果较好，但是多数偏移不足，这就需要重新设置参数从头开始或者对当前的剖面进行二次偏移处理。下图就是处理效果较好的剖面:46增加低振幅部分的可视性在RADAN中有三种方法用来增加低振幅部分或加强小振幅特征。利用颜色转换功能调整时窗增益调整显示增益利用颜色转换功能(colortransform)如

47、何调整颜色转换已经在前面进行了我详细阐述。颜色转换的默认为1，其色标由8个负极颜色和8个正极颜色组成，每个颜色段的长度是均等的。一般来说，较小振幅变化可以被视为电磁波遇到地下层面发生较大变化的标志，比如，地下水面上浮动的油脂会是振幅发生较小的变化。为了加强较弱的振幅反映，建议选择颜色转化2，若要达到更强的效果，则可以选择3。用户可以自行选择颜色转换模式，用于突出较弱的反映体。颜色转换功能可以用来压制较高振幅的反射，并突出用户感兴趣的反射，比如金属管道，地下油罐。一般来说，执行了滤波之后信号的振幅会有所降低。RADAN软件允许用户利用增益功能,来补偿振幅的降低。总共有两种增益方式：时窗增益和恢复

48、增益。时窗增益可以帮助用户来调整数据的增益，而恢复增益则可以那些去除在采集时应用到数据中的增益。时窗增益在RADAN中有三种时窗增益方式：自动增益，线性增益，指数增益。线性增益&指数增益函数是用于数动增益模式的，允许用户手动操作增益点。增益点即可以通过参数框输入，也可以用手动拖动增益点来调整。当选择线性和指数增益时，增益调整就可以被应用到整个数据。增益曲线不仅可以增加弱振幅的部分而且可以增加高振幅部分。线性函数在增益点之间进行增益。指数函数则可以在增益点之间进行指数增益，指数增益函数在竖向上的尺寸用分贝来表示。自动增益是用来平衡每一道之间的增益，在运行自动增益是需要输入一个水平时间常量(Hor

49、izontaltimeconstant),该常数决定了在当前道的左边有多少道用于形成自动增益函数曲线，这应用了加权滤波。一个较小的值意味着赋予当前道附近的道更多的权重，较大的值则将给予较远道更多的权重。当同时使用自动增益和手动增益时，建议将增益点设置为48。-当用自动增益时增益点一般设置为25,而水平时间常量设置为1121。恢复增益|（该功能不是很懂）恢复增益函数可以用来去除采集时用到数据上的增益。恢复增益是一个重要选择,可以将数据输出到正演模型程序,或决定电性常量,导电常量,或层间衰减率。恢复增益函数利用头文件中的增益信息来去除增益函数,使增益正常化。注意：增益超过30分贝会导致数据严重丢失

50、。显示增益为改变显示增益,可以在屏幕上点击右键然后选择显示增益。你可以在预设的菜单中选择0.0625到16。这可以改变整个时窗。可以尝试不同的显示增益参数,一直到比较容易辨认低振幅的目标。47增加微弱信号得可视性并生成更清晰得数据剖面Hilbert转换：发现细微特征|（详见第三章的相关内容）Hilbert变换参数选择使用Hilbert变换时需要输入一些参数：起始样本点，终止样本点需要转换的方式（振幅值，瞬时相位or瞬时频率）频率范围用户可以使用Trsformto功能来选择数据的显示方式：振幅值，瞬时相位or瞬时频率频率范围（frequencyscale）框要以“周期数/道数来输入，当你选择瞬时

51、频率的显示方式时，该值应该是所要输出的数据的最大振幅。静态校正静态校正经常被用来补偿在水平方向上出现的高程变化，相位变化以及高频噪音，它通常是数据处理的最后一步。静态校正假定近似水平的反射层是连续的，但因为天线耦合不好、零点出问题或这局部速度的变化，会导致出现不连续的情况。有时候，经过一些列的处理步骤后，一旦水平（或近似水平）和连续反射层出现不连续的情况或者在旅行时间上发生轻微变化，都会导致难以追踪反射体。而静态校正可以对此作出修正。静态校正可以补偿那些因为在特定时间窗口内出现的反射层移动而产生的噪声干扰。静态校正的另外一个功能就是在不影响数据的竖向频率的前提下来进行水平滤波，而不像水平高通和

52、低通滤波。静态校正证明了使用交互相关的方法对反射层的水平追踪是可行的。1.运行静态校正，在Process菜单中选择CorrectStatic在数据剖面上会出现一个矩形。你可以使用鼠标来改变矩形的形状以达到合适的宽度，然后拖动矩形以使其覆盖到你所感兴趣的反射体上面。2调整好第一部分后，移动鼠标来调整下一个部分这样可以建立一个多部分的窗口，在此窗口中可以使用静态校正来追踪某个反射体。3将出现一个对话框，你可以输入窗高（即矩形的高度，以样本点计）滤波器长度，校正起点（correctionthreshold?）,以及滤波器形式选择。校正起点值是用来在模型数据和实际数据之间进行交互校正的。该参数可以告诉

53、你追踪层的效果程度，通常被设定在0.51。Localpeaks提取功能Localpeaks提取功能可以自动追踪反射较强的连续反射体，利用该功能可以提取在某个时间段内的最强的反射，以次来判断介质的分层位置。Localpeaks需要输入的参数如下：Select：定义追踪的对象，是全部，是正反射，还是负反射Max#ofPoints：定义了所要追踪的峰值的数量。由该值决定的最强的反射会显示出来，有的反射体可能在剖面中很长，但追踪的峰值的数目不会超过该值。（体会：该值决定了追踪的最强反射层面的数目，所以要追踪较多的反射体，就应该将该值设大一些）Sample/poins：决定了所追踪的峰值在垂直方向上的宽

54、度。峰值的宽度按照此值显示。起始/终止样本：其缺省项是整个剖面。用户可以选择特定部分来处理。数学运算可以点击数学运算（ArithmeticFunctions）图标,来对雷达数据进行一些简单的算术运算.你可以加或减另一个文件,加或乘以一个常数,或者显示数据的绝对值、平方根，或者对数据求积分。当对数据求对数或平方根时，这样可以突出数据的低振幅部分。注意：当对数据进行对数或平方根处理时，数据的振幅必须以正数值，不然的话，会导致错误。所以，你应该首先将数据调整为绝对值显示。使用指数或者平方时，可以突出较强的信号（也就是高振幅部分），削弱低振幅部分。数学运算操作安下面的顺序进行（如图）：加一个常数乘一个

55、常数函数运算再乘一个常数第五章探测实例5.1管线探测实例管线在雷达数据剖面中一般呈现双曲线形态，下面例子主要是将如何进行尺寸调整以及回归偏移。尺寸调整如图5.1，由于天线走速不匀速，导致每个标记之间的间距不等，所以应该进行距离正常化，首先将UserMark转化为联合标记，如图中的白线。工曲连傀*o闸兰亠尋卸Mmijn图5.1将用户标记转化为联合标记然后再进行距离正常化，点击相应选项，输入参数：SCAN/M为50,m/mark为2。处理结果如图5.2,可以看到水平尺寸已经调整。图5.2距离正常化后的剖面偏移归位处理选择可希霍夫偏移模式通过调节镜像双曲线与剖面中的真实双曲线相匹配，来设定参数:mC

56、KHDEFKyrerbolaWidth.VelocityDai.mCKHDEFKyrerbolaWidth.VelocityDai.Velocity(in/nsHigjratlddKini2D匚OUEtGILtVelocityMirjrstion图5.3通过调节镜像双曲线来设置参数因为探测介质是非均匀的，故选择变速二维偏移，并拾取双曲线顶点（注：绿色矩形框缩标的就是拾取圆环）：图5.4双曲线顶点拾取绘制速度曲线：图5.5绘制速度曲线点击“运行变速偏移”按钮，执行偏移，结果如下，可见部分双曲线偏移效果较好，但是多数偏移不足，这就需要重新设置参数从头开始或者对当前的剖面进行二次偏移处理。图5.6偏

57、移结果下图就是处理效果较好的剖面：图5.7较好的偏移结果2桥洞探测实例观察雷达原始剖面(图5.8)，可以看出该数据有以下特点：零点位置偏差较大，需要加以调整；色标不合适，这样的色标使得正负反射极为不容易辨认；在图中可以明显看到桥拱的反射，但是出现了明显的多次反射，模糊的深部的信息，特别是空气与水的界面难以辨认；由于电磁波是在不同介质中传播，所以不能使用同一个介电常数来进行时深转换。119118120AB(b)原始剖面图5.8雷达原始剖面色标设置首先设置一个正负反射对比明显的色标：如图5.9:图5.9经色标设置后的剖面增益处理在图5.9中可以看出，部分振幅过小，使得某些某些界面难以辨认。进行手动

58、增益，并将显示增益调整为2。处理后的剖面如5.10.(a)手动增益曲线设置(b)增益后的剖面5.10增益处理滤波处理对剖面进行频谱分析，在剖面中挑选了几道来分析其频率成分，如图5.11.0.025.050.075.0100125150175scanSscan30scanlzOscan235scan390每个参考道的位置Scan9的频谱Scan300.025.050.075.0100125150175scanSscan30scanlzOscan235scan390每个参考道的位置Scan9的频谱Scan30的频谱Scanl20的频谱（主频在100MHz）（主频在100MHz）（主频在20MHz）

59、（主频在60MHz）Scan390Scan390的频谱（主频在65MHz）Scan235的频谱（主频在71MHz）图5.11数据剖面频谱分析根据上图的频谱分析，可以看到该剖面的频谱有以下特点：正常数据道的主频在100左右，而桥洞部位的几道的主频在2070之间，可见频率较低，原因应该是有水存在的原因；在25ns75ns这部分剖面中存在雪花现象，高频成分较多，应该是因为这座拱桥顶部存在回填土，其中碎块较多，导致多次散射，折射，出现高频干扰。根据以上特点对数据进行带通滤波，滤波长度为40140,然后再进行水平IIR低通滤波(因子为6),结果如图5.12，可见高频减少，整个剖面的更加光滑，分辨率有所提

60、高。丨工翱鱼禺0丨風爲=转XI“I(a)FIR带通滤波(b)IIR水平低通滤波图5.12滤波处理反卷积处理由于存在多次反射，模糊了深部信息，需要进行反卷积处理。如下图，可见，多次反射的情况明显减少了，更加突出了真实的层面。但是，不可避免的，多次反射的情况并没有完全解决，也不可能完全解决。图5.13反卷积处理后的剖面希尔伯特变换这次探测的目的主要是寻找到水的界面，根据已有的经验，判断水的主要依据有：负反射；反射较强；频率较低；但是在该剖面中干扰较多，只根据已有的成果图5.12(b)和图5.13并不能充分判断水面的位置，还需要进行希尔伯特变换，如图5.14。观察希尔伯特变换的成果，可见，瞬时振幅图