地质雷达讲义-公路道路检测上的应用.doc
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1、第五章 探地雷达在公路道路检测中的应用及研究5.1 公路道路评价5.1.1 公路评价标准1.参考依据路面质量检测及评定的内容是面层厚度。检测与评定方法是按照中华人民共和国行业标准JTJ059-95公路路基路面现场测试规程与JTJ071-98公路工程质量检验评定标准进行。2.评定单元按照公路工程质量检验评定标准(以下简称“质量检验标准”)的规定,公路路基路面工程划分为分部工程和分项工程。分部工程的单元长度是1-3km, 分项工程分为底基层、基层、面层、垫层、联结层、路缘石、人行道、路肩等。路基路面检测评定的单元长度可取分部工程尺度的下限1km, 路基中的水泥粒石稳定层和沥青路面作为分项工程,质量
2、应该分别评定。根据评定方法要求,一个评定单元应该有100个数据点,因而取10米为一个数据单元。在常规挖坑检测法中是每车道200m取一个数据,而探地雷达检测中几厘米或十几厘米就可得到一个厚度数据。评定中先将10米长度内的雷达测量数据平均,作为一个数据点,这样每公里就有100个数据点,可以大大地提高路基路面检测的可靠性和代表性。3.评定指标按照质量检验标准,路基路面工程各结构层厚度的检测和评定设定两个物理量,一个是平均值的代表值偏差,另一个是极值。按代表值的允许偏差和单个测定值的允许偏差进行评定,评定的方法是将代表值与设计值相比较。如果代表值偏离设计值超过了允许的偏差大小,就认为是不合格,评为零分
3、。如果代表值合格,而部分测量点的值与设计厚度的偏差超过极值的话,这些点不合格。代表值允许偏差是平均意义下的最大允许偏差,极值是对各测量点所允许的最大偏差。根据不合格的点数占总测量点数的比率扣分。因而代表值的允许偏差和极值是给定设计值之后最重要的两个指标。对于不同的路基路面结构,这些值是不同的,表5-1是质量检验标准中规定的数据,汇总在一起。表5-1 代表值允许偏差和极值数据表 (高速公路和一级公路)水泥稳定粒料基层级配碎石基层沥青碎石面层沥青贯入式面层代表值允许偏差(mm)8mm8mm8mm (总)4mm (上层)5mm极值允许偏差(mm)15mm15mm15mm (总)8mm(上层)10mm
4、4.参数计算依据根据质量检验标准的规定,代表值,平均厚度,标准差S,由下式计算: (5-1)其中t是保证率参数,n是检测样点数。在样点数为n=100的条件下,对于高速和一级公路,基层、底基层保证率为99%时 ,对于面层,保证率为95%时。式中平均厚度的计算公式是: (5-2)标准差的计算公式是: (5-3)5.合格率当代表植设计厚度标准差时,合格率为大于极植的点的总数除以采样点数。当代表植0)上收敛,因此对于FIR系统,H(z)在有限z平面上不能有极点。如分子、分母无公共可约因子,则H(z)分母中全部系数bi(i=1,2,N)必须为零,故 (5-9)只要bi中有一个系数不为零,在有限z平面上就
5、会有极点,这就属于IIR系统。bi不为零就说明需要将延时的输出序列y(n-i)反馈回来,所以,IIR系统的结构中都带有反馈回路。这种带有反馈回路的结构称为“递归型”结构,IIR系统只能采用“递归型”结构,而FIR系统一般采用非“递归型”结构。但是,采用极、零点抵消的方法,FIR系统也可采用“递归型”结构。IIR、FIR构成数字滤波器的两大类。2.一维数字滤波系统的形式在探地雷达应用中,可以根据目的不同,选用不同形式的滤波器,目前常用的滤波器形式有以下五种:低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器、带陷滤波器和全通滤波器。参见图5-9所示。图5-95.3.3 FIR滤波器的应用分析FIR数字滤波主要根
6、据有效信号的频带来设置滤波器。这里先给出原始信号剖面以及低通、高通和带通三种滤波效果剖面对比结果,参见图5-10所示,每个剖面给出相同道(第80道)信号的振幅谱结果。图5-10 原始剖面及FIR不同滤波器滤波效果对比示意图在图(a)中的原始剖面中,存在两处明显异常,这两处异常表现出不同频率信号,分别用圆和椭圆圈定出来。从原始剖面也可以看出振幅谱主要有四个峰组成,既0MHz、64MHz、192MHz和332MHz。频率成份丰富,汇集了天线接收综合信号。图(b)是50MHz低通滤波后剖面,椭圆圈定异常信号得到加强,而圆圈定信号消失,这表明椭圆圈定异常信号能量在50MHz以下为主要频率,而圆圈定异常
7、信号全部出现在50MHz以上。相反图(c)是100MHz高通滤波剖面,椭圆信号消失而圆信号存在。图(d)是35MHz210MHz带通滤波剖面,原始剖面中的两个信号都得到保留,同时得到加强,该剖面去除了低频和高频干扰,把两个异常信号能量保留,因而,这两个异常信号在剖面上得到加强。从上面分析,可以知道,在地质雷达进行数字处理时,应该根据所要提取信号所在的频率范围进行设置滤波器及其相应参数。否则会得到相反结果。下面重点介绍几个实际应用例子。例一:高速公路层位解释。如果采用1.6GHz天线进行高速公路分层探测。假如沥青层速度为0.113m/ns,在高速公路中设计采用5cm、6cm和7cm进行路面沥青油
8、层铺设。从理论上讲,如果厚度大于波长速度的1/4,既可以进行厚度分析。1.6G主频,0.113m/ns速度的沥青层,其四分之一波长为4.5cm,具备可以分层的要求。图5-11是1.6GHz天线实测的高速公路地质雷达剖面。图5-11 高速公路探测原始剖面从上图原始剖面只能初步分为两层,既视层位1和视层位2。这里称为视层位主要考虑未必与实际层位吻合,而本节重点并不是层位解释,而是如何通过资料处理上来提高分辨率问题。在视层位1中包含天线的耦合信号、地面反射信号、5cm层和6cm层间反射信号、6cm层和7cm层间反射信号等,因此如果想从原始剖面中分清5cm和6cm层位反射信号是不可能的。而从理论上讲,
9、又满足要求。为此必须对原始剖面进行必要的滤波处理。如何进行处理?我们知道,地质雷达采用宽频带信号,尽管主频位于1.6GHz,而实际最高频带远远大于1.6GMz,因此可以采用高通滤波器,保留高频信号,去除低频信号。图5-12是通频点为1GMz的高通滤波剖面。图5-12 高速公路探测1000MHz高通滤波剖面从图中可以明显看出层位信息更加丰富。从处理结果可以初步分为三个视层位,这三个视层位分别对应5cm、6cm和7cm层间反射信息。在实际应用过程中必须和钻探结合,才能进行较精确定位。但是,通过高通滤波,的确实现多层位信息的分离,为层位精细分层提供可能。说到这里,肯定会有读者提出下面疑问:如果在进行
10、高通滤波处理时,把通频点放在2GHz,那么层位不是更清晰吗?请参考图5-13,该图就是利用2GHz作为通频点的高通滤波处理效果。图5-13 高速公路探测2000MHz高通滤波剖面从图中我们不能分清任何层位信息,连沥青层与基础层之间反射标志层信息都不可见了。有的读者可能还会提出如下置疑:从图右侧波形不是有层位信息吗?对不起,请你看仔细了,波形图仅仅存在信号的振荡,有效信号已经不存在了。有的读者可能还会置疑,这些振荡信号从哪里来的?在这里,我只能说是由于天线阻抗不匹配的驻波信号和耦合信号的混杂,具体信号来源可能很复杂,只能把自己变成“天线”才能再进一步细分,不过人是不可能的变成“天线”的。读者可能
11、还会提问,为什么通频点选在2GHz,有效信号反而不见了?记住了,2GHz以上信号已经超出天线发射和接收有效信号的范围。因此,我们在任何资料处理时候,千万不能完全避开天线发射和接收有效信号的范围,否则全是干扰了,这样处理的结果,其解释准确度就可想而知了。例二:衬砌厚度检测。探地雷达检测技术在公路、铁路隧道的衬砌厚度检测得到广泛应用。图5-14是采用200MHz天线衬砌检测的雷达原始记录剖面。而图5-15是带通滤波结果。从原始剖面上如果来确定衬砌厚度,存在较大误差。其主要原因是由于低频成份信号较强的干扰,低频成份来源主要采集系统漂移造成的。为此采用带通滤波进行处理,滤波器的频响范围为120MHz和
12、500MHz之间。滤波处理结果表明,剖面的信噪比得到明显提高,为衬砌厚度解释提供良好的剖面。图5-4 隧道检测原始剖面图5-15 隧道检测带通滤波剖面如何选取滤波器的参数才能获得良好的滤波效果呢?1.数字滤波参数选取从上面讨论我们知道,滤波器可以用脉冲响应和频率响应来描述,脉冲响应在滤波器也被称为滤波因子。如果对某个信号进行滤波处理,首先要选定滤波器类型,既低通、高通、带通、带陷等;而后选定滤波参数,滤波参数选取与滤波效果有直接影响。由于在实际应用过程中,采用带通滤波较多,这里就以带通滤波为例介绍滤波参数的选取问题,仍然选取上图作为原始数据。图5-17是图5-16结果的滤波参数。图5-16 1
13、20500MHZ带通滤波参数图 图5-17 180260MHz带通滤波参数根据不同滤波参数可以得到相应的滤波因子和频响的振幅谱,参见图5-17。滤波因子又主瓣和傍瓣组成。因此滤波因子至关重要。滤波因子的选取原则:主瓣大、傍瓣小。依据此原则就是主瓣和傍瓣能量比越大越好。如果违背上述原则会出现什么样的结果呢?图5-18是新的一组滤波参数,主瓣和傍瓣能量相差较小。下图是新滤波参数的处理剖面。对比处理结果,具有如下区别:上图剖面信号的分辨率较高;左图剖面出现主信号尾部振荡。 有的读者会问,为什么会产生这样的差别?在信号处理中,傍瓣越大就会产生泄漏,信号失真越大。也可以这样理解,频带越宽,时间脉冲越窄,
14、信号分辨率越高。有关具体概念可以参考数字信号处理相关书籍。 图5-18 180260带通滤波剖面2.数字滤波器设计FIR滤波器的设计可以采用以下三种方法:(1)窗口法;(2)频率采样法;(3)最优化设计(等波纹逼近)。目前最常用的是采用窗口法来设计FIR滤波器,本书不讨论具体实现方式,读者可以参考相关书籍。5.3.4 IIR滤波系统IIR滤波系统同样要满足线性、时移不变性、能量有限和因果性原则。IIR滤波系统属于递归滤波器,下面主要介绍该滤波器的设计思路和简单应用。1. IIR数字滤波器设计IIR滤波器有以下两种设计方法: 模拟滤波器转换为数字滤波器; 最优化设计方法。以上两种设计方法中,常常
15、采用第一种设计方式来实现,因为数字滤波器在很多场合所要完成的任务与模拟滤波器相同,如作低通、高通、带通及带阻网络等,这时数字滤波也可看作是“模仿”模拟滤波器。在IIR滤波器设计中,采用这种设计方法目前最普遍。常用的模拟低通滤波器有巴特沃斯滤波器 (Butterworth 滤波器) 和切比雪夫(chebyshev)滤波器。任何形式的滤波器都可以通过低通滤波器进行转换实现。关于这两种滤波器的特点和如何实现数字滤波,读者可以参考相关书籍。 2. IIR数字滤波器应用IIR滤波器需要给出截频点、通频点、截频点衰减和通频点衰减等参数,其参数选取原则参考FIR滤波器。图5-19是IIR滤波器的参数选取以及
16、滤波因子和振幅谱特性。图5-20是IIR滤波器的滤波效果。图5-19 IIR带通滤波器参数设置图5-20 IIR带通滤波剖面模拟滤波器采用巴特沃斯滤波器,截频点衰减为10dB,通频点衰减为20dB。从滤波效果看,FIR滤波和IIR滤波没有很明显差别,主要地质雷达采用宽频带信号,所以信号过渡带没有什么意义。5.4 雷达初至波的确定本次的物理模拟实验,采用的仪器是中国矿业大学(北京)自主研发的GR地质雷达,发射天线主频为750MHz。5.4.1 铁板实验模型在探地雷达的实际探测中,雷达波的初至时间非常重要,它直接影响到反射信号的定位和信号识别,进而会影响到目标体的解释和识别。目前,雷达初至波的界定
17、较为混乱,没有统一的标准,常用的初至定位方法有以下五种,如图5-21所示。图 5-21 初至波确定为此设计铁板试验模型,目的是确定雷达波的初至时间。模型示意图和雷达剖面图分别为图5-22和图5-23所示。图 5-22 铁板实验模型示意图图 5-23 铁板实验模型雷达剖面图当铁板远离天线时,信号初至为天线之间的耦合信号,当铁板贴近天线时,信号为天线耦合信号与铁板反射信号的叠加,参见图5-23中的扫描线所示。由于雷达波的叠加属于线形叠加,因此利用雷达剖面中所有扫描线信号减去铁板远离天线时的扫描线信号,就可以尽可能的消除天线直接耦合信号的影响,如图5-24所示。图 5-24 天线耦合去除剖面示意图从
18、图中分析具有如下的规律:(1)铁板远离天线时扫描线信号较弱,是由于该信号作为背景被去除造成的。(2)空采数据道扫描线与原来铁板远离天线信号相同,只是相位反相。(3)铁板贴近天线时,扫描线中出现拐点,该扫描线是去除天线耦合信号后的结果,显然,拐点信号必定是铁板反射界面的起始信号,因此零线的位置应该定位于该拐点处。5.4.2 空气和水对比模型实验模型结构如图5-25所示,采集的雷达剖面如图5-26所示。图5.25空气和水对比模型结构示意图水泥砼 水 空气沥青砼路基层 8cm12cm图5-26 空气和水对比模型雷达剖面和波形图水泥砼与空气、水的分界面水与底层分界面初至波位置(零线)1.初至波分析从前
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