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工程科学学报.第42卷.第3期:390-398.2020年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.3:390-398,March 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.12.001;http://cje.ustb.edu.cn 隧道地质预报探地雷达信号干扰消除方法 刘宗辉2,),吴一帆2,刘保东,刘毛毛》,蓝日彦)区,孙怀凤) 1)广西新发展交通集团有限公司,南宁5300282)广西大学土木建筑工程学院.南宁5300043)山东大学土建与水利学院,济南250061 4)南宁城建管廊建设投资有限公司,南宁530219 ☒通信作者,E-mail:47573043@qq.com 摘要受探测环境制约,隧道超前地质预报过程中探地雷达反射波往往具有“弱信号,强干扰”的特征,给数据处理和解译 带来极大的困难.将剪切变换(shearlet变换,ST)引入探地雷达信号处理,根据有效信号和干扰信号在剪切域中不同尺度、不 同方向上的能量差异,提出一种基于自适应阀值的随机干扰去除方法,并通过正演模拟数据验证了该方法在随机干扰去除上 的优势:在此基础上针对隧道超前地质预报中常见的能量接近、频率异常干扰信号,以实际数据为例说明小波变换(WT)对 其去除效果:从而进一步提出小波变换与剪切变换联合干扰压制方法,即首先使用小波变换对异常频率干扰进行分离,然后 采用基于自适应阀值的剪切变换对随机干扰进行压制.现场溶洞探测案例应用效果表明.本文所提出的方法能在去除干扰 的同时很好地保留有效信号,根据处理后的波形堆积图可以很好地凸显地质异常区域,从而提高探地雷达资料解译精度 关键词隧道地质预报:探地雷达;剪切变换:小波变换:干扰消除 分类号TU375.4 Research on the interference elimination method of GPR signal for tunnel geological prediction LIU Zong-hui2),WU Yi-fan,LIU Bao-dong,LIU Mao-mao,LAN Ri-yan SUN Huai-feng 1)Guangxi Xinfazhan Communications Group Co Ltd.,Nanning 530028,China 2)College of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University,Nanning 530004,China 3)School of Civil Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China 4)Nanning Pipe Gallery Construction Investment Co.,Ltd.,Nanning 530219,China Corresponding author,E-mail:47573043@qq.com ABSTRACT Ground-penetrating radar(GPR)has been used in a wide range of shallow detection applications,such as underground geological mapping,highway detection,and hydrogeology survey.In recent years,GPR has been most widely utilized in tunnel geological prediction because it has the advantages of high resolution,intuitionistic results,and fast scanning.In addition,GPR signal is a typical nonstationary and time-varying signal,with its electromagnetic wave exhibiting strong absorption attenuation and dispersion as it propagated in complex surrounding rock.At the same time,the GPR response is often characterized by a weak signal and a strong interference because of numerous system interferences in the tunnel detection environment,which lead to difficulties in data processing and interpretation.Therefore,interference elimination is always a difficult problem when GPR is applied to tunnel geological prediction. In this study,through the introduction of shearlet transform(ST)to GPR signal processing,an adaptive thresholding method is proposed to eliminate random interference on the basis of the energy difference between effective and interference signals in the shearlet domain at different scales and directions.The advantages of this method in random interference removal are verified by forward simulation data. 收稿日期:2019-04-12 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51708136):广西自然科学基金资助项目(2017 GXNSFBA198199):中国博士后基金面上项目 (2019M653310):广西科技基地和人才专项资助项目(桂科AD19245153,桂科AD17129047)隧道地质预报探地雷达信号干扰消除方法 刘宗辉1,2,3),吴一帆2),刘保东4),刘毛毛2),蓝日彦1) 苣,孙怀凤3) 1) 广西新发展交通集团有限公司,南宁 530028    2) 广西大学土木建筑工程学院,南宁 530004    3) 山东大学土建与水利学院,济南 250061    4) 南宁城建管廊建设投资有限公司,南宁 530219 苣通信作者,E-mail:47573043@qq.com 摘    要    受探测环境制约,隧道超前地质预报过程中探地雷达反射波往往具有“弱信号,强干扰”的特征,给数据处理和解译 带来极大的困难. 将剪切变换(shearlet 变换,ST)引入探地雷达信号处理,根据有效信号和干扰信号在剪切域中不同尺度、不 同方向上的能量差异,提出一种基于自适应阀值的随机干扰去除方法,并通过正演模拟数据验证了该方法在随机干扰去除上 的优势;在此基础上针对隧道超前地质预报中常见的能量接近、频率异常干扰信号,以实际数据为例说明小波变换(WT)对 其去除效果;从而进一步提出小波变换与剪切变换联合干扰压制方法,即首先使用小波变换对异常频率干扰进行分离,然后 采用基于自适应阀值的剪切变换对随机干扰进行压制. 现场溶洞探测案例应用效果表明,本文所提出的方法能在去除干扰 的同时很好地保留有效信号,根据处理后的波形堆积图可以很好地凸显地质异常区域,从而提高探地雷达资料解译精度. 关键词    隧道地质预报;探地雷达;剪切变换;小波变换;干扰消除 分类号    TU375.4 Research  on  the  interference  elimination  method  of  GPR  signal  for  tunnel  geological prediction LIU Zong-hui1,2,3) ,WU Yi-fan2) ,LIU Bao-dong4) ,LIU Mao-mao2) ,LAN Ri-yan1) 苣 ,SUN Huai-feng3) 1) Guangxi Xinfazhan Communications Group Co Ltd., Nanning 530028, China 2) College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China 3) School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China 4) Nanning Pipe Gallery Construction Investment Co., Ltd., Nanning 530219, China 苣 Corresponding author, E-mail: 47573043@qq.com ABSTRACT    Ground-penetrating radar (GPR) has been used in a wide range of shallow detection applications, such as underground geological  mapping,  highway  detection,  and  hydrogeology  survey.  In  recent  years,  GPR  has  been  most  widely  utilized  in  tunnel geological prediction because it has the advantages of high resolution, intuitionistic results, and fast scanning. In addition, GPR signal is a typical nonstationary and time-varying signal, with its electromagnetic wave exhibiting strong absorption attenuation and dispersion as it propagated in complex surrounding rock. At the same time, the GPR response is often characterized by a weak signal and a strong interference because of numerous system interferences in the tunnel detection environment, which lead to difficulties in data processing and interpretation. Therefore, interference elimination is always a difficult problem when GPR is applied to tunnel geological prediction. In this study, through the introduction of shearlet transform (ST) to GPR signal processing, an adaptive thresholding method is proposed to eliminate random interference on the basis of the energy difference between effective and interference signals in the shearlet domain at different scales and directions. The advantages of this method in random interference removal are verified by forward simulation data. 收稿日期: 2019−04−12 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51708136);广西自然科学基金资助项目( 2017GXNSFBA198199);中国博士后基金面上项目 (2019M653310);广西科技基地和人才专项资助项目(桂科 AD19245153,桂科 AD17129047) 工程科学学报,第 42 卷,第 3 期:390−398,2020 年 3 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 3: 390−398, March 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.12.001; http://cje.ustb.edu.cn
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