第一章 緒論
1-1 研究動機
地球物理探勘方法種類繁多，而針對淺層或極淺層目標物或 構造做為探測標的的方法中，透地雷達 (ground-penetrating radar, GPR) 反射測勘為其中一種高解析度非破壞性及非侵入性的探勘 技術。此種地球物理探勘方法與其他例如重力、磁力、甚低頻、
地電阻等重力或電磁測探勘方法比較起來，確實在數據信號上有 明顯較高的精確性和解析度，而在描繪地下地質構造及目標物形 貌上也比較詳細、可靠。除此之外，若與反射震測方法 (reflection seismic method) 比較，由反射數據剖面的解析度來討論，兩者不 分軒輊，端看佈線幾何的設計；然而在儀器成本、施測便利性及
Nuzzo et al., 2002)。
透地雷達的探測技術雖然已廣泛使用到許多領域，但如何判
第一章 緒論 2 系統屬於無線電波發射機 (radio transmitters)，必須受到國內或 國際通信法規的約束，故一般的透地雷達系統常會有頻域不盡理 想，或能量消散過快的問題。
在本論文中，以一種近代時頻分析方法，總體經驗模組拆解 (ensemble empirical mode decomposition, EEMD) 取代傳統資料 處理濾波方法來處理透地雷達數據資料，針對每一條測線數據資 料拆解與重組，提高透地雷達數據資料的信噪比(S/N ratio)，並 期望更有效地消除雜波或人工假象。此外，利用自然對數轉換 (nature logarithmic transform, NLT) 替代傳統自動增益控制 (auto gain control,AGC) 來增強真實信號的振幅強度 (Chen et al.,2011) 解決振幅衰減的問題。
在透地雷達反射測勘佈線幾何方面，本研究設計準 3D 透地
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雷達幾何佈線，測區內每條測線分兩個正交 (x,y) 方向之座標 定位，得到彼此正交的 x 和 y 方向棋盤格狀數據資料，或彼此平 行的 x 或 y 方向數據資料。在取得野外數據資料後，透過震測與 透地雷達資料處理軟體 REFLEX 處理與呈現，處理過程中先將每 條測線頭標與測線長度統一，並作簡單基本的傳統頻率濾波與信 號增益處理，再將準 3D 透地雷達幾何佈線的數據資料以 3D 立 體剖面或時間軸切面的方式呈現。在此同時，本研究也把數據資 料從 REFLEX 軟體輸出至 Matlab 應用數學軟體做近代時頻分析 方法的處理，最後再將處理過後的數據資料輸入回到 REFLEX 軟 體呈現，並可以用套裝軟體中非線性內插 (interpolation) 補點方 法及時間軸切面 (time slice) 二維影像處理來提高解析度，以便 更加確定地下目標物的位置與形狀。
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第一章 緒論 6 2001; Nuzzo et al., 2002; Watters et al., 2004; Grasmueck et al., 2004;
Bonomo et al., 2010)。而最近更有 3D 高解析度透地雷達應用，是 以高密集度費時、費力的幾何佈線及昂貴的儀器設備來換取解析
第一章 緒論 7 性濾波 (global linear filtering) 來提升走時曲線信噪比，此特定濾
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波器的設計無法處理信號和雜波頻帶重疊的問題，也常造成濾波 後“信雜共存或共亡”的結果。因此，近年來有若干研究者採用更 有效的方法，將信號與雜波做最佳的成分拆解處理，然後去除其 雜波，保留反射的信號數據，最後得到極佳的濾波效果 (Jeng et al., 2007; Jeng et al., 2009; Lin and Jeng, 2010; Jeng and Chen, 2011;
Chen and Jeng, 2011; 陳志松, 2011)。
在傳統的傅立葉線性濾波 (Fourier-based liner filtering) 運算 法是利用有限個正交性良好的弦波 (諧和波) 做為基底函數來進 行濾波器設計，若雜波中含有諧和波的基頻 (fundamental
frequency) 與倍頻效應，便會使信號與雜波產生嚴重的模組混雜 (mode mixing) 問題。濾波後會導致信號扭曲 (distortion) 或濾波 後產生信號假象 (artifacts)，並且也衍生出沒有任何物理意義的諧 和波分量出現 (Nyman and Gaiser, 1983; Butler and Russell, 1993;
Jeng et al., 1995; Jeffryes, 2002; Meunier and Bianchi, 2002; Butler and Russell, 2003; Sucier et al., 2006; Jeng et al., 2007b; Belina et al., 2009)。近十幾年來的時頻譜分析和濾波處理技術中，由黃鍔等人 (1998) 所發明的希爾伯特黃轉換 (Hilbert-Huang transform, HHT) 為最佳的可行方法。此法為一嶄新的適應性分析資料處理方法，
主要是利用經驗模組拆解 (empirical mode decomposition, EMD)
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準則來處理非線性 (nonlinear) 和非穩態 (nonstationary) 數據，
並結合希爾伯特頻譜分析 (Hilbert spectral analysis, HAS) 來呈現 信號本質上的瞬時特性 (instantaneous attributes)。EMD 是將信號 數據分解成有限個本質模組函數 (intrinsic mode function, IMF)，
再藉由 HSA 將 IMF 呈現出時頻域上信號能量的局部性質。在近 幾年 Wu 和 Huang (2005, 2009) 提出總體經驗模組拆解法針對 EMD 拆解演算過程做了修改，並且將模組混雜問題加以改進 (Flandrin et al., 2004; Wu and Huang, 2005)。在分析能力上較先前 之 EMD 更為有效與可靠地將信號潛在之局部有意義瞬時頻率分 析出來，因此在科學與工程上更加廣泛地被應用 (陳志松,
2011)。本論文除了以準 3D 佈線幾何及非線性內插補點方法增加 地下構造信號反射的側向關聯性之外，更以 EEMD 此種新穎的近 代時頻分析方法來解決雜波及人工假象的難題，並與透過傳統資 料處理方法的透地雷達反射數據剖面比較兩者的優劣，期望能更 精確地定出地下目標物的位置、甚至形狀和大小，或地下地質構 造的走向 (strike) 與傾向 (dip)。