圖 3-1. 透地雷達主機 第三章
第三章
第三章 第三章 資料處理流程及模型 資料處理流程及模型 資料處理流程及模型 資料處理流程及模型 3.1
3.1 3.1
3.1 野外測勘及資料處理 野外測勘及資料處理 野外測勘及資料處理 野外測勘及資料處理 3.1.1
3.1.1 3.1.1
3.1.1 探勘儀器 探勘儀器 探勘儀器 探勘儀器
本研究所使用的透地雷達儀器，是由美國 GSSI 公司製造之 SIR-3000 透地雷達系統，儀器本身分成三個主要部分 :ㄧ、主機(圖 3-1) 二、天線(圖 3-2) 三、纜線 。而天線與主機系統電源由充電 電池 SH220 提供(圖 3-3)
主機功能為在探勘時，調整各項參數的設定，並且儲存所接受到
的各項電性信號，此外主機本身還具有一彩色 SVGA 螢幕，可用於在
野外施測時，即時的粗略檢視測勘結果，在後續的資料處理時，可以
圖 3-2. 透地雷達天線
圖 3-3. 充電電池 SH202，除了提供主機本身的用電外，還包 括提供天線所發出的電磁波電力
本研究所使用的透地雷達天線，頻率為 400 MHz，發射接收全照
固定式天線。由於受到遮罩的保護，雷達波的發射能量可集中朝向地
下，接收信號也比較不會受到地表其他方向雜波所影響，天線方向屬
PL-BD(Parallel-Broadside)佈置，可得地下反射體最大之涵蓋角度。
圖 3-4. 全 罩 固 定 式 天 線 示 意 圖 ， 天 線 方 向 屬 於 PL-BD(Parallel-Broadside)佈置。（改自 GSSI Handbook for radar inspection of concrete，2002） 。
3.1.2 3.1.2 3.1.2
3.1.2 野外測勘程序 野外測勘程序 野外測勘程序 野外測勘程序
（1） 場址選定：透地雷達測勘環境有其一定限制，應儘量避免在電 磁波高耗損及地形變化過大的環境下施測，尤其是在含水豐富 的地層，含水量高時，會照成電磁波快速消散，故先觀察測勘 現地以平坦乾燥的環境為佳，測勘前需參考現地之地質資料以 初步瞭解其地層電性是否利於施測。
（2） 測線規劃及定位：選定場址後需規劃測勘路線，多條測線時可
採平行或網格狀分佈，並考慮測勘目標物大小、測勘工作時間
調整測線間距及長度。選定後記錄場址狀況，並定位起始點位
（3） 參數調整：考慮測勘深度及解析度，調整各項施測參數，如天 線頻率、取樣時間、濾波範圍、增益控制等。調整時觀察主機 螢幕之信號狀況至適合施測。本研究僅使用 400 MHz 之天線，
無法改變頻率，但可選擇最適合 400 MHz 天線的探測深度。
（4） 實地測勘：依規劃之施測路線進行測勘，逐一記錄各測線檔名 及測線上的地質狀況，或是特殊事項(例如水坑、凹地等)，以 便後續處理。
（5） 儲存資料：將信號資料以 USB，或是記憶卡轉存輸出至電腦，
進行後續處理。
3.1.3 3.1.3 3.1.3
3.1.3 參數設定 參數設定 參數設定 參數設定
根據不同的測勘環境及天線頻率，測勘前需先行設定各項參數以 取得最佳的信號資料：
（1） 信號格式：取樣數（256~8192 點）及信號格式（8 或 16 位元），
依探測深度不同可選取不同之取樣數以維持一定的信號品質。
（2） 取樣速度：因儀器無配備測距輪（survey wheel），所以只能在 時間模式（time based mode）下測勘，單位為（描線數/秒），
但實際測勘時會隨移動速度不同每秒的描線數有些許差異。考
慮預定之測勘目標大小及施測速度，以至少有 5～6 條穿透目標
物之描線為依據調整取樣速度。
（3） 相對介電常數：依據地質資料及現地觀察，參考常見介質電性 參數表作初步調整，或可以一已知深度之異常物逆推得知。
（4） 取樣時間：為接收天線接收單一描線信號的時間。一般而言較 長的取樣時間可獲得較深的測勘深度，但選擇上仍須考慮地層 衰減及天線頻率。於高頻或高衰減環境下，雷達波衰減迅速，
過長的取樣時間會因信號衰減，造成末端的記錄不具意義，所 以適當的取樣時間優於過長的取樣時間。本研究選用之 400 MHz 天線取樣時間介於 20~100 nS 間（GSSI，SIR-3000 User’s Manual）為最適當的取樣時間。
（5） 濾波及增益控制：適當的濾波及增益控制有助於即時觀察信號
狀況，但過多時容易造成雜訊增加或信號漏失。(唐周宜 2005)
3.2 3.2 3.2
3.2 資料處理流程 資料處理流程 資料處理流程 資料處理流程
本研究之資料處理使用美國 GSSI 公司 RADAN 5.0 透地雷達專業處理 軟體，以及 RTOAW 轉換格式程式
野外施測
取得原始資
輸入電腦
Radan5.0 讀取處理
距離歸ㄧ化
(Distance Normalization)
轉換格式為 ASCII
信號輸出為 .TXT 格式 Radan5.0
RTOAW
信號移位 (Migration)
圖 3-5 . 資料處裡流程圖(1)
輸出為 ASCII 後，再用 Matlab 軟體進行資料處理，處理流程如下
信號輸入 Matlab
選取小波波形
2D 小波分解
選取及過濾雜訊部份
信號重新組合輸出
繪圖 Matlab
圖 3-6 . 資料處裡流程圖(2)
Radan 讀取處理
由於從 SIR-3000 透地雷達系統所出來的原始資料，為副檔 名 .DZT 的特殊格式，在未進行任何資料轉檔時，只能為專業處理軟 體讀取，在本實驗中則是運用，GSSI 公司所編寫的 Radan(Radar Data Analyzer)(圖 3-7)進行處理。
距離歸ㄧ化(distance normalization)
由於儀器並無配備測距輪（survey wheel） ，因此在野外施測時，
是以時間模式紀錄，每一條測線的起點、間距及終點皆由施測者手動 給予標定（mark）。我們習慣在野外施測時，每一公尺，給予標定一 次，但實際測勘時會隨移動速度快慢的不同，使得標定的間距內，長 度與描線數目都會有些許的差異，在未經過標準化的間距長度，代表
圖 3-7. Radan 5.0 界面圖示
了測勘時所移動的時間，並非是代表距離，因此在資料處理時要加以 歸一化，使得每一間距的描線數目取相同數目，若有多餘則刪除，不 夠就內插補足，才可得一正確的測線座標。
圖 3-8. 上圖為未歸一化，下圖為歸一化後之測線剖面。由圖中可見，未經歸 ㄧ化時，間距長短不一(上)，經過歸ㄧ化後，標定的間距長度一致，描線數目 也會一致。(唐周宜 2005)
較長 較長 較長
較長 較短 較短 較短 較短
一致
一致 一致
一致
信號移位（migration）
當雷達波遇地下異常體時會產生的雙曲線反射（hyperbolic reflectors）信號，需利用信號移位方法將信號還原至真實位置。信 號位移也可作為雷達波速分析的參考，由於大多數的地層厚度未知，
故單天線透地雷達測勘時將很難判斷地層速度。而若此時地層存在異 常點之雙曲線反射信號，在信號經過等距化後，可知其信號真實位置 與雙曲線間上各點間的水平位置，在來回走時已知情況下亦可得知雷 達波於地層中之傳播速度
2
2
2
1 2
T T v d
−
= ∆
圖 3-9.異常物之雷達波信號示意圖利用不同描線上的異常信號走
時差可計算雷達波傳遞速度。(唐周宜 2005)
轉換格式
由於透地雷達的原始檔案為特殊的格式，只能在特定軟體裡進行 讀取跟處理，為了進行其餘的後續處理，我們使用 GSSI 所編寫的轉 檔程式 RTOAW(圖 3-10)，將 DZT 格式轉成 ASCII
信號輸出
由於後續的資料處理要在 Matlab 裡進行，所以我們將 Radan 處 理標準化後的資料，經由 RTOAW 轉換後，再做成 TXT 格式的矩陣資 料，提供 Matlab 使用。
圖 3-10.轉檔程式 RTOAW
圖 3-11. 矩陣資
料，由 Excle 所開
啟的結果，可供其
選取小波波形
小波母波的波形選取，對於小波分析的結果，會有一定程度的影 響，所選取的母波波形與待分析資料越相似的，分析出來的結果會越 好，在本實驗中，所選取的小波波形，為 Biorthogonal 小波系中的 bior3.5，因為 Biorthogonal 小波系波形與雷達波遇到電性異常介面 時所產生正復交替的情況相似。爾且經過實驗測試，bior3.5 和 bior3.7 與記錄到的透地雷達波形，均有良好的相參性。
圖 3-12. bior 小波的小波函數尺度函數(Matlab Wavelet Toolbox)
2D 小波分解
在本研究中，我們使用計算軟體 Matlab 程式庫，對於透地雷達 的資料處理，編寫了一套 2D 小波拆解的程式，將歸ㄧ化之後所輸出 的的矩陣資料，進行多層次的拆解，在圖中(圖 3-13)可以看到，原 始資料 S，在第一層拆解時，除了分解出近似訊號 A1 以外，由於 2D 拆解的緣故，還會將細節信號由 3 個方向，進行拆解，而分別會拆解 出水平的細節信號 H1，垂直的細節信號 V1，及對角的細節信號 D1，
然後再將近似訊號 A1，進行第二層的拆解，以此類推。
圖 3-13. 2D 小波的拆解示意圖，圖中 S 為原始信號，A 為近似信
號，H 為水平細節信號，D 為對角細節信號，V 為垂直細節信號
選取及過濾雜訊部份
對於所拆解出來，不管是近似信號或細節信號部份，均予圖像化 顯示排列( 圖 3-14 )，由於圖像化顯示的幫忙，我們可以視覺化的選取 濾除不需要的雜訊，而且可以再對懷疑藏有所需要信號的高頻部分，
在進行第二次更細緻的分解，而利用這種小波重構的方式，與只取低 頻的近似信號相比，除了能夠更精確的只挑選出雜訊外，更能保留較 多的細節信號以增加信號的完整性，提高噪信比。
圖 3-14 . 2D 小波拆解圖像化顯示
圖 3-15 . 用 MATLAB 模擬出的地層模型，其中有四層的 地層反射信號
3.3 3.3 3.3
3.3 地層模擬模型 地層模擬模型 地層模擬模型 地層模擬模型
在本實驗中，我們利用 MATLAB，粗略的模擬出 GPR 遇到地層所 反射的信號。
我們首先設計出一個有四個地層的地層反射模型，然後製造一個 母波為波源訊號，假設它為透地雷達的電磁波，去跟地層反射模型做 迴旋積分，再加以處理之後可以得到一個初略模擬透地雷達的剖面圖 ( 圖 3-15 )。
50 100 150 200 250
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
第一層地層
第四層地層
矩陣 點數
矩陣點數
圖 3-16. 地層模型加入 S/N 為 1 的高斯雜訊
我們在模擬 GPR 的地層模型剖面圖上，加入一個 S/N(信噪比)為 1 的高斯雜訊(圖 3-16)，由於在實驗的設計中，所加入模型的高斯雜 訊，與反射信號的強度ㄧ樣，原本在圖 3-15 中原本的地層信號，幾 乎都被雜訊所覆蓋，再將加入雜訊的地層模型，用 2D 小波拆解，得 到以下的分解圖。
O
50 100 150 200 250
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500 矩陣 點數
矩陣點數
A1
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
H1
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
D1
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
V1
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
圖 3-17 對模擬地層模型進第一層的 2D 小波拆解圖形。
圖中 A1 為第一層的近似訊號，H1 為第一層的水平細節訊號，D1 為第一 層的對角細節訊號，V1 為第一層的垂直細節訊號。
矩陣 點數
矩陣點數
A2
50 100 150 200 250 100
200
300
400
500
H2
50 100 150 200 250 100
200
300
400
500
D2
50 100 150 200 250 100
200
300
400
500
V2
50 100 150 200 250 100
200
300
400
500
圖 3-18. 對第一層的進似訊號 A1 進行第二層的 2D 小波拆解圖形。
圖中 A2 為第二層的近似訊號，H2 為第二層的水平細節訊號，D2 為第二 層的對角細節訊號，V2 為第二層的垂直細節訊號。
矩陣點數 矩陣
點數
A3
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
H3
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
D3
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
V3
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
圖 3-19. 對第二層的進似訊號 A2 進行第三層的 2D 小波拆解圖形。
圖中 A3 為第三層的近似訊號，H3 為第三層的水平細節訊號，D3 為第三 層的對角細節訊號，V3 為第三層的垂直細節訊號。
矩陣點數 矩陣
點數
A4
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
H4
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
D4
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
V4
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
圖 3-20. 對第三層的進似訊號 A3 進行第四層的 2D 小波拆解圖形。
圖中 A4 為第四層的近似訊號，H4 為第四層的水平細節訊號，D4 為第四 層的對角細節訊號，V4 為第四層的垂直細節訊號。
矩陣點數 矩陣
點數
A5
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
H5
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
D5
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
V5
50 100 150 200 250
100
200
300
400
500
圖 3-21. 對第四層的近似訊號 A4 進行第五層的 2D 小波拆解圖形。
圖中 A5 為第五層的進似訊號，H5 為第五層的水平細節訊號，D5 為第五層 的對角細節訊號，V5 為第五層的垂直細節訊號。
矩陣點數 矩陣
點數
圖 3-22 . 小波濾波後的剖面圖
由上面的分解圖中，可以明顯的看出，雜訊所處在的位置 H1 D1 V1 H2 D2 V2 H3 V3 D3 D4 V4，我們將所判斷為雜訊的部分移除掉後，得到 以下的結果( 圖 3-22. )
O-H1-D1-V1-H2-D2-V2-H3-V3-D3-D4-V4
50 100 150 200 250
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
矩陣點數 矩陣
點數
可以從圖 3-23 中可看出，原本被雜訊所覆蓋的地層信號，經過
O
50 100 150 200 250
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
O-H1-D1-V1-H2-D2-V2-H3-V3-D3-D4-V4
50 100 150 200 250
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
圖 3-23. 濾波後的比較圖
矩陣點數 矩陣
點數
