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第 24 卷第 5 期 2000 年 10 月

物　 　 　 　 探 與 化 探
GEOPH YSICAL & GEOCHEM ICAL EXPLORA TION

Vol. 24 ,No. 5 Oct . ,2000

淺淡地質(zhì)雷達(dá)在工程勘察中的 干擾因素及圖像特征
蘭樟松 ,張虎生 ,張

炎孫 ,孫文才
( 江西省地球物理勘察技術(shù)院 ,江西 新余 　 338000)
摘要 : 介紹了地質(zhì)雷達(dá)在工程勘察中的幾種干擾因素 ,并對(duì)一些主要干擾因素圖像特征及其形成 原因進(jìn)行了分析 ; 對(duì)如何抑制干擾提出了一些具體措施 , 為工程勘察地質(zhì)雷達(dá)的資料解釋提供了 可供借鑒的基礎(chǔ)資料 。 關(guān)鍵詞 : 地質(zhì)雷達(dá) ; 工程勘察 ; 干擾因素 ; 圖像特征 中圖分類號(hào) : P631. 3 　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A 　　 文章編號(hào) : 1000Ο 8918 ( 2000) 05Ο Ο 387 05 ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

地質(zhì)雷達(dá)探測的目標(biāo)體是地下介質(zhì)中可能存在的未知性質(zhì)的地質(zhì)體 ,面對(duì)的是一個(gè)未知 的背景場 ,由于其使用的是高頻脈沖電磁波 ,一些較小的形體都會(huì)引起異常 ,尤其是淺部不均 勻體 、 低阻體 ( 如金屬) ,加之又存在外部干擾 ,使得雷達(dá)記錄更具復(fù)雜性 。 地質(zhì)雷達(dá)接收的波主要有以下幾種 :1. 空氣直達(dá)波 ,俗稱首波 ;2. 沿自由空氣界面?zhèn)鞑サ?直達(dá)波 ,又叫地面波 ;3. 地下和空中不同界面的反射波 ;4. 臨界折射波 ;5. 外場電磁波 。在工程 勘察中 ,尤其是使用非屏蔽天線進(jìn)行工作時(shí) ,上述幾種波基本同時(shí)并存 ,我們需要解釋的是來 自地下界面或地下探測目標(biāo)體的反射波和首波 ,其它出現(xiàn)在記錄上的波都會(huì)對(duì)有效波形成干 擾 ,給解釋推斷工作造成困難 �，F(xiàn)筆者就工作中遇到的來自地面和空中的主要反射干擾波的 特征作一分析 ,意在拋磚引玉 。

1　 雷達(dá)探測原理

地質(zhì)雷達(dá)是應(yīng)用脈沖電磁波來探測隱蔽介質(zhì)的分布和目標(biāo)物 。當(dāng)發(fā)射天線向地下發(fā)射高 頻寬帶短脈沖電磁波時(shí) ,遇到具有不同介電特性的介質(zhì)就會(huì)有部分電磁波能量返回 ,接收天線 接收反射回波并記錄反射時(shí)間 。電磁波在介質(zhì)中的傳播路徑 — 波形將隨所通過的介質(zhì)的電性 質(zhì)及幾何形態(tài)而變化 ,根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間 ( 亦即雙程走時(shí)) 、 、 幅度 頻率與波形變化資料 , 可以推斷介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)的深度 、 形狀等 。其原理決定了在地質(zhì)雷達(dá)的有效探測深 度范圍內(nèi) ,與其它物探方法相比具有較高的分辨率和準(zhǔn)確率 。正由于地質(zhì)雷達(dá)使用高頻脈沖 電磁波 ,導(dǎo)致測線 ( 點(diǎn)) 近旁或地下淺部的不均勻體 、 側(cè)面凸起物產(chǎn)生的干擾波均會(huì)疊加到有效 信號(hào)之上 ,形成復(fù)合波 ,使雷達(dá)記錄更加復(fù)雜 。

2　 地質(zhì)雷達(dá)相關(guān)干擾因素圖像特征
2. 1 　 測線近旁的大樹或樹枝干擾

雷達(dá)天線電磁波輻射是全空間的 ,盡管其輻射具有一定的方向性 ,對(duì)電磁波來說 ,空氣屬
收稿日期 :2000Ο Ο 2 25

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無耗介質(zhì) ,微弱的電磁輻射都會(huì)在空中傳播很 遠(yuǎn) 。當(dāng)測線近旁存在大樹或上方有樹枝 ,尤其 是枝葉茂盛 、 華冠蓋項(xiàng)的大樹 , 將會(huì)成為雷達(dá) 記錄的干擾源 ( 圖 1) 。樹或樹枝在記錄上的波 組特征表現(xiàn)為低頻 、 雜亂 、 信號(hào)強(qiáng) 。在變密度 波形記錄上會(huì)形成大片的黑斑 ,一般不形成規(guī) 律異常 , 其對(duì)記錄的影響范圍局限于大樹近 旁 ; 如果是枝葉茂盛的大樹 ,則另當(dāng)別論 ,它在 記錄上會(huì)形成雙曲線異常 , 信號(hào)強(qiáng) , 相位數(shù)亦 多 ,其干擾范圍略寬 , 其出現(xiàn)的時(shí)間可根據(jù)枝 葉的高度按電磁波在空氣中的傳播速度準(zhǔn)確 計(jì)算 ,較好識(shí)別 。如采用屏蔽天線工作 , 其干 擾可得到一定程度的抑制 。 圖1　 樹枝干擾的地質(zhì)雷達(dá)圖像 2. 2 　 測線附近建筑物的干擾 　　 建筑物的干擾有 2 種情況 ,一種是建筑物的走向與天線的極化方向平行 ,另一種情況是其 走向與天線的極化方向垂直 。相對(duì)來說 ,天線極化方向與建筑物走向平行要比垂直的情況下 嚴(yán)重得多 。若一旁有建筑物 ,當(dāng)天線與建筑物走向平行時(shí) ,其干擾在雷達(dá)記錄上形成一組同相 性好 、 信號(hào)強(qiáng) 、 相位較多 、 頻率近于測量所用主頻的側(cè)面反射波 ,其速度同電磁波在空氣中的速 度約 0. 3 m/ ns 。天線至建筑物的距離參數(shù)已知 ,其側(cè)面反射波出現(xiàn)的時(shí)間可通過計(jì)算得出 , 形成一條射線 ,隨著天線與建筑物的遠(yuǎn)離 ,射線單調(diào)下降 ,能量逐漸衰減 。在不明真相的情況 下 , 易與地下界面的反射波相混 ; 若兩旁均有 建筑物且天線極化方向與其走向平行 , 這時(shí)建 筑物會(huì)形成多次反射 、 疊加 ,而且相位多 ,形成 類似天線因耦合不好的振蕩干擾圖像 ,其信號(hào) 能量強(qiáng)至充滿整個(gè)記錄時(shí)窗 ,使雷達(dá)記錄面目 全非 。圖 2 測線兩旁有建筑物 ,天線極化方向 與建筑物走向平行 , 其干擾相當(dāng)嚴(yán)重 , 自始至 終出現(xiàn)于整個(gè)記錄時(shí)窗 ,在 200 ns 左右出現(xiàn)的 地層波組幾乎無法辨認(rèn) 。由于干擾波信號(hào)極 強(qiáng) ,后處理也很難排除 。在進(jìn)行雷達(dá)探測時(shí)必 須注意這個(gè)問題 ,應(yīng)盡量避免天線的極化方向 與建筑物走向平行 。若天線的極化方向與建 筑物的走向垂直 , 可以在一定程度上抑制干 擾 ,探測效果能得到一定的改善 。 2. 3 　 地形干擾圖像特征

圖2　 測線近旁建筑物干擾的地質(zhì)雷達(dá)圖像

地形干擾異常較復(fù)雜 ,這里只說明類坎狀地形和地面不平而引起的耦合干擾 。 2. 3. 1 　 類坎狀地形干擾 坎狀地形引起的異常會(huì)在雷達(dá)記錄上產(chǎn)生 2 組交叉的特征波 ,其信號(hào)能量強(qiáng) ,相位數(shù)多 , 其波傳播的視速度既不是空氣中電磁波的速度 ,也不是地下介質(zhì)中電磁波的速度 ,而是介于兩 者之間 ,其速度在 0. 2～0. 25 m/ ns ,它是沿自由表面?zhèn)鞑サ牡孛娌?,其出現(xiàn)的時(shí)間與天線距坎
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邊的距離相關(guān) 。單坎 ,其波組呈倒 V ” , 其頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)于坎邊 , 波組頂部往往與直達(dá)波復(fù)合 , “ 型 “V ” 型不明顯 ,在記錄上呈明顯的 “八” 字型 ( 圖 3 ) 。 “凸” 型坎波組形狀在記錄上呈 X” , 在 “ 型 兩三個(gè)相位之后 ,兩組波相互干涉在一起 ,形成水平狀 ( 圖 4 ) 。這種地形對(duì)有效信號(hào)引起的干 擾特別嚴(yán)重 ,造成有效反射信號(hào)無法辨認(rèn) 。

圖3　 測線垂直穿過陡坎的地質(zhì)雷達(dá)圖像

圖4　 測線穿過 “凸” 型坎的地質(zhì)雷達(dá)圖像

2. 3. 2 　 地面不平引起的干擾圖像

局部地形變化 , 改變了雷達(dá)波的輻射特 征 ,并引起電磁波的散射和漫射 。當(dāng)?shù)孛娌?平 ,存在小溝或石塊等雜物 , 天線不能很好地 與地面接觸 , 造成天線與地面阻抗不匹配 , 能 量不能有效地耦合傳輸?shù)降叵?,使電磁波在地 面與天線間形成振蕩 , 嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量 , 甚 至得不到任何有效信號(hào) 。由于天線耦合不好 而引起的干擾波 , 在記錄自始至終都存在 , 其 頻率接近工作主頻 ,信號(hào)強(qiáng) ,衰減慢 ,像無阻尼 振蕩 ( 圖 5 ) 。如果天線垂直離開地面一定距 離 ,其干擾現(xiàn)象可以得到一定程度的抑制 , 但 圖5　 地面耦合不好的地質(zhì)雷達(dá)圖像 直達(dá)波的相位數(shù)亦會(huì)增多 ,輻射到地下的能量 也會(huì)衰減 。 2. 4 　 空中輸電線干擾圖像特征 　　 當(dāng)雷達(dá)測線垂直通過輸電線 ,天線的極化方向與輸電線方向平行時(shí) ,輸電線引起的干擾呈 雙曲線型 ,其頂點(diǎn)正對(duì)于輸電線的下方 , 尤其是高壓輸電線 , 其影響范圍遠(yuǎn)達(dá) 50 ～ 80 m ,信號(hào) 強(qiáng)、 相位多 。電線的高度可以根據(jù)空氣中電磁波的速度和其頂點(diǎn)在剖面上出現(xiàn)的時(shí)間準(zhǔn)確算 出 。若是民用照明線 、 通訊線等 ,其一般線徑相對(duì)細(xì) ,線數(shù)相對(duì)少 ,其影響的范圍一般也較小 , 相位數(shù)也較少 。如果天線極化方向與輸電線垂直 ,則其干擾就小得多 ,在記錄表現(xiàn)為某一時(shí)刻 出現(xiàn)的波組 ,其出現(xiàn)的時(shí)間可以計(jì)算出 。
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3　 結(jié)論
1. 雷達(dá)波的干擾因素遠(yuǎn)比彈性波的干擾

因素來得復(fù)雜 , 可以說 , 地表上任何有形物體 都可能成為其干擾源 ,更有空中無所不在的調(diào) 頻臺(tái) 、 電視臺(tái) 、 電臺(tái)等各種發(fā)射器發(fā)射的或來 自外太空的電磁波 ,后一種往往表現(xiàn)為自始至 終存在或在某一時(shí)刻出現(xiàn) , 其干擾較為均勻 , 而前一種則因地而異 ,因方法技術(shù)而異 。 2. 地表或空中的有形物體在雷達(dá)記錄上

圖6　 輸電線干擾圖像

引起的干擾現(xiàn)象 ,一般容易識(shí)別 ,但難以消除 。要求在實(shí)際測量過程中 , 要認(rèn)真記好班報(bào) 。對(duì) 測線近旁或空中的干擾源能移開的盡量移開 ,能避免的盡量避免 ,對(duì)不能移開又無法避免的干 擾源出現(xiàn)的位置 、 、 距離 性質(zhì)及其形態(tài)特征要注記清楚 ,以免將其誤認(rèn)為有效波 。 3. 對(duì)某些干擾波 ,通過選擇適當(dāng)?shù)姆椒夹g(shù) ,可以在一定程度上得到抑制 ,消除一些雜亂 回波的干擾 ,使圖像質(zhì)量得到改善 。 參考文獻(xiàn) :
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A TENTATIVE D ISCUSSION ON INTERFERENCE FACTORS AND IMAGE CHARACTERISTICS IN THE APPL ICATION OF GEOLOGICAL RADAR TO ENGINEERING EXPLORATION
LAN Zhang2song ,Zhang Hu2sheng ,ZhAN G Yan2sun ,SUN Wen2cai
( I nstit ute of Geophysical Ex ploration of Jiangxi Provi nce , Xi ny u 　 338000 , Chi na)

Abstract :This paper describes in brief some interference factors in t he application of geological radar to engineering exploration , makes an analysis of image characteristics of interference factors and causes for t heir formation ,suggests logical radar data in engineering exploration. some measures for suppressing t hese interference factors , and provides some basic data for t he interpretation of geo2 Key words :geological radar ;engineering exploration ;interference factors ; image characteristics

第一作者簡介 : 蘭樟松 ( 1954 - ) ,46 歲 ,男 ,1977 年畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院物探系石油物探專業(yè) , 高級(jí)工程師 ,
1994 年始任江西地礦局第二物探大隊(duì)副大隊(duì)長 、 江西省地球物理勘察技術(shù)院院長 ,主要從事地震 、 工程物探

生產(chǎn)技術(shù)管理工作 。

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