發(fā)布時間：2014-07-28 18:37

　　1 探測原理
　　探地雷達(dá)的主要組成部分包括一體化主機(jī)，發(fā)射和接收天線以及相應(yīng)的配套軟件等。其基本工作原理是：電磁波在傳播過程中，不同的有耗介質(zhì)中所具有的傳播特性存在一定的差異。利用寬頻帶短脈沖，探地雷達(dá)所發(fā)射的高頻電磁波（如40Mhz）在經(jīng)過不同介質(zhì)界面時會發(fā)生相應(yīng)的反射，一般而言，介質(zhì)的相對介電常數(shù)就決定了該反射系數(shù)的大小。這樣，雷達(dá)主機(jī)會對反射回來的電磁波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并解譯相應(yīng)的圖像，從而有效的對反射層或不易發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)物進(jìn)行有效識別。另外，雷達(dá)波的反射信號強(qiáng)度與電性差異是正比例關(guān)系，通常是不同介質(zhì)的電性差異越大，雷達(dá)電磁波反射信號越強(qiáng)。而雷達(dá)電磁波的穿透深度與介質(zhì)電性和中心頻率成反比例關(guān)系，即導(dǎo)電率和中心頻率越高，電磁波的穿透深度越小，反之亦然。如圖1所示。
　　圖1 探地雷達(dá)工作原理示意圖
　　在一定的介質(zhì)中，電磁波的傳播速度是恒定的，通過讀取探地雷達(dá)所高妙的記錄地面反射波與地下反射波的時間差，我們就可以計(jì)算地下反射層的埋藏深度，如式（1）所示。
　�。�1）
　　V是電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，ΔT是時間差，H是地下反射層的埋藏深度。
　　電磁波在介質(zhì)中的傳播速度計(jì)算方法如式（2）所示：
　�。�2）
　　其中，H是所要探測的目標(biāo)物的厚度；V是電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度，C是電磁波在大氣中的傳播速度，是一個常數(shù)，一般記為3×108m/s；ε是相對介電常數(shù)，該常數(shù)隨著地下各層構(gòu)成物質(zhì)的不同，其介電常數(shù)也不同，具體數(shù)據(jù)需要根據(jù)實(shí)際情況而定，不能一概而論。
　　通常情況下，雷達(dá)波反射信號的振幅與反射系數(shù)是正比例關(guān)系，考慮以位移電流為主的低損耗介質(zhì)，反射系數(shù)r的測算見式（3）：
　�。�3）
　　式中，ε1、ε2為不同介質(zhì)所對應(yīng)界面的相對介電常數(shù)。
　　2 數(shù)據(jù)采集及參數(shù)確定
　　測量參數(shù)選擇合適與否關(guān)系到測量的效果，根據(jù)勘察任務(wù)的需要，筆耕論文新浪博客，現(xiàn)場測量開始前應(yīng)該對雷達(dá)的采集參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)和設(shè)定，測量參數(shù)的選擇包括天線中心頻率、時窗、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)以及發(fā)射與接收天線間距，參數(shù)設(shè)置的是否合理影響到記錄數(shù)據(jù)的質(zhì)量，至關(guān)重要。
　　1）天線中心頻率
　　雷達(dá)天線頻率的選擇由勘探目標(biāo)深度和表層介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)決定，一般高頻天線分辨率高，但探測深度淺，而低頻天線探測深度大，分辨率低。在滿足分辨率且場地條件又許可時，盡量使用中心頻率低的天線。因本區(qū)勘探20米以上地層分層和異常，我們選擇40Mhz非屏蔽天線連續(xù)剖面測量。
　　2）探測深度與時窗長度
　　對地質(zhì)雷達(dá)勘探而言，如何選取合適的探測深度是極為重要的，若深度過小，則會丟失重要的探測數(shù)據(jù)，而深度過大，則會嚴(yán)重影響并降低勘探的垂向分辨率。在實(shí)際工作中，我們通常以探測深度設(shè)定為探測目標(biāo)深度的1.5倍，采樣時窗長度（Range/ns）的選取則要綜合考慮探測深度和介電常數(shù)的實(shí)際情況，見式（4）。例如對于地層巖性為砂層時，介電常數(shù)為5，探測深度為20m時，時窗長度應(yīng)選為300ns。
　　Range= 2H（ε）1/2/0.3= 6.6 H（ε）1/2（4）
　　3）采樣率
　　采樣率由Nyquist 采樣定律控制，即采樣率至少應(yīng)達(dá)到記錄到的反射波最高頻率的2 倍。若天線中心頻率為f （MHz） , 則采樣率Δt （ns） 為1 000/ 6f 。
　　4）采樣點(diǎn)數(shù)
　　對于SIR型雷達(dá)，可供選用的采樣點(diǎn)數(shù)包括128、256、512、1024、2048，以較高的垂向分辨率為標(biāo)準(zhǔn)，可以在情況許可的情況下盡量選取較大的采樣點(diǎn)，具體來看，采樣點(diǎn)數(shù)Samples要滿足式（5）的要求，
　　Samples≧10-8*Range*f（5）
　　其中，f為天線頻率、Range為時窗長度。滿足該關(guān)系可以保證在使用的頻率下一個波形有10個采樣點(diǎn)。對于40MHZ天線，500ns采樣長度，采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)大于500,我們?nèi)?024。
　　3 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理
　　由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對波的不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性質(zhì)，使得脈沖到達(dá)接收天線時，波幅減小，波形發(fā)生變化，電磁波干擾收到隨機(jī)干擾，必須對信號進(jìn)行處理，改善資料的信噪比，并使反射信號歸位。
　　1）應(yīng)用帶通濾波和背景去除技術(shù)，消除隨機(jī)噪聲壓制干擾，提高有效反射波信噪比；
　　2）采用自動時變增益和均方根能量增益技術(shù)補(bǔ)償介質(zhì)吸收，以提高深層反射信號能量；
　　3）通過剖面上繞射波的時距曲線擬合，并結(jié)合鉆孔分層資料，反演出該地區(qū)的電磁波傳播速度，并以此速度進(jìn)行反射波時-深轉(zhuǎn)換，得到深度雷達(dá)反射剖面。
　　4）電磁波在異常區(qū)或起伏界面上產(chǎn)生強(qiáng)繞射波，影響分層解釋和判斷，時間偏移處理使界面反射信號歸位，獲得高質(zhì)量的地質(zhì)雷達(dá)圖像。
　　圖1 原始雷達(dá)剖面（上）處理后剖面（下）
　　上圖是經(jīng)過上述處理步驟得到的地質(zhì)雷達(dá)剖面對比，通過剖面上繞射波的時距曲線擬合，并結(jié)合鉆孔分層資料，得到電磁波傳播速度大約為0.16m/ns，并對反射波偏移處理，得到反射信號歸位后的雷達(dá)剖面。
　　4 數(shù)據(jù)解釋與結(jié)論
　　根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征，通過同相軸的對比追蹤，并結(jié)合鉆孔資料確定反射波組的地質(zhì)分層含義，構(gòu)筑地質(zhì)地球物理解釋剖面。并依據(jù)剖面的解釋，獲得各條測線的表層結(jié)構(gòu)地質(zhì)斷面分層解釋最終成果圖。
　　該工程區(qū)的幾個鉆孔資料顯示淺層分別為填土、粉質(zhì)粘土和細(xì)砂及砂層。把測線經(jīng)過的鉆孔和剖面對比，可以看到鉆孔分層和反射波在深度上基本吻合。從整個區(qū)域五條剖面上可見有幾組貫穿剖面的反射同相軸，在全區(qū)基本相似。但反射剖面上的各界面反射波形在空間分別上也有一些差異。
　�。�1）因采用的40MHZ雷達(dá)天線，頻率較低，受直達(dá)波影響，來自淺層2m以內(nèi)填土和粘土界面上的反射不能分辨。
　�。�2）粘土和細(xì)沙電性差異較大，地層界面上就存在明顯的反射波特征，該3米左右界面上的反射波同相軸平直而穩(wěn)定。
　�。�3） 大約在7米附近有一個很強(qiáng)的反射同相軸，在未偏移的剖面上存在繞射波，說明該界面起伏，且橫向變化較大。推斷可能為砂層上下潛水面的影響。
　�。�4）在深度17米和22米附件有一個較弱的反射波同相軸，而且在橫向上連續(xù)性較差，可能是砂巖層內(nèi)沉積物差異而導(dǎo)致電性變化。

 

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