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地质雷达的勘察探测原理与运用

发布时间:2014-07-28 18:37

  1 探测原理
  探地雷达的主要组成部分包括一体化主机,发射和接收天线以及相应的配套软件等。其基本工作原理是:电磁波在传播过程中,不同的有耗介质中所具有的传播特性存在一定的差异。利用宽频带短脉冲,探地雷达所发射的高频电磁波(如40Mhz)在经过不同介质界面时会发生相应的反射,一般而言,介质的相对介电常数就决定了该反射系数的大小。这样,雷达主机会对反射回来的电磁波信号进行数据处理并解译相应的图像,从而有效的对反射层或不易发现的目标物进行有效识别。另外,雷达波的反射信号强度与电性差异是正比例关系,通常是不同介质的电性差异越大,雷达电磁波反射信号越强。而雷达电磁波的穿透深度与介质电性和中心频率成反比例关系,即导电率和中心频率越高,电磁波的穿透深度越小,反之亦然。如图1所示。
  图1 探地雷达工作原理示意图
  在一定的介质中,电磁波的传播速度是恒定的,通过读取探地雷达所高妙的记录地面反射波与地下反射波的时间差,我们就可以计算地下反射层的埋藏深度,如式(1)所示。
  (1)
  V是电磁波在介质中的传播速度,ΔT是时间差,H是地下反射层的埋藏深度。
  电磁波在介质中的传播速度计算方法如式(2)所示:
  (2)
  其中,H是所要探测的目标物的厚度;V是电磁波在地下介质中的传播速度,C是电磁波在大气中的传播速度,是一个常数,一般记为3×108m/s;ε是相对介电常数,该常数随着地下各层构成物质的不同,其介电常数也不同,具体数据需要根据实际情况而定,不能一概而论。
  通常情况下,雷达波反射信号的振幅与反射系数是正比例关系,考虑以位移电流为主的低损耗介质,反射系数r的测算见式(3):
  (3)
  式中,ε1、ε2为不同介质所对应界面的相对介电常数。
  2 数据采集及参数确定
  测量参数选择合适与否关系到测量的效果,根据勘察任务的需要,笔耕论文新浪博客,现场测量开始前应该对雷达的采集参数进行试验和设定,测量参数的选择包括天线中心频率、时窗、采样率、采样点数以及发射与接收天线间距,参数设置的是否合理影响到记录数据的质量,至关重要。
  1)天线中心频率
  雷达天线频率的选择由勘探目标深度和表层介质的电性结构决定,一般高频天线分辨率高,但探测深度浅,而低频天线探测深度大,分辨率低。在满足分辨率且场地条件又许可时,尽量使用中心频率低的天线。因本区勘探20米以上地层分层和异常,我们选择40Mhz非屏蔽天线连续剖面测量。
  2)探测深度与时窗长度
  对地质雷达勘探而言,如何选取合适的探测深度是极为重要的,若深度过小,则会丢失重要的探测数据,而深度过大,则会严重影响并降低勘探的垂向分辨率。在实际工作中,我们通常以探测深度设定为探测目标深度的1.5倍,采样时窗长度(Range/ns)的选取则要综合考虑探测深度和介电常数的实际情况,见式(4)。例如对于地层岩性为砂层时,介电常数为5,探测深度为20m时,时窗长度应选为300ns。
  Range= 2H(ε)1/2/0.3= 6.6 H(ε)1/2(4)
  3)采样率
  采样率由Nyquist 采样定律控制,即采样率至少应达到记录到的反射波最高频率的2 倍。若天线中心频率为f (MHz) , 则采样率Δt (ns) 为1 000/ 6f 。
  4)采样点数
  对于SIR型雷达,可供选用的采样点数包括128、256、512、1024、2048,以较高的垂向分辨率为标准,可以在情况许可的情况下尽量选取较大的采样点,具体来看,采样点数Samples要满足式(5)的要求,
  Samples≧10-8*Range*f(5)
  其中,f为天线频率、Range为时窗长度。满足该关系可以保证在使用的频率下一个波形有10个采样点。对于40MHZ天线,500ns采样长度,采样点数应大于500,我们取1024。
  3 雷达数据处理
  由于地下介质相当于一个复杂的滤波器,介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质,使得脉冲到达接收天线时,波幅减小,波形发生变化,电磁波干扰收到随机干扰,必须对信号进行处理,改善资料的信噪比,并使反射信号归位。
  1)应用带通滤波和背景去除技术,消除随机噪声压制干扰,提高有效反射波信噪比;
  2)采用自动时变增益和均方根能量增益技术补偿介质吸收,以提高深层反射信号能量;
  3)通过剖面上绕射波的时距曲线拟合,并结合钻孔分层资料,反演出该地区的电磁波传播速度,并以此速度进行反射波时-深转换,得到深度雷达反射剖面。
  4)电磁波在异常区或起伏界面上产生强绕射波,影响分层解释和判断,时间偏移处理使界面反射信号归位,获得高质量的地质雷达图像。
  图1 原始雷达剖面(上)处理后剖面(下)
  上图是经过上述处理步骤得到的地质雷达剖面对比,通过剖面上绕射波的时距曲线拟合,并结合钻孔分层资料,得到电磁波传播速度大约为0.16m/ns,并对反射波偏移处理,得到反射信号归位后的雷达剖面。
  4 数据解释与结论
  根据反射波组的波形与强度特征,通过同相轴的对比追踪,并结合钻孔资料确定反射波组的地质分层含义,构筑地质地球物理解释剖面。并依据剖面的解释,获得各条测线的表层结构地质断面分层解释最终成果图。
  该工程区的几个钻孔资料显示浅层分别为填土、粉质粘土和细砂及砂层。把测线经过的钻孔和剖面对比,可以看到钻孔分层和反射波在深度上基本吻合。从整个区域五条剖面上可见有几组贯穿剖面的反射同相轴,在全区基本相似。但反射剖面上的各界面反射波形在空间分别上也有一些差异。
  (1)因采用的40MHZ雷达天线,频率较低,受直达波影响,来自浅层2m以内填土和粘土界面上的反射不能分辨。
  (2)粘土和细沙电性差异较大,地层界面上就存在明显的反射波特征,该3米左右界面上的反射波同相轴平直而稳定。
  (3) 大约在7米附近有一个很强的反射同相轴,在未偏移的剖面上存在绕射波,说明该界面起伏,且横向变化较大。推断可能为砂层上下潜水面的影响。
  (4)在深度17米和22米附件有一个较弱的反射波同相轴,而且在横向上连续性较差,可能是砂岩层内沉积物差异而导致电性变化。

 



本文编号:6885

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