探地雷达
出处：按学科分类—天文学、地球科学 地质出版社《地质灾害勘查地球物理技术手册》第142页（9790字）
11．6．1 基本原理
探地雷达(Geologic Radar或Earth P0bing Radar)主要研究电磁波在介质中传播的速度，介质对电磁波的吸收，以及电磁波在介质交界面的反射。
11．6．1．1 电磁波在介质中的传播速度
探地雷达测量的是地下界面的反射波走时t，为了获取地下界面的深度h=tv／2，必须有介质的电磁波传播速度ν：
式中：c为真空中电磁波传播速度，c=0．3m／ns；εr为相对介电常数，是介质介电常数ε与真空的介电常数ε0的比值。
11．6．1．2 电磁波在介质中的吸收特性
吸收系数α决定了场强在传播过程中的衰减率，对非良导电、非磁性介质，α的近似值为
即α与导电率σ成正比，与介质导磁率μ和介电常数ε比值的平方根成正比。
11．6．1．3 反射定律与反射系数
电磁波(又称入射波)到达介质的电性分界面时，会发生反射，被界面反射而返回的电磁波称为反射波。反射波与入射波界面处的运动学特征(即传播方向)遵循反射定律，即入射角θi(入射方向与界面法线向的夹角)等于反射角θr(反射方向与界面法线方向的夹角)。
电磁波在到达界面时，还将发生能量的再分配。入射波、反射波和折射波三者之间能量关系，因入射波电磁场相对界面的方向(极化特性)不同而异。当电场平行于界面时，电磁波从介质1入射到介质2时的电场反射系数R12为
对于非磁性、非良导电介质，
。垂直入射时
11．6．2 观测方法
探地雷达尽管型号很多，但都可以看成是由接收、发射两部分组成。发射部分通过天线向地下发射超高频宽带短脉冲电磁波，接收部分通过天线接收来自地下介质交界面的反射电磁波。目前常用的探地雷达观测方式有剖面法和宽角法两种。
11．6．2．1 剖面法
剖面法是发射天线(T)和接收天线(R)以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线与接收天线合二为一时，称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图像来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各发射界面的形态。图11－8为剖面法示意图及其雷达图像剖面。
图11－8 剖面法示意图及雷达图像
11．6．2．2 宽角法
为了原位测量地下介质的电磁波速度，在探地雷达工作中还常采用宽角法或共中点法观测方式。一个天线固定在地面某一点上不动，而另一天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方式称为宽角法。也可以用两个天线，在保持中心点位置不变的情况下，改变两个天线之间距离，记录反射波双程走时，这种测量方式称为共中心点法。当地下界面平直时，这两种方法结果一致。这两种测量方法的目的是求取地下介质的电磁波传播速度。图11－9是共中心点观测方式示意图及其雷达图像。
图11－9 共中心点观测方式与雷达图像
深度为h的地下水平界面的反射波双程走时t满足：
式中：x为发射天线与接收天线之间的距离；h为反射界面的深度；ν为电磁波的传播速度。当地层电磁波速度ν不变时，t2与x2成线性关系。用宽角法或共中心点法测量得到地下界面反射波双程走时t，再利用公式(11．9)就可求得地层的电磁波速度。
11．6．3 技术要求
11．6．3．1 测线布置原则
探地雷达的野外工作常常是沿测线进行的，沿测线采集到的数据经处理后的成果就是探地雷达剖面(时间剖面或深度剖面)，它是探地雷达资料解释的基本依据。测线布置的基本原则如下。
(1)主测线应垂直地下目标体走向，辅助测线平行目标体走向，目的是更好地反映目标体形态，同时也可以避免大量异常波的出现；
(2)测线应尽量通过已有的井位，以利于地层的对比。
11．6．3．2 分辨率
分辨率是地球物理方法分辨最小异常体的能力。分辨率可分为垂向分辨率与横向分辨率。类似于地震勘探，通常将探地雷达剖面中能够区分一个以上反射界面的能力称为垂向分辨率。
为了研究方便，选用处于均匀介质中一个厚度逐渐变薄的地层模型。电磁波垂直入射时，则有来自地层顶面、底面的反射波以及层间的多次波。多次波的能量较弱，所得到的雷达信号为顶面反射波与底面反射波的合成。依照相应地层厚度的时间关系所得地层顶面的反射波合成雷达信号见图11－10。由图可知，可取地层厚度h=λ／4作为垂直分辨率的下限。
图11－10 地层厚度对波形影响示意图(据Widess1973修改)
(a)为反射射线图解，b为地层厚度；(b)为单个反射波形，利用地层厚度算出的时间延迟把得自顶底界面的单个反射波形相加，即得到如(c)中的波形；(c)为复合反射波形，它是地层厚度的函数，T为入射子波主周期，λ2=tv为地层内的波长。等时线间隔为t／2。标有x的线为波谷时间线，点线为零振幅时间线，为各复合子波的中心线；(d)为振幅与视厚度的定义
探地雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸称为横向分辨率。雷达剖面的横向分辨率通常可用菲涅尔带加以说明。设地下有一水平反射面，以发射天线为圆心，以其界面的垂距为半径，作一圆弧与反射界面相切，此圆弧代表雷达到达此界面时的波前，再以多出1／4及1／2子波长度的半径画弧，在水平面界面的平面上得到两个圆。其内圆称为第一菲涅尔带，两圆之间的环形带称作第二菲涅尔带。根据波的干涉原理，法线反射波与第一菲涅尔带外缘的反射波的光程差λ／2(双程光路)，反射波之间发生相长性干涉，振幅增强。第一带以外诸带彼此消长，对反射的贡献不大，可以不考虑。设反射界面的埋深为h，发射、接收天线的距离远远小于h时，第一菲涅尔带半径可按下式计算：
(11．10)
式中：λ为雷达子波的波长；h为异常体的埋藏深度。
图11－11为处于同一埋深、间距不同的两个金属管道的探地雷达图像。该图像在水槽中获得，实验使用铁管Φ5cm，钢管Φ3cm。测量时使用中心频率为100MHz天线，其在水中的子波波长λ=0．33m。从图中可以看出一些内容：①处在深度为1．06m的Φ3cm铁管仍可以很清晰地为探地雷达所分辨，由于其管径约为0．1rf，说明探地雷达对单个异常体的横向分辨率要远小于第一菲涅尔带的半径。②图11－10(a)两管间距0．5m大于第一菲涅尔带半径，由雷达图像可以准确把两管水平位置确定出来；(b)两管间距0．4m小于第一菲涅尔带半径rf=0．42m，已很难用雷达图像确定两管精确位置。这表明区分两个水平相邻的异常体，其最小横向距离要大于第一菲涅尔带半径。
图11－11 两个同深金属管的地质雷达图像
(a)钢管(右)直径3cm，顶深1．06m；铁皮管(左)直径5cm，顶深1．04m，管中心距0．5m；(b)钢管(右)顶深0．52m；铁皮管(左)顶深0．5m，管中心距0．4m；(c)钢管(右)顶深1．04m；铁皮管(左)顶深1．06m，管中心距0．4m
11．6．3．3 探测距离与探距方程
探地雷达能探测最深目标体的距离称为探地雷达的深测距离。当雷达系统选定后，系统的增益Qs就确定。Qs为最小可探测的信号功率Wmin与输入到发射天线的功率Wt之比，即：
探地雷达从发射到接收的过程中能量会逐渐损耗。雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗Q可由雷达探距方程来描述。
式中：ηt、ηr分别为发射天线与接收天线的效率；Gt、Gr分别为在入射方向与接收方向上天线的方向性增益；g为目的体向接收天线方向的后向散射增益；σ为目的体的散射截面；α为介质的吸收系数；r为天线到目的体的距离；λ为雷达子波在介质中的波长。
满足Qs+Q＞0的最大距离r，称为探地雷达的深测距离，亦即处在距离r范围内的目的体的反射信号可以为雷达系统所探测。
11．6．3．4 探地雷达方法有效性评价
每接受一个探地雷达测量任务，都需要对探地雷达解决地质问题的有效性进行评价，以确定探地雷达测量能否取得预期效果。
(1)目标体深度是一个非常重要的问题。如果目标体深度超出雷达系统探测距离，则探地雷达方法就要被排除。雷达系统探测距离可根据雷达探距方程(11．12式)进行计算。
(2)目标体几何形态(尺寸与取向)必须尽可能了解清楚，包括高度、长度与宽度。目标体的尺寸决定了雷达系统可能具有的分辨率，关系到天线中心频率的选用。如果目标体为非等轴状，则要搞清目标体走向、倾向与倾角，这些将关系到测网的布置。
(3)目标体的电性(介电常数与导电率)必须搞清。雷达方法成功与否取决于是否有足够的反射或散射能量为系统识别。当围岩与目标体相对介电常数分别为εh与εT时，目标体功率反射系数的估算式为：
一般说目标体的功率反射系数应大于0．01。
(4)测区的工作环境必须搞清。当测区内存在大范围金属构件并成为无线电射频源时，将对测量构成严重干扰，在进行资料解释时必须加以排除。
11．6．4 信号处理
11．6．4．1 滤波技术
探地雷达测量中，为了保持更多的反射波特征，多采用宽频带进行记录，但在记录各种有效波的同时，也记录了各种干扰波。一维滤波技术就是利用频谱特征的不同来压制干扰波，以突出有效波，它包括一维频率域滤波和一维时间域滤波。
探地雷达数据中，有时有效波和干扰波的频谱成分十分接近甚至重合，这时无法用频率滤波压制干扰，需要用有效波和干扰波在空间位置上的差异进行滤波。这种滤波要同时对若干道进行计算才能得到输出，因此是一种二维滤波。
二维滤波原理是建立在二维傅里叶变换基础上的。沿地面观测频率波数谱G(ω，kx)是频谱的时空函数。
上式说明，g(t，x)是由无数圆频率为ω=2πf，波数为kx的平面简谐波所组成，它们沿测线以视速度ν*传播。
如果有效波和干扰波的平面简谐波成分有差异，有效波的平面谐波成分与干扰波的平面谐波成分以不同的视速度传播，则可用二维视速度滤波将它们分开，达到压制干扰、提高信噪比的目的。
11．6．4．2 二维偏移归位处理方法
探地雷达测量的是来自地下介质交界面的反射波。偏离测点的地下介质交界面的反射点只要其法平面通过测点，都可以被记录下来。在资料处理中需要把雷达记录中的每个反射点移到其本来位置，这种处理方法被称为偏移归位处理。经过偏移处理的雷达剖面可反映地下介质的真实位置。常用的偏移归位方法有绕射偏移、波动方程偏移和克希霍夫积分偏移，有关偏移方法可参考相关地球物理信号处理书籍。
11．6．5 数据处理方法
数据处理的目的是对原始雷达记录进行初步加工处理，使实测的雷达资料更便于计算机处理。常用的处理方法有不正常道处理与多次叠加处理。
当天线与地面接触不良，或者由于发射电路工作不正常产生废记录道，在预处理时必须废除该道记录，并用相邻道的均值补全。
在地下介质对电磁波吸收较强的测区，为了增加来自地下深处的信息，加大探地雷达的探测深度，常常使用多次叠加技术。目前适用于探地雷达多次叠加处理的测量方法有两种：一种是多天线雷达测量系统，应用一个发射天线，多个接收天线同时进行测量；另一种是多次覆盖测量，使用几种不同天线距的发射－接收天线沿测线进行重复测量。多次覆盖测量在同一测点上有几组共反射点的雷达数据，经天线距校正后，进行叠加使得来自地下的反射波得到加强，而干扰波信号大大减弱，从而增加了探测深度。
11．6．6 成果表达形式
(1)探地雷达实际材料图集中显示雷达测网布置；
(2)雷达剖面成果图显示雷达测线下地层与构造形态；
(3)平面等值线图表达测线范围内某些目的层分布特征，其中包括基岩高程图、目的层等深图等；
(4)雷达推测成果图，包括推断构造分布、滑体范围成果图，岩溶平面分布图等；
(5)三维雷达成果，包括垂直切片图、水平切片图、三维体显示以及格栅显示图。
11．6．7 资料解释原则
探地雷达资料的地质解释是探地雷达测量的目的，这项工作通常是在数据处理后所得到的探地雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质含义，构筑地质－地球物理解释剖面并依据剖面解释获得整个测区最终成果图，为地质灾害的治理方案提供依据。
探地雷达资料反映的是地下介质的电性分布，要把地下介质的电性分布转化为地质情况，必须要把地质、钻探、探地雷达这三方面的资料结合起来，建立测区的地质－地球物理模型，并以此得到地下地质模式。
11．6．7．1 雷达剖面与地质剖面的关系
雷达剖面不是地质剖面的简单反映，两者既有内在联系，又有区别。
(1)雷达反射界面与地层界面的关系
雷达反射界面是电性界面，而地质剖面反映的是岩层界面。地层划分的依据是岩性、生物化石种类及沉积时间等。地质剖面中由于沉积间断或岩性差异而形成的面，如断层面、侵蚀不整合面、流体分界面及不同岩性的分界面，均可成为反射面，这时反射面与地质分界面是一致的，即大多数雷达反射面大体上反映地层界面的形态。然而在许多情况下，反射面与钻井或测井所得到的地质剖面的地层分界面并不一致。主要体现在以下几种情况：
首先是有些埋藏深的古老地层，在长期的构造运动和压力的作用下，相邻地层可能有相近的波阻抗，因而地质上的层面不足以构成反射面。
其次，同一岩性的地层，其中既无层面又无岩性分界面，但由于岩层中所含流体成分不同，而构成物性界面，如饱水带与饱气带界面，因而雷达反射界面有时也并非是地质界面。
再次，雷达反射面是以同相轴表达的，当多个薄层组成多个地质界面时，在雷达剖面中由于雷达子波有一定的延续度使多个薄层界面的反射波叠加成复合波形，从而产生反射波界面与地层界面的不一致。
(2)雷达反射界面的几何形态与地质构造关系
雷达反射波剖面图像一般可以定性反映地质构造形态，尤其当构造形态比较简单时，反射波同相轴的几何形态所反映的地质构造是直观的、明显的。但由于分辨率限制及其噪声，雷达剖面反映构造细节有限，使两者之间存在不少差别。
首先，雷达剖面通常是时间剖面而地质剖面是深度剖面。雷达时间剖面要经过时深转换后才能成为深度剖面。时深转换后的雷达深度剖面与地质剖面的符合程度，主要取决于速度资料的可靠程度。速度不准，会导致雷达深度剖面上的反射层与地质剖面上的真实地层不符，甚至会引起构造畸变。
其次，由于雷达波的垂向分辨率的限制，致使在薄层情形下，雷达反射层与地质层位往往不是一一对应的，有可能一个地质界面对应多个雷达相位，多个薄的地层界面对应多个雷达相位。
再次，只要观测点处在界面的法线上，就会接收到旁侧界面的反射波，使雷达剖面上所反映的地质构造在空间上发生了偏移。尤其当地质构造比较复杂时，雷达剖面上反射波同相轴的几何图形并不能直接反映复杂构造的真实形态，甚至面目全非，给雷达资料带来很多假象，使得雷达剖面解释存在多解性。
11．6．7．2 雷达时间剖面对比
时间剖面的对比就是在雷达反射波时间剖面上，根据反射波的运动学和动力学的特征来识别和追踪同一反射界面反射波的过程。它实际上包括两方面的工作，一个工作是在某条剖面上根据相邻接收点反射波的某些特点来对比同一界面反射波，一般叫波的对比；另一个工作是在相邻多条雷达剖面上追踪同一界面的反射波，称为时间剖面的对比。在时间剖面上对比反射波，严格地说应该对比反射波的初至。但是，由于反射波是在各种干扰背景下记录下来的，当子波为最小相位时，其初至很难辨认。为了便于对比，总是利用剖面上比较明显的波形相位对比。一个反射界面在雷达剖面上往往包含有几个强度不等的同相轴，选其中振幅最强、连续性最好的某个同轴相进行追踪，这叫做强相位对比，有时反射层无明显的强相位，可对比反射波的全部或多个相位，这称为多相位对比。另外还可以利用波组和波系进行对比。波组是指由三四个数目不等的同相轴组合在一起形成的，或指比较靠近的若干界面所产生的反射波组合。由两个或两个以上波组所组成的反射波系列，称为波系。利用这些组合关系进行波的对比，可以更全面考察反射层之间的关系。因为从地质观点来说，相邻地层界面的厚度间隔、几何形态是有一定联系的，沿横向变化是渐变的，反映在时间剖面上反射波在时间间隔、波形特征等方面也是有一定规律的。有时在剖面的某段长度内，因某种原因(如岩性横向变化)有的同相轴质量较差(振幅弱、连续性差)，我们可以根据反射波相互之间总的趋势的极值点(波峰或波谷)依次对比同相位。所以波的对比又称为波的相位对比或称同相轴对比。
11．6．8 仪器设备
探地雷达仪器设备见表11－6。
表11－6 探地雷达一览表
【参考文献】：
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