黄金部队探地雷达方法技术

1、n探地雷达观测方式n反射波测量方式n剖面法n宽角法n多次覆盖n折射波测量方式 返回 探地雷达采用高频电磁波中的形式进行地下探测。因而其运动学规律与地震勘探方法类似。地震勘探方法的数据采集方式也被借鉴到探地雷达方法的野外测量。其中包括反射、折射的测量方式。 目前用的双天线探地雷达测量方式主要有:剖面法、宽角法和多次覆盖法（共中心点法）。1. 1. 剖面法剖面法 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(图2.1)。ZVRXT2.1 2.1 雷达反射探测原理图雷达反射探测原理图地 面T1R1T4R4T7R7目 的 体基 岩点 位 (m)双程时间tb 2.2 2.

2、2 雷达剖面法测量记录示意图雷达剖面法测量记录示意图n剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图像来表示。见图2.2n 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反射界面的起伏变化。 n探地雷达剖面法按记录方式不同，还分为点测和连续测量，n见插图1：点测方式n和插图2：连续测量方式2.2.宽角法（共中心点法）宽角法（共中心点法） 当一个天线固定在地面某一点上不动，而另一个天线沿测线移动，记录地下各个不同层面反射波的双程走时，这种测量方法称为宽角法 (见图2.5)。 宽角法测量的目的

3、主要是用来求取地下介质的电磁波传播速度。 地下深度为D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,D(z)为反射界面的深度;v为电磁波的传播速度。222224(2.1)xDtvv 地表直达波可看成是地表直达波可看成是D=0D=0时的反射波时的反射波。式(2-1)表示，当地层电磁波速度不变时，t2 与x2成线性关系，亦即若以x2为纵坐标，t2为横坐标，则宽角法所得的共深度点反射波走时线为直线,见图2.6。 图图2.5 宽角法测量方式宽角法测量方式图图2.5 2.5 宽角法（共中心点法）观测方式宽角法（共中心点法）观测方式 图图 2.6 2.6 共中心点雷达图象共中

4、心点雷达图象速度=直达地面波（地表波）斜率的倒数直达空气波直达空气波直达地面波直达地面波求取速度公式图图2.6 2.6 走时曲线走时曲线 空气直达波地表直达波反射波1反射波2平方坐标系中的空气直达波平方坐标系中的地表直达波平方坐标系中的反射波1平方坐标系中的反射波23.3.多次覆盖多次覆盖n 由于介质对电磁波的吸收，来自深部界面的反射波会由于信噪比过小而不易识别、这时可应用不同天线距的发射-接收天线在同一测线上进行重复测量。然后把来自同一反射点的雷达记录叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。 同一测点使用不同天线距的测量结果进行叠加前，需要把不同天线距的信号双程走时校正到零源距的双程走

5、时才可进行叠加，这种校正称为时差校正。n假设地下界面为水平时，把天线距x作横坐标，以反射波的双程走时t为纵坐标，可绘制来自反射点A的时距曲线(书中的图2.2)。曲线方程为) 12(4122iixhvt图图2.2 2.2 共深度点时距曲线共深度点时距曲线 于是通过共深点的时距曲线，可把不同天线距 (亦称偏移距)的双程走时减去一个校正值ti使其与零源距双程走时t0(t0=2h/v)一致。经过偏移距校正后的记录进行叠加后的结果，使来自地层界面的反射信号增强了(见书中图2.3)。图图2.3 2.3 动校正前后叠加的不同效果动校正前后叠加的不同效果 原则上,不同于一次反射波的各种规则干扰波，都有自己的正

6、常时差公式，甚至一次反射波的正常时差公式在水平界面和倾斜界面情况下也不相同。所以，当一律采用水平层状一次反射波的正常时差公式进行动校正后，除了水平层状一次波外, 其他类型的波，因为其波至时间一般不等于回声反射时间，所以仍有一定量的时差，我们把这种经过正常时差校正后残留的时差叫做剩余时差td 多次波的反射按一次反射作正常时差校正后，多次波的剩余时差为 其中v为地层的电磁波速度，vd则是多次反射波在地层中的视速度。 剩余时差系数： )22()11(222202qxvvtxtdd 由(2-2)式可知，剩余时差与天线距x有关。 下面探讨利用不同天线距资料进行多次叠加压制多次反射波的效果。)11(212

7、20vvtqd 设地下某反射点到达地面共中心点M处的一次反射信号为f(t)，其对应频谱为g(j)。几个不同天线距的信号进行正常时差校正后进行叠加。对一次反射波来说，叠加后的输出 即等于几个自激自收信号之和，其对应的频谱 )()()(1tnftftFnk)()()(1jngjgjGnk 但是，对于多次反射，经正常时差校正后仍有剩余时差，与天线距有关。不同天线距叠加后的输出信号为)32()()(1nkdkdttftF 其对应的频谱是 从(2-4)式可见，叠加后的频谱与自激自收一次反射波信号频谱的区别在于增加了一个因子)42()exp()()(1nkdkdtjjgjG 为了表示叠加后的多次波相对于一

8、次波的压制程度，用叠加后多次波的振幅与一次波振幅之比P()来衡量叠加效果，得到) 52()sin()cos()()()exp()(21211nkdknkdknkdkttjKKtjjK，其模 引进单位叠加参数a,令)62()sin()cos(1)(2121nkdknkdkttnP)72(,TtaKdkkx 其中： 2221,22(1)(1)2 (28)kx kxxdKkkvxxx)92()2sin()2cos(1)(12,12,nkkxnkkxaKaKnaP 以n、为参数，以a为自变量，可按公式(2-9)计算出叠加效果。 图2.4为n=4、=3、=12的条件下叠加振幅特性曲线。曲线上P(a)的低

9、值区称为多次波的压制带。图图2.4 2.4 叠加振幅特性曲线叠加振幅特性曲线 一般取P=1/n为压制区的平均值，它与曲线的交点为c和c ， 在c c区间内，波受到最大压制。天线距增量d与叠加次数n的选择应保证a落入压制带内。 探地雷达的折射测量,实际是宽角测量的一种形式，是近年发展起来的一种测量方式。类似于折射地震勘探。探地雷达折射测量方式也有两个条件: 首先雷达波的入射角足够大，或发射天线和接收天线的距离足够大; 其次雷达波在下伏地层(或介质)中的传播速度大于上覆介质的速度。 插图插图2.7 2.7 电磁波入射到界面时发射折射的示意图电磁波入射到界面时发射折射的示意图插图插图2.8 2.8

10、接收天线获得的波形图接收天线获得的波形图插图插图2.9 2.9 接收天线得到的时距曲线图接收天线得到的时距曲线图 满足上述条件时，雷达波以一定角度入射时，当电磁波达到层1和层2界面时，电磁波将发生反射和折射,如插图2.7 。 当入射角足够大时，折射角将等于90度，沿界面传播。当天线置于地面时，在接收天线处将接收到如图2.8的波形图。 通过对波形图的到时进行分析，可以得到如图2.9的时距曲线图。根据时距曲线的分析可以确定界面的深度、界面的起伏形态和界面上下层的介电参数等。雷达观测方式雷达观测方式反射测量反射测量折射测量折射测量剖面法剖面法 点点 测测 连续测量连续测量多次覆盖多次覆盖宽角法宽角法 共发射点法 共接收点法 共中心点法 总结 1.电介质是指能在电场中极化的物质,或 不具有任何导电性的物质或物体; 2.物质的介电性质用介电常数来描述 e为介质的极化率;)2 .1 .2()1 (0e 3. 决定电磁波速度v的