地质雷达在岩土层勘察探测中的应用(2)

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。

5 结语

地质雷达是一种非破坏性的原位探测技术,现场直接提供实时剖面记录,图像清晰直观,工作效率高,重复性好。地质雷达技术可以区分浅层不同介质的界面,指出其精确深度和介质性质,探测结果反映的是连续的地下剖面的图像。同时能够呈现介质的横向变化特征，为基建工程勘察设计和施工提供详细的岩土层空间变化信息。

参考文献

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