高頻電磁波在不同介質(zhì)中的反射波圖像分析

■李軍鋒

（河南省煤田地質(zhì)局一隊(duì)　河南　新鄭　451150）

高頻電磁波在不同介質(zhì)中的反射波圖像分析

■李軍鋒

（河南省煤田地質(zhì)局一隊(duì)河南新鄭451150）

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR）技術(shù)是通過(guò)識(shí)別高頻電磁波在介質(zhì)中的反射波信號(hào)特征來(lái)推斷地質(zhì)體的空間賦存狀態(tài)。本文以鋼筋混凝土、破碎帶等目標(biāo)體為例，分析了其雷達(dá)反射圖像的特征，總結(jié)了高頻電磁波在不同介質(zhì)的反射特征，提高了對(duì)地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)的研讀能力和解釋精度。

地質(zhì)雷達(dá)反射波特征分析

0　引言

地質(zhì)雷達(dá)(又稱探地雷達(dá))是一種廣譜電磁波技術(shù)，采用高頻寬帶電磁波對(duì)地下介質(zhì)進(jìn)行掃描，以確定目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)形態(tài)及其空間賦存狀態(tài)的一種地球物理方法【1】。作為一種較新的地球物理方法，地質(zhì)雷達(dá)在近10年的時(shí)間內(nèi)逐漸成熟起來(lái)。該方法以其操作簡(jiǎn)便和自動(dòng)化程度高、圖像直觀、分辨率高、成果解釋可靠等優(yōu)點(diǎn)在眾多物探方法中占有重要地位，在淺層地質(zhì)調(diào)查中有著非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如探測(cè)采空區(qū)，隧道施工的超前預(yù)報(bào)，查找基巖面、覆蓋層厚度，查找潛伏斷層、破碎帶、古溶洞以及地下掩埋物(管道、電纜、金屬目標(biāo)等)、管道溝、涵洞等效果顯著。

目前在地質(zhì)雷達(dá)反射波圖像的識(shí)別（即異常特征判別）方面主要采用目視判讀的方法，得出被探測(cè)目標(biāo)體的形狀、大小及空間賦存位置。本文通過(guò)對(duì)隧道建設(shè)中的一些常見(jiàn)地質(zhì)問(wèn)題的地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射波圖像的特征進(jìn)行分析，以提高對(duì)地質(zhì)雷達(dá)反射波圖像的判讀能力和解釋準(zhǔn)度【2】。

1　探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR）方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁波技術(shù)。其利用天線向地下發(fā)射電磁脈沖，并接收由地下不同介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)（如介電常數(shù)εr）及幾何形態(tài)的變化而變化。其測(cè)試原理和基本組成如圖1所示。根據(jù)接收到的回波時(shí)間、幅度和波形等信息，可判定地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與埋藏體的位置與形態(tài)【3】。

式中：t—脈沖波走時(shí)（ns）；h—目標(biāo)深度（m）；x—發(fā)射天線與接收天線的距離（m）；v—電磁波波速（m/ns）。

式中 c=0.3m/ns (光速)，εr為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。

圖1　地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

2　不同介質(zhì)的雷達(dá)反射波特征

2.1鋼筋的雷達(dá)反射波圖像

在對(duì)鋼筋混凝土建筑的質(zhì)量檢測(cè)中，對(duì)鋼筋的數(shù)量及分布狀態(tài)檢測(cè)是一個(gè)非常重要的方面。圖2是用主頻為900MHz的天線在隧道質(zhì)量檢測(cè)中采集到的鋼筋圖像，圖中紅點(diǎn)是鋼筋所在位置。

可見(jiàn)，電磁波在混凝土等媒質(zhì)預(yù)埋鋼筋探測(cè)時(shí)的波形特征為：當(dāng)天線中心位于鋼筋正上方時(shí)，反射能量最強(qiáng)；同相軸連續(xù)，外型呈雙曲線形態(tài)；鋼筋位于雙曲線頂點(diǎn)且與初始相位反相；雙曲線兩翼是由雷達(dá)天線發(fā)射圓錐形電磁波所引起，該信號(hào)對(duì)深部信號(hào)分析形成干擾。

圖2　鋼筋的雷達(dá)反射波圖像

因此，根據(jù)以上特征，完全可以清晰地判斷鋼筋的數(shù)量及空間分布狀態(tài)。

圖3　破碎巖體的雷達(dá)反射波圖像

2.2破碎巖體的雷達(dá)反射波圖像

圖3是用主頻為100MHz的天線在破碎巖體上采集到的雷達(dá)反射波圖像。

可見(jiàn)，電磁波在破碎巖體上的波形特征為：反射波波形雜亂，能量強(qiáng)弱無(wú)規(guī)律性；反射波相位同相且不連續(xù)，在剖面圖上不能夠追蹤到連續(xù)的同相軸；當(dāng)電磁波穿透破碎帶時(shí)，高頻成份衰減較緩慢。

3　結(jié)語(yǔ)

理論研究和實(shí)踐應(yīng)用均表明，探地雷達(dá)資料解釋精度的高低，既取決于使用者對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)的基本理論和信號(hào)處理等有關(guān)知識(shí)的掌握程度，也取決于使用者對(duì)多種地下目標(biāo)體的探地雷達(dá)圖像特征和異常信號(hào)識(shí)別技術(shù)的研究程度，后者對(duì)探地雷達(dá)資料解釋的指導(dǎo)作用更直接具體【4】。因此，系統(tǒng)地研究典型地下目標(biāo)體的雷達(dá)反射波的圖像特征，對(duì)于提高探地雷達(dá)資料解釋的精度和可靠性，不斷拓展探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

但是探地雷達(dá)技術(shù)也有其局限性，以下3個(gè)問(wèn)題是制約探地雷達(dá)技術(shù)向前發(fā)展的因素：

（1）探測(cè)距離與分辨率的矛盾；

（2）多次波及其他雜波干擾嚴(yán)重，原始記錄的信噪比低，有效波的識(shí)別及其成果解譯十分困難；

（3）所獲得的被探測(cè)對(duì)象的空間信息量太少，其資料的解釋往往存在多解性。

[1]李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用 [M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[2]王惠濂,李大心.脈沖時(shí)間域探地雷達(dá)講座 [J].國(guó)外地質(zhì)勘探技術(shù)，1989.

[3]Thomas J Fenner.Application of subsurface radar(SIR)in limestone.GSSI Inc.,Technical Literature,1985,2~16

[4]北京鑫衡運(yùn)公司，Reflexw軟件使用指南

P412.25[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-119-1