维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期（总第１２８期） ２００８年９胃 四川地震 Ｎｏ．３ ＥＡＲ．ＴＨＱＵＡＫＥ ＲＥＳＥＡＫＣＨ ＩＮ ＳＩＣＨＵＡＮ Ｓｅｐｔ．２００８ 探地雷达不同参数对数据采集和处理的影响 赵华 ，李才明 ，杜成都斌。，刘英利 成都６１００４１； 成都６１００４１） （１．四川正信重点公路工程试验检测有限责任公司，四川２．成都理工大学，四川６１００５９；３．四川省地震羼，四川摘要：探地雷达探测技术的关键环节是数据采集，两决定数据质量的是参数选择，本文从理论与实例两方面来 探讨不同地质雷达参数对数据质量的影响，总结了在实际应用中的几点经验，可作为以后工作的詹鉴与参考。 关键词：探地雷达：测量参数；数据采集 中图分类号：Ｐ２２５．１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—８１１５（２００８）０３—００３１—０５ 探地雷达（Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ，简称ＧＰＲ）是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术设 备口］，具有分辨率离、效率离、实时显示的优点。只要所探测强标体与其周围物质的介电性存在明显差 异，就可用此设备进行探测。近年来，随着计算机技术的不断提高 探地雷达技术也得到了提高和推广， 其应用也日益广泛。探地雷达有无损、快速、准确、直观等优点，受到了很多工程公司的青踩 。但由 于探地雷达技术在国内应用时间较短，在实际应用中还存在一些阊题，比如参数如何设置。本文从理论出 发结合工程实例来说 参数选择在探地雷达野外数据采集及后处理中的重要性，并将应用中的经验用实铡 加以说明，可作为以后工作时的参考。 １ 原理 探地雷达的工作原理可用图ｌ简明扼要地表示出来 引。一般情况下，地质雷达工作时对地耦合天线 都是尽可能地贴近地表。在雷达主机控制下，发射机发射电磁波进入地下，地下任何电参数（也就是介 龇电常数，磁导率和导电率）的不连续都会引起电磁波的后向散射 形成反射回波，这些电参数是频率的 函数。换句话说，基本上都是介电常数的不连续导致了电磁波反 发射 接收 射。探地雷达对目标的探测利用了电磁波在经过电性不同（介电常 数）的２种介质时会发生反射这一特点，根据反射电磁波传播的路 径、电磁场强度与波形随所通过介质的性质及几何形态的变化而产 生不同程度的变化来探测目的物。在对接收天线所接收到的雷达回 波进行处理和分析的基础上，根据其波形、强度、时间等推断地下 介质的空问位置、结构、电性质及几何形态，从而达到对地下地层 或目标体的探测。 地面回波 目标反映 曰图２、图３显示了电磁波的传播曲线。由图２可 知，只有目标 物上的反射波形异于其围岩的反射波形，目标物才可能被识别出 圈１ 探地雷达仪工作原理示意图 来，所以反射脉冲波形的明显程度，是对探地雷达图像进行地质解释的重要依据。而反射脉冲波形的清晰 程度决定于发射脉冲的能量、波在地质界面上的反射特性以及波在地下介质中传播行进时的衰减情况。 收稿日期：２００７—０９—０３ 作者简介：赵华（１９７２一），男，ＩＮＪＩＩ省通江县人，工程师，专业方向：混凝士无损探伤和地质雷达在工程中应用 维普资讯 http://www.cqvip.com ・３２・ 四川地震 ２００８年第３期 双 程 旅 游 时 （ｎｓ】 图２ 电磁波遇到地下物体后的反射示意图 图３探地雷达记录的回波曲线 在仪器性能一定的情况下，反射特性决定于物性界面的波阻抗差异，即反射系数。对于垂直入射的电 磁波，即入射角为９０。，则ｉ 。Ｉ＝｛ （ －一 ）／（ ＋，／－／２）ｌ。其中 为第一层介质的介 电常数；ｏ￣ｒ２为第二层介质的介电常数；Ｒ 为第一层介质与第二层介质界面处的反射系数。例如，对于土 壤与花岗岩的交界面，其反射系数模值Ｒ：０。３３３ ３，即反射能量为人射能量的３３．３３％。从这里可知，介 电常数对反射系数的影响至关重要，而反射系数的大小又决定了反射波能量的大小，丑口反射波形图像的明 显程度。 ２探地雷达的分辨率 ２。１ 垂直分辨率 探地雷达分辨率是指其区分豫个空间上相距很近的目标的能力。分辨率决定了探地雷达分辨最小异常 介质的能力和其应用范围。雷达在垂直方向上能够区分１个以上反射界面的能力称为垂直分辨率。假定天 线发射出的脉冲宽度为ｔ （单位ｎｓ），天线中心频率 ＝１／ｔ ，我们通常选取天线频率宽度Ｂ ： 。如果 同一垂直方向上有２个目标存在，目标的深度差为Ａｄ，则探地雷达在空间上能分辨出２个目标的回波信 号，必须满足：△ｄ≥ （其中 为电磁波的介质速度），即 ‘：，０ △ｄ≥＝Ａ ／２……………………………・・ ………………（１） 其中Ａ 为脉冲信号中心频率所对应的电磁波的介质波长，因此雷达波的垂直分辨率为： （Ａｄ） ＝Ａ ／２＝ …………………………一（２） ｒ卜－一Ｈ—１ 图４垂直分辨率几何原理示意图 图５水平分辨率几何原理示意图 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年９月 赵华，等：探地雷达不同参数对数据采集和处理的影响 ‘３３・ 其中ｃ为电磁波在空气中的传播速度，８，为地下介质的相对介电常数， 为地下介质的磁导率。 ２．２水平分辨率 探地雷达在水平方向上所能分辨的最小探测物的尺度称为水平分辨率。图５中地下２个平行目标的深 度为ｄ，相距为日，要使探地雷达在空间上能区分出２个目标的回波信号，则需满足： ￣／ 『２＋ｄ 一ｄ≥ ２ …………………………………………（３） 而∥ ＝Ａ ，通常Ａ ／４ｄＵ］Ｉ，综合各式得： 广一—— —一 ＝ ＝／÷……………………………・（４） 】ｃ ８壮Ｔ 其中月 表示探地雷达最高水平分辨率，秽为电磁波的介质速度， 为天线中心频率，８ 为地下介质 的相对介电常数， ，为地下介质的磁导率。由（２），（４）式可知，探地雷达的空间分辨率除与目标周围 介质的特性有关外，主要还与所选择天线的中心频率 有关。 ３ 不同测量参数设置对数据采集效果的影响 ３．１ 天线中心频率对测量效果的影响 通常，把探测时所采用的天线中心频率称为探测频率，其实际的工作频率范围是以探测频率为中心频 带的，探测频率是制约探测深度的一个关键因素，同时也决定了探测的垂直分辨率，一般是探测频率越 高，探测深度越浅，探测的垂直分辨率和水平分辨率越高。下面是用中心频率分别为９００ ＭＨｚ和４００ ＭＨｚ 的天线对离地面大约１５ ｃｍ的混凝土中钢筋探测的一个实例。探测结果如图６ａ，６ｂ所示。很明显，中心 频率为９００ ＭＨｚ的天线探测的效果比４００ ＭＨｚ的要好的多，９００ ＭＨｚ的天线探测的能明显看出有并排的 抛物线存在，但中心频率为４００ ＭＨｚ时图像几乎什么都看不到。中心频率为４００ ＭＨｚ由于探测距离较深， 图像分辨率低，所以浅层的小目标物有时就很难分辨出来。 ａ ９０Ｃ￣！【ｚ天线 【）钡）ＭＩｌｚ天线 图６不同频率天线测量地下钢筋的原始图 ３．２ 时窗的选择对测量效果的影响 时窗的选取是很重要的，既不能选得太小丢掉重要数据，也不能选得太大降低垂向分辨率，一般选取 探测深度Ｈ为目标深度的１．５倍。根据探测深度Ｈ和介电常数８确定采样时窗长度（Ｒａｎｇｅ／ｎｓ）： Ｒａｎｇｅ＝２Ｈ（ｅ）１／２／０，３（ｎｓ）＝６．６ Ｈ（￡）１／２（ｎｓ）……………………………（５） 图７ａ和图７ｂ分别是用９００ ＭＨｚ的天线用不同时窗对同一目的物探测的图像，两图均经过了零点校正 处理。由图间的比较可知，图７ｂ比图７ａ的效果更明显。一般目的物的显示应在窗口中间处，而图７ａ的 目的物显示几乎在窗口顶部，效果不明显，是时窗选择太大的缘故造成的。经开挖验证，中心频率为９００ ＭＨｚ，时窗选取为１０ ｎｓ的测量剖面图经计算和实际的误差很小。 维普资讯 http://www.cqvip.com
・３４・ 四川地震 ２００８年第３期 ａ对窗为２１ ｚｔｓ ｈ时窗为１０ ｎ，Ｒ 图７不同时窗测定结果零点校正后的图像对比 ４ 数据处理中参数的选取对数据效果的影响 ４・１ 增益恢复 地质雷达数据的处理一般是增益与滤波，选取合适的增益数值可使雷达的反射回波更明显，突出一些 有用的弱信号，对浅部强信息进行压制，使得动态范围得以增大。地质雷达发射的高频脉冲电磁波在介质 中传播时，能量不断地衰减。由于电磁波振幅的衰减，地质雷达接收天线所接收到的不同深度的反射波振 幅大小有非常大的区别，可以达到多个数量级。为了以更明显直观的方式在地质雷达反射波图像剖面中反 映出地下结构，通常可以对采集到的地质雷达记录做增益恢复处理，消除电磁波振幅衰减 Ｊ。 ４。２一滤波处理 维数字滤波是指在时间域或频率域上进行的滤波。滤波过程只涉及一个变量的函数运算。 （１）理想低通滤波。如果噪音的频谱分布只有高频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除 Ｊ。 １日∽ｉ ｛ ，式中， 是高截频率。叠加是水平方向上的ＨＲ滤波器，作用是降低高频噪 音。 （２）理想高通滤波。如果噪音的频谱分布只有低频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除。 ｆ】 ｆ 。Ｈ ０９‘ ｉｏ ，式中， 是低截频率。是水平高通滤波，作用是消除低频噪音。 （３）理想带通滤波。如果噪音的频谱分布既有低频成分又有高频成分，那么可采用如下的滤波器进 行处理。 ｝Ｈ ０９ Ｉ＝ ， 为低截 为胄截 图８ａ和８ｂ分别是对污水管探测的原始图和处理后的图件，经比较可看出，在原始图的底部有很多雪 花状，那是高频噪音造成的，对其实行叠加滤波处理（叠加是水平方向上的ＩＩＲ滤波器），这样就降低了 ａ ９Ｏ０ ＭＨｚ天线原始图 ｂ ９ＯＯ ＭＨ 灭线处理后陶 图８污水管探测资料处理前后的对比图 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年９月 赵华，等：探地雷达不同参数对数据采集和处理的影响 ，３５ 高颁嗓音。由图８可知，处理后的与原始的垂直刻度有所不同，那是因为对原始数据做垂直刻度校正的结 果，校正后的数据能够得到更准确的目标体的理深信息。除了对原始数据做叠加处理外，还可以进行水平 高通滤波，目的是消除低频噪音。最后做增益处理，所以异常体才会更明显地显现出来。 ５ 结论 地质雷达的数据采集是地质雷达技术应用的首要环节，数据采集将直接影响到地质雷达图像的质量， 有时甚至决定了地质雷达应用的成败。天线中心频率与时窗参数是地质雷达数据采集中２个重要的测量参 数 对探测效果具有很大影响。虽然有一些理式用来计算所需要的参数值，但由于各地的地质情况不 同，不能绝对地利用理论计算出来的值作为实际测量时的值。因此，建议在实际测量前，可通过经验设置 不同的参数来进行实验性观测，经过对比研究选取最优的测量参数，以便顺利完成探测任务。地质雷达与 其它物探方法相比有一个明显特点，就是经验的重要性，在掌握了一定的理论基础后要多实践、多总结， 归纳出不同目标体的图像特征及不同情况下参数的选择经验。 参考文献 ［１］ 李大心．探地雷达方法与应用［Ｍ］．北京：地质出版社．１９９４． ［２］ 王玉钰，吴有信．地质雷达在工程勘察中的应用［Ｊ］．西部探矿工程，２００５，（１１）：１０７—１０９． ［３］ 粟毅．探地雷达理论与应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６． ［４］ 吕英明，徐晓培，吕继东．探地雷达在非均匀地基勘察中的应用［Ｊ］．中国煤田地质，１９９７，（３）：６１—６４． ［５］ 杨向东．地下管线综合探测技术在道路改造中的应用［Ｊ］．物探与化探，２００１，（１２）：４７７—４７９． Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｓｔ・ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ＺＨＡＯ Ｈｕａ ，ＬＩ Ｃａｉ—ｍｉｎｇ２ＤＵ Ｂｉｎ’，ＬＩＵ Ｙｉｎｇ—ｌｉ ，（１．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｚｈｅｎｇｘ￣ｎＨｉｇｈｗａｙＥｎｇｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｓｔｉｎｇ ＬｉｍｉｔｅｄＣｏｍｐａｎｙ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４１； ２．Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５９； ３．Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ ０，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４１．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｋｅｙ ｌｉｎｋ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ．Ｄａｔａ ｑｕａｌｉｔｙ ｂａｓｅｓ ｏｎ ｐａｒａｍ— ｅｔｅｒ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｂｅｓ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｂｓｔｒａｃｔｌｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌｌｙ ｏｎ ｄａｔａ ａｎｄ ｓｕｍｍｅｄ ｕｐ ｓｏｍｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ．Ｔｈｅｓｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｇｉｖｅ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｏｒｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ；ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ
