地质雷达记录的波相识别

7地质雷达记录的波相识别地质雷达反射记录的波形比地震波复杂的多，一方面是由于地质雷达分辨率高记录的信号丰富，另一方面是由于电磁波的干扰因素多，此外还由于雷达发射的子波比较复杂，并非简单的脉冲。

因而雷达资料的处理与解释是一项复杂细致的工作。

特别是各种地层、目标体、干扰波的识别需要坚实的理论基础和丰富的实践经验。

7.1 地质雷达的波组特征雷达天线发射的是子波而不是单脉冲，子波由几个震荡波形组成，占有一定的时间宽度，反射与折射波依然保持有原来子波的特点，只是幅值上有所变化。

这里将雷达子波的周期、持续时间长度和衰减比三个参量作为子波的波阻特征。

子波的频率成分与天线的主频相近，持续一个半到两个周期，后续振相略有衰减。

例如对于100MHz天线的子波，持续时间可到15-20ns，对于1GHz的天线，持续时间约2ns。

子波的波形的确定对于后期处理是非常重要的，它是小波处理的基础。

有很多方法可以获得各种频率天线的子波，最简单的方法是利用金属板反射。

将一块较大的金属板放置于地面上，发射与接受天线与金属板平行，相距为3个周期的时程，进行数据采集，即可获得子波记录。

不同类型的雷达、不同型号的天线，雷达子波的形状是不同的。

天线与介质的距离、介质的电导特性对子波的形态和特点也有一定的影响，应根据现场工作条件从记录中分离子波。

从下边的记录中也可以辨认出子波的特征。

表面反射波、内界面反射波都是近联各州其的衰减波形。

对其进行分析可以得到子波的波组特征7.2 地质与工程介质结构及反射特征雷达的探测对象通常是多界面结构，如各类地层、岩性，松散层、风化层等都是多层结构。

隧道中的围岩、初衬、二衬等，也是多界面结构。

雷达波向介质内传播时，被称为下行波，经反射回表面的波称为上形波。

下行波每遇到一个界面就发生一次反射和折射，入射波能量即被分成两部分，一部分经折射继续向下传播，另一部分经反射掉头向上，变成上行波。

反射与折射能量的分配与反射、折射系数的平方成正比。

上一界面的折射波就是下一界面的入射波，因而下行波的能量不断减少，同时每一界面都在产生反射的上行波。

同理，每一界面反射形成的上行波，也会遇到介质的界面，形成二次的反射与折射。

介质中每一上行波和下行波都是独立运行的，当遇到界面时都会按照Snell定律，进行折射和反射。

因而多层介质中，多次反射与折射波是无尽的，只是反射、折射的经历越多能量越小。

上行波与下行波传播时，独立震相的能量逐渐减少，除由于界面反射与折射造成能量的分散、使每一独立波相的振幅减小之外，还由于介质的吸收，也就是传导电流引起的损耗。

这种介质吸收引起的振幅变化是指数形式的，呈e-αx形式，其中x代表传播路径的累计长度，α为衰减系数，在前文中已有交待。

上图是雷达波传播的示意。

在雷达记录中记录的都是不同路径上行到表面的反射波，内容十分丰富，但实际上并非所有的反射震相都能识别出来，主要识别的是层面的一次反射真相。

一方面是由于能量比太小，超出了仪器的动态范围，另一方面多次反射干扰大、层面连续性差。

在一些特殊的观测条件下，界面反差大，浅部结构简单时，二次波有时也非常清楚，处理中还要采取特殊措施进行压制。

接收到的反射信号f(t)是发射的雷达子波与介质折射系数、反射系数和介质损耗的褶积，即各层反射信号的叠加。

每层反射信号到达时间不同，其幅值是路径介质损耗、下行折射系数、上行折射系数、折返层的反射系数和几何衰减的乘积。

其数学表达式为：F(t)=ΣA O·e-Σ2αh ·R i ·e-iω(t-∑2h/v)· Πixгj·Πisгk/∑2h式中：A O 子波初始幅值；e-Σ2αh传播路径衰减；R i折返层反射系数；e-iω(t-∑2h/v)反射波对应相位；Πix гj下行折射系数的联乘；Πisгk上行折射系数的联乘。

雷达下行上行波传播示意图介质结构与反射特性示意7.3 雷达记录中波组与结构反射特征的叠加在多层结构探查中，雷达探测记录中包含多层反射波。

由于雷达子波有一定的宽度和衰减震相，这样当地层厚度较小时，反射波与子波互相叠加，变得难于识别。

这就限制了雷达的垂相分辨能力。

假如雷达子波的持续时间为τ，那末，雷达垂向所能分辨的最小尺度为h，有如下关系：h≧vτ/2式中v为电磁波速。

该式的含义是层厚中的双程走时应大于子波的持续时间。

当时用小波变换时可以最大限度的压制子波，在反射信号起点形成一个窄脉冲，因而可以大大地提高垂向分辨率。

目前小波变换技术在资料处理中已逐渐被采用，可以有效地解决多层反射与子波干扰的问题。

多层反射波与子波相叠加7.4 雷达目标波相识别的三项基本要点为获得雷达探测的结果，需要对雷达记录进行处理与判读，判读是理论与实践相结合的综合分析，需要坚实的理论基础和丰富的实践经验。

雷达记录的判读也叫雷达记录的波相识别或波相分析，它是资料解释的基础。

在此首先介绍波相分析的基本要点。

要点1：反射波的振幅与方向从反射系数的菲涅耳（Fresnel）公式中可以看出两点，第一点，界面两侧介质的电磁学性质差异越大，反射波越强。

从反射振幅上可以判定两侧介质的性质、属性；。

第二点，波从介电常数小进入介电常数大的介质时，即从高速介质进入低速介质，从光疏进入光密介质时，反射系数为负，即反射波振幅反向。

反之，从低速进入高速介质，反射波振幅与入射波同向。

这是判定界面两侧介质性质与属性的又一条依据；如从空气中进入土层、混凝土反射振幅反向，折射波不反向。

从混凝土后边的脱空区再反射回来时，反射波不反向，结果脱空区的反射与混凝土表面的反射方向正好相反。

如果混凝土后边充满水，波从该界面反射也发生反向，与表面反射波同向，而且反射振幅较大。

混凝土中的钢筋，波速近乎为零，反射自然反向，而且反射振幅特别强。

因而，反射波的振幅和方向特征是雷达波判别最重要依据。

钢筋反射波的振幅与方向要点2：反射波的频谱特性不同介质有不同的结构特征，内部反射波的高、低频率特征明显不同，这可以作为区分不同物质界面的依据。

如混凝土与岩层相比，比较均质，没有岩石内部结构复杂，因而围岩中内反射波明显，特别是高频波丰富。

而混凝土内部反射波较少，只是有缺陷的地方有反射。

又如，表面松散土电磁性质比较均匀，反射波较弱；强风化层中矿物按深度分化布，垂向电磁参数差异较大，呈现低频大振幅连续反射；其下的新鲜基岩中呈现高频弱振幅反射，从频率特性中可清楚地将各层分开。

如围岩中的含水带也表现出低频高振幅的反射特征，易于识别。

节理带、断裂带结构破碎，内部反射和闪射多，在相应走时位置表现为高频密纹反射。

但由于破碎带的散射和吸收作用，从更远的部位反射回来的后续波能量变弱，信号表现为平静区。

反射波的频谱特性要点3：反射波同向轴形态特征：雷达记录资料中，同一连续界面的反射信号形成同相轴，依据同向轴的时间、形态、强弱、方向反正等进行解释判断是地质解释最重要的基础。

同向轴的形态与埋藏的物界面的形态并非完全一致，特别是边缘的反射效应，使得边缘形态有较大的差异。

对于孤立的埋设物其反射的同向轴为向下开口的抛物线，有限平板界面反射的同向轴中部为平板，两端为半支下开口抛物线。

7.5工程勘察中典型目标的波组特征识别基岩波相特征形态浅埋基岩起伏大，反射波强，断续特征明显，与空洞反射有类似之处，是高速体反射波，波相与地面波反向。

基岩陷漏柱边界形态清楚，与岩层水平产状反射波形态形成明显对比。

强反射同相轴连续，分层清晰，有一定韵律，低频成分为主。

具有明显的地层产状特征。

下图为第四系松散地层及挖管道沟形成的地质结构及雷达反射波形态。

地下管道波相特征地下管道，尤其是金属管道反射极强，反射弧形较窄，呈半展开伞形。

中间反射强，向两侧很快衰减。

水与岩土为强反射界面，反射波强，同相轴连续，水中部分杂波很少，岩土地层中可见薄分布，穿透不深。

波相为2-3组强反射小波，同相轴形态起伏变化较大。

第四系含水地层波相特征含水层为电磁波底速层，与上下地层波阻抗差异大，界面清晰，正反相位成组出现，层面连续，以低频波为主，波相为3-4个强振动的小波。

地下含水层形态多为简单倾斜形态。

电磁波从岩土介质进入含水层，是从高波速进入低波速区，第一反射振相，反射系数为负，反射波与入射波反向，与地表反射波同相。

地下空洞反射波形态特征地下空洞多次反射波很强，持续很长一段时间，侧向散射波不太强。

具有局部孤立的特点，高频成分为主。

反射相位与入射波同向，与表面反射波相位相反。

地下埋藏物的波形特征地下埋葬物波阻抗差异不同，反射差异较大。

下图是差异较小的。

波相形态特征与埋设条件有关。

下列埋葬物波阻抗差异较大，反射波强，形态孤立，埋藏体体积小，有多次波特征，说明可能是空的。

如果是空的，第一反射振相是正的；如果是金属的，第一反射振相是负的，而且吸收强，没有多次波。

7.6工程检测中几类典型目标的波组特征识别地质雷达近年在工程检测的应用迅速扩展，在铁路公路路基路面，隧道衬砌与围岩，工程建筑结构，水电工程等领域都有广泛应用，是最具活力的应用领域，有很多很好的实例。

混凝土钢筋结构的波形特征金属导体中电磁波速为零，不能传播。

钢筋对于电磁波的能量几乎全部都反射回来，反射系数近乎为1，反射极强。

应用高频天线探测，钢筋形成清晰的反射弧，呈半张开的伞形。

可靠地检测出钢筋网密度，钢筋粗细，布置位置。

下图是美国GEOMODEL公司的检测实例。

反射波向与表面反射波同相。

金属网反射波形，与钢筋类似，只是一系列反射弧彼此相接很紧密，形成波浪形状。

衬砌厚度和脱空的波形特征衬砌与围岩之间的脱空区为空气，与混凝土和围岩的波阻抗差异很大，反射波正反相间，波相先兰后红，反射很强，脱空区断续蜿蜒，位置清晰明显，极易辨别。

下列2张图是南昆铁路隧道衬砌检测图象。

衬砌与围岩之间分布有大小脱空区。

隧道围岩结构的波相特征灰岩是一种节理、裂隙比较发育的岩体，雷达波可将这种岩体结构清晰的显现出来。

节理裂隙断断续续，反射波高频成分较多，时强时弱，断断续续，反映岩体结构、产状的特征。

7.7 雷达记录表面反射波相的追踪表面反射振相的辨认与追踪很重要，它关系到深度/厚度的计算，不可忽视。

下图是铁路运行隧道拱顶检测的图像。

隧道拱顶检测时，雷达天线移动到接触电网拉线附近时，天线必须下降躲开横拉线，天线与拱顶距离拉大，表面反射波走时也随之变大，形成下凹弧形，弧形的第一个振相就是表面反射波，向两侧可连续追踪。

7.8 隧道检测中干扰波的识别隧道的检测条件是十分复杂的，除了电器设备的干扰外，隧道墙壁、路基铁轨、检测台车等都会产生反射干扰信号。

只有可靠地辨认出衬砌与围岩之间的反射信号与各类干扰信号，才能准确无误的确定砌的厚度。

当天线在移动中与衬砌表面距离变化时，衬砌与围岩之间的反射信号与表面反射信号同步变化，而隧道内的各种反射波是反向变化，形成明显的反差，依此可判定反射波是来自于衬砌内还是隧道内。