■李軍鋒

（河南省煤田地質局一隊　河南　新鄭　451150）

高頻電磁波在不同介質中的反射波圖像分析

■李軍鋒

（河南省煤田地質局一隊河南新鄭451150）

地質雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）技術是通過識別高頻電磁波在介質中的反射波信號特征來推斷地質體的空間賦存狀態(tài)。本文以鋼筋混凝土、破碎帶等目標體為例，分析了其雷達反射圖像的特征，總結了高頻電磁波在不同介質的反射特征，提高了對地質雷達反射信號的研讀能力和解釋精度。

地質雷達反射波特征分析

0　引言

地質雷達(又稱探地雷達)是一種廣譜電磁波技術，采用高頻寬帶電磁波對地下介質進行掃描，以確定目標體的結構形態(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，地質雷達在近10年的時間內逐漸成熟起來。該方法以其操作簡便和自動化程度高、圖像直觀、分辨率高、成果解釋可靠等優(yōu)點在眾多物探方法中占有重要地位，在淺層地質調查中有著非常廣泛的應用領域，如探測采空區(qū)，隧道施工的超前預報，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、金屬目標等)、管道溝、涵洞等效果顯著。

目前在地質雷達反射波圖像的識別（即異常特征判別）方面主要采用目視判讀的方法，得出被探測目標體的形狀、大小及空間賦存位置。本文通過對隧道建設中的一些常見地質問題的地質雷達發(fā)射波圖像的特征進行分析，以提高對地質雷達反射波圖像的判讀能力和解釋準度【2】。

1　探地雷達工作原理

探地雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁波技術。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界面的反射波。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質（如介電常數(shù)εr）及幾何形態(tài)的變化而變化。其測試原理和基本組成如圖1所示。根據(jù)接收到的回波時間、幅度和波形等信息，可判定地下介質的結構與埋藏體的位置與形態(tài)【3】。

式中：t—脈沖波走時（ns）；h—目標深度（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為介質相對介電常數(shù)。

圖1　地質雷達探測原理示意圖

2　不同介質的雷達反射波特征

2.1鋼筋的雷達反射波圖像

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

可見，電磁波在混凝土等媒質預埋鋼筋探測時的波形特征為：當天線中心位于鋼筋正上方時，反射能量最強；同相軸連續(xù)，外型呈雙曲線形態(tài)；鋼筋位于雙曲線頂點且與初始相位反相；雙曲線兩翼是由雷達天線發(fā)射圓錐形電磁波所引起，該信號對深部信號分析形成干擾。

圖2　鋼筋的雷達反射波圖像

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　破碎巖體的雷達反射波圖像

2.2破碎巖體的雷達反射波圖像

圖3是用主頻為100MHz的天線在破碎巖體上采集到的雷達反射波圖像。

可見，電磁波在破碎巖體上的波形特征為：反射波波形雜亂，能量強弱無規(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；當電磁波穿透破碎帶時，高頻成份衰減較緩慢。

3　結語

理論研究和實踐應用均表明，探地雷達資料解釋精度的高低，既取決于使用者對探地雷達技術的基本理論和信號處理等有關知識的掌握程度，也取決于使用者對多種地下目標體的探地雷達圖像特征和異常信號識別技術的研究程度，后者對探地雷達資料解釋的指導作用更直接具體【4】。因此，系統(tǒng)地研究典型地下目標體的雷達反射波的圖像特征，對于提高探地雷達資料解釋的精度和可靠性，不斷拓展探地雷達技術的應用領域具有重要意義。

但是探地雷達技術也有其局限性，以下3個問題是制約探地雷達技術向前發(fā)展的因素：

（1）探測距離與分辨率的矛盾；

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

（3）所獲得的被探測對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.探地雷達方法與應用 [M].北京：地質出版社，1994.

[2]王惠濂,李大心.脈沖時間域探地雷達講座 [J].國外地質勘探技術，1989.

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

[4]北京鑫衡運公司，Reflexw軟件使用指南

P412.25[文獻碼]B

1000-405X（2016）-9-119-1