浅淡地质雷达在工程勘察中的干扰因素及图像特征

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第 24 卷第 5 期 2000 年 10 月

物　 　 　 　 探 与 化 探
GEOPH YSICAL & GEOCHEM ICAL EXPLORA TION

Vol. 24 ,No. 5 Oct . ,2000

浅淡地质雷达在工程勘察中的 干扰因素及图像特征
兰樟松 ,张虎生 ,张

炎孙 ,孙文才
( 江西省地球物理勘察技术院 ,江西 新余 　 338000)
摘要 : 介绍了地质雷达在工程勘察中的几种干扰因素 ,并对一些主要干扰因素图像特征及其形成 原因进行了分析 ; 对如何抑制干扰提出了一些具体措施 , 为工程勘察地质雷达的资料解释提供了 可供借鉴的基础资料 。 关键词 : 地质雷达 ; 工程勘察 ; 干扰因素 ; 图像特征 中图分类号 : P631. 3 　　 文献标识码 : A 　　 文章编号 : 1000Ο 8918 ( 2000) 05Ο Ο 387 05 ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

地质雷达探测的目标体是地下介质中可能存在的未知性质的地质体 ,面对的是一个未知 的背景场 ,由于其使用的是高频脉冲电磁波 ,一些较小的形体都会引起异常 ,尤其是浅部不均 匀体 、 低阻体 ( 如金属) ,加之又存在外部干扰 ,使得雷达记录更具复杂性 。 地质雷达接收的波主要有以下几种 :1. 空气直达波 ,俗称首波 ;2. 沿自由空气界面传播的 直达波 ,又叫地面波 ;3. 地下和空中不同界面的反射波 ;4. 临界折射波 ;5. 外场电磁波 。在工程 勘察中 ,尤其是使用非屏蔽天线进行工作时 ,上述几种波基本同时并存 ,我们需要解释的是来 自地下界面或地下探测目标体的反射波和首波 ,其它出现在记录上的波都会对有效波形成干 扰 ,给解释推断工作造成困难 。现笔者就工作中遇到的来自地面和空中的主要反射干扰波的 特征作一分析 ,意在抛砖引玉 。

1　 雷达探测原理

地质雷达是应用脉冲电磁波来探测隐蔽介质的分布和目标物 。当发射天线向地下发射高 频宽带短脉冲电磁波时 ,遇到具有不同介电特性的介质就会有部分电磁波能量返回 ,接收天线 接收反射回波并记录反射时间 。电磁波在介质中的传播路径 — 波形将随所通过的介质的电性 质及几何形态而变化 ,根据接收到波的旅行时间 ( 亦即双程走时) 、 、 幅度 频率与波形变化资料 , 可以推断介质的内部结构以及目标的深度 、 形状等 。其原理决定了在地质雷达的有效探测深 度范围内 ,与其它物探方法相比具有较高的分辨率和准确率 。正由于地质雷达使用高频脉冲 电磁波 ,导致测线 ( 点) 近旁或地下浅部的不均匀体 、 侧面凸起物产生的干扰波均会叠加到有效 信号之上 ,形成复合波 ,使雷达记录更加复杂 。

2　 地质雷达相关干扰因素图像特征
2. 1 　 测线近旁的大树或树枝干扰

雷达天线电磁波辐射是全空间的 ,尽管其辐射具有一定的方向性 ,对电磁波来说 ,空气属
收稿日期 :2000Ο Ο 2 25

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无耗介质 ,微弱的电磁辐射都会在空中传播很 远 。当测线近旁存在大树或上方有树枝 ,尤其 是枝叶茂盛 、 华冠盖项的大树 , 将会成为雷达 记录的干扰源 ( 图 1) 。树或树枝在记录上的波 组特征表现为低频 、 杂乱 、 信号强 。在变密度 波形记录上会形成大片的黑斑 ,一般不形成规 律异常 , 其对记录的影响范围局限于大树近 旁 ; 如果是枝叶茂盛的大树 ,则另当别论 ,它在 记录上会形成双曲线异常 , 信号强 , 相位数亦 多 ,其干扰范围略宽 , 其出现的时间可根据枝 叶的高度按电磁波在空气中的传播速度准确 计算 ,较好识别 。如采用屏蔽天线工作 , 其干 扰可得到一定程度的抑制 。 图1　 树枝干扰的地质雷达图像 2. 2 　 测线附近建筑物的干扰 　　 建筑物的干扰有 2 种情况 ,一种是建筑物的走向与天线的极化方向平行 ,另一种情况是其 走向与天线的极化方向垂直 。相对来说 ,天线极化方向与建筑物走向平行要比垂直的情况下 严重得多 。若一旁有建筑物 ,当天线与建筑物走向平行时 ,其干扰在雷达记录上形成一组同相 性好 、 信号强 、 相位较多 、 频率近于测量所用主频的侧面反射波 ,其速度同电磁波在空气中的速 度约 0. 3 m/ ns 。天线至建筑物的距离参数已知 ,其侧面反射波出现的时间可通过计算得出 , 形成一条射线 ,随着天线与建筑物的远离 ,射线单调下降 ,能量逐渐衰减 。在不明真相的情况 下 , 易与地下界面的反射波相混 ; 若两旁均有 建筑物且天线极化方向与其走向平行 , 这时建 筑物会形成多次反射 、 叠加 ,而且相位多 ,形成 类似天线因耦合不好的振荡干扰图像 ,其信号 能量强至充满整个记录时窗 ,使雷达记录面目 全非 。图 2 测线两旁有建筑物 ,天线极化方向 与建筑物走向平行 , 其干扰相当严重 , 自始至 终出现于整个记录时窗 ,在 200 ns 左右出现的 地层波组几乎无法辨认 。由于干扰波信号极 强 ,后处理也很难排除 。在进行雷达探测时必 须注意这个问题 ,应尽量避免天线的极化方向 与建筑物走向平行 。若天线的极化方向与建 筑物的走向垂直 , 可以在一定程度上抑制干 扰 ,探测效果能得到一定的改善 。 2. 3 　 地形干扰图像特征

图2　 测线近旁建筑物干扰的地质雷达图像

地形干扰异常较复杂 ,这里只说明类坎状地形和地面不平而引起的耦合干扰 。 2. 3. 1 　 类坎状地形干扰 坎状地形引起的异常会在雷达记录上产生 2 组交叉的特征波 ,其信号能量强 ,相位数多 , 其波传播的视速度既不是空气中电磁波的速度 ,也不是地下介质中电磁波的速度 ,而是介于两 者之间 ,其速度在 0. 2～0. 25 m/ ns ,它是沿自由表面传播的地面波 ,其出现的时间与天线距坎
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边的距离相关 。单坎 ,其波组呈倒 V ” , 其顶点对应于坎边 , 波组顶部往往与直达波复合 , “ 型 “V ” 型不明显 ,在记录上呈明显的 “八” 字型 ( 图 3 ) 。 “凸” 型坎波组形状在记录上呈 X” , 在 “ 型 两三个相位之后 ,两组波相互干涉在一起 ,形成水平状 ( 图 4 ) 。这种地形对有效信号引起的干 扰特别严重 ,造成有效反射信号无法辨认 。

图3　 测线垂直穿过陡坎的地质雷达图像

图4　 测线穿过 “凸” 型坎的地质雷达图像

2. 3. 2 　 地面不平引起的干扰图像

局部地形变化 , 改变了雷达波的辐射特 征 ,并引起电磁波的散射和漫射 。当地面不 平 ,存在小沟或石块等杂物 , 天线不能很好地 与地面接触 , 造成天线与地面阻抗不匹配 , 能 量不能有效地耦合传输到地下 ,使电磁波在地 面与天线间形成振荡 , 严重影响图像质量 , 甚 至得不到任何有效信号 。由于天线耦合不好 而引起的干扰波 , 在记录自始至终都存在 , 其 频率接近工作主频 ,信号强 ,衰减慢 ,像无阻尼 振荡 ( 图 5 ) 。如果天线垂直离开地面一定距 离 ,其干扰现象可以得到一定程度的抑制 , 但 图5　 地面耦合不好的地质雷达图像 直达波的相位数亦会增多 ,辐射到地下的能量 也会衰减 。 2. 4 　 空中输电线干扰图像特征 　　 当雷达测线垂直通过输电线 ,天线的极化方向与输电线方向平行时 ,输电线引起的干扰呈 双曲线型 ,其顶点正对于输电线的下方 , 尤其是高压输电线 , 其影响范围远达 50 ～ 80 m ,信号 强、 相位多 。电线的高度可以根据空气中电磁波的速度和其顶点在剖面上出现的时间准确算 出 。若是民用照明线 、 通讯线等 ,其一般线径相对细 ,线数相对少 ,其影响的范围一般也较小 , 相位数也较少 。如果天线极化方向与输电线垂直 ,则其干扰就小得多 ,在记录表现为某一时刻 出现的波组 ,其出现的时间可以计算出 。
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3　 结论
1. 雷达波的干扰因素远比弹性波的干扰

因素来得复杂 , 可以说 , 地表上任何有形物体 都可能成为其干扰源 ,更有空中无所不在的调 频台 、 电视台 、 电台等各种发射器发射的或来 自外太空的电磁波 ,后一种往往表现为自始至 终存在或在某一时刻出现 , 其干扰较为均匀 , 而前一种则因地而异 ,因方法技术而异 。 2. 地表或空中的有形物体在雷达记录上

图6　 输电线干扰图像

引起的干扰现象 ,一般容易识别 ,但难以消除 。要求在实际测量过程中 , 要认真记好班报 。对 测线近旁或空中的干扰源能移开的尽量移开 ,能避免的尽量避免 ,对不能移开又无法避免的干 扰源出现的位置 、 、 距离 性质及其形态特征要注记清楚 ,以免将其误认为有效波 。 3. 对某些干扰波 ,通过选择适当的方法技术 ,可以在一定程度上得到抑制 ,消除一些杂乱 回波的干扰 ,使图像质量得到改善 。 参考文献 :
[1] 　 李大心编著 . 探地雷达方法与应用 [ M ] . 北京 : 地质出版社 ,1994. [2] 　 杜树春 . 地质雷达及其在地质环境中的应用 [J ] . 物探与化探 ,1996 ,20 (5) :384 — 392. [3] 　 肖兵 ,周翔 ,汤井田 . 探地雷达技术及其应用和发展 [J ] . 物探与化探 ,1996 ,20 (5) :378 — 383.

A TENTATIVE D ISCUSSION ON INTERFERENCE FACTORS AND IMAGE CHARACTERISTICS IN THE APPL ICATION OF GEOLOGICAL RADAR TO ENGINEERING EXPLORATION
LAN Zhang2song ,Zhang Hu2sheng ,ZhAN G Yan2sun ,SUN Wen2cai
( I nstit ute of Geophysical Ex ploration of Jiangxi Provi nce , Xi ny u 　 338000 , Chi na)

Abstract :This paper describes in brief some interference factors in t he application of geological radar to engineering exploration , makes an analysis of image characteristics of interference factors and causes for t heir formation ,suggests logical radar data in engineering exploration. some measures for suppressing t hese interference factors , and provides some basic data for t he interpretation of geo2 Key words :geological radar ;engineering exploration ;interference factors ; image characteristics

第一作者简介 : 兰樟松 ( 1954 - ) ,46 岁 ,男 ,1977 年毕业于长春地质学院物探系石油物探专业 , 高级工程师 ,
1994 年始任江西地矿局第二物探大队副大队长 、 江西省地球物理勘察技术院院长 ,主要从事地震 、 工程物探

生产技术管理工作 。

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