高频电磁波在不同介质中的反射波图像分析

■李军锋

（河南省煤田地质局一队　河南　新郑　451150）

高频电磁波在不同介质中的反射波图像分析

■李军锋

（河南省煤田地质局一队河南新郑451150）

地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）技术是通过识别高频电磁波在介质中的反射波信号特征来推断地质体的空间赋存状态。本文以钢筋混凝土、破碎带等目标体为例，分析了其雷达反射图像的特征，总结了高频电磁波在不同介质的反射特征，提高了对地质雷达反射信号的研读能力和解释精度。

地质雷达反射波特征分析

0　引言

地质雷达(又称探地雷达)是一种广谱电磁波技术，采用高频宽带电磁波对地下介质进行扫描，以确定目标体的结构形态及其空间赋存状态的一种地球物理方法【1】。作为一种较新的地球物理方法，地质雷达在近10年的时间内逐渐成熟起来。该方法以其操作简便和自动化程度高、图像直观、分辨率高、成果解释可靠等优点在众多物探方法中占有重要地位，在浅层地质调查中有着非常广泛的应用领域，如探测采空区，隧道施工的超前预报，查找基岩面、覆盖层厚度，查找潜伏断层、破碎带、古溶洞以及地下掩埋物(管道、电缆、金属目标等)、管道沟、涵洞等效果显著。

目前在地质雷达反射波图像的识别（即异常特征判别）方面主要采用目视判读的方法，得出被探测目标体的形状、大小及空间赋存位置。本文通过对隧道建设中的一些常见地质问题的地质雷达发射波图像的特征进行分析，以提高对地质雷达反射波图像的判读能力和解释准度【2】。

1　探地雷达工作原理

探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术。其利用天线向地下发射电磁脉冲，并接收由地下不同介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质（如介电常数εr）及几何形态的变化而变化。其测试原理和基本组成如图1所示。根据接收到的回波时间、幅度和波形等信息，可判定地下介质的结构与埋藏体的位置与形态【3】。

式中：t—脉冲波走时（ns）；h—目标深度（m）；x—发射天线与接收天线的距离（m）；v—电磁波波速（m/ns）。

式中 c=0.3m/ns (光速)，εr为介质相对介电常数。

图1　地质雷达探测原理示意图

2　不同介质的雷达反射波特征

2.1钢筋的雷达反射波图像

在对钢筋混凝土建筑的质量检测中，对钢筋的数量及分布状态检测是一个非常重要的方面。图2是用主频为900MHz的天线在隧道质量检测中采集到的钢筋图像，图中红点是钢筋所在位置。

可见，电磁波在混凝土等媒质预埋钢筋探测时的波形特征为：当天线中心位于钢筋正上方时，反射能量最强；同相轴连续，外型呈双曲线形态；钢筋位于双曲线顶点且与初始相位反相；双曲线两翼是由雷达天线发射圆锥形电磁波所引起，该信号对深部信号分析形成干扰。

图2　钢筋的雷达反射波图像

因此，根据以上特征，完全可以清晰地判断钢筋的数量及空间分布状态。

图3　破碎岩体的雷达反射波图像

2.2破碎岩体的雷达反射波图像

图3是用主频为100MHz的天线在破碎岩体上采集到的雷达反射波图像。

可见，电磁波在破碎岩体上的波形特征为：反射波波形杂乱，能量强弱无规律性；反射波相位同相且不连续，在剖面图上不能够追踪到连续的同相轴；当电磁波穿透破碎带时，高频成份衰减较缓慢。

3　结语

理论研究和实践应用均表明，探地雷达资料解释精度的高低，既取决于使用者对探地雷达技术的基本理论和信号处理等有关知识的掌握程度，也取决于使用者对多种地下目标体的探地雷达图像特征和异常信号识别技术的研究程度，后者对探地雷达资料解释的指导作用更直接具体【4】。因此，系统地研究典型地下目标体的雷达反射波的图像特征，对于提高探地雷达资料解释的精度和可靠性，不断拓展探地雷达技术的应用领域具有重要意义。

但是探地雷达技术也有其局限性，以下3个问题是制约探地雷达技术向前发展的因素：

（1）探测距离与分辨率的矛盾；

（2）多次波及其他杂波干扰严重，原始记录的信噪比低，有效波的识别及其成果解译十分困难；

（3）所获得的被探测对象的空间信息量太少，其资料的解释往往存在多解性。

[1]李大心.探地雷达方法与应用 [M].北京：地质出版社，1994.

[2]王惠濂,李大心.脉冲时间域探地雷达讲座 [J].国外地质勘探技术，1989.

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

[4]北京鑫衡运公司，Reflexw软件使用指南

P412.25[文献码]B

1000-405X（2016）-9-119-1