一发多收式探地雷达探测效果理论对比研究

刘 惠 祥

(南昌市城市规划设计研究总院，330038，南昌)

0 引言

探地雷达是一种浅层地球物理勘探技术[1]，其根据地下介质的电性参数差异，利用天线发射和接收高频电磁波来探测介质内部物性特征和分布规律。与其他地球物理勘探方法相比，探地雷达在实际探测过程中体现出了操作便捷和高分辨率等优势，因此在近地表工程勘探中得到了广泛应用。

探地雷达常采用剖面法进行数据采集，一个发射天线和一个接收天线(单发单收)以固定距离沿测线方向逐点测量，在同一观测点上进行共中心点测量，观测数据通过偏移成像获取空间信息。但这种采集方式能够利用的信息较少、采集效率较低，并且在识别目标信号和干扰信号方面存在着一定的难度。在地震勘探中，为增强有效信号、压制干扰而采用了单炮多次覆盖技术。弹性波和电磁波具有相似的波动特性[2]，因此可以尝试将单炮多次覆盖技术引入探地雷达探测中。

基于以上问题，本文对于一发多收式探地雷达的探测理论效果进行研究，借助地震勘探中的数据处理方式，采用正演模拟测试其效果，并与传统的单发单收采集方式进行对比，以期在保证高效采集效率的前提下，获得更高的抗干扰能力和信噪比，得到更加精确的探测剖面。

1 原理方法

1.1 探地雷达与地震勘探工作原理

探地雷达与地震勘探反射波法同样都是根据介质的性质差异来进行探测，地震勘探利用地下介质的弹性差异，而探地雷达利用地下介质的电性差异[3]。同样在地面向地下空间中激发信号，当信号遇到介质性质差异较大的界面时发生反射，再由地面的接收器接收来自地下空间的反射信号，根据反射信号波形、双程走时和强度等参数的情况来推测地下空间介质的分布情况及其属性。所以，探地雷达探测方法与地震勘探中的反射波法具有较为相似的应用原理，电磁波与弹性波的波动方程具有相同的形式[4]，因此探地雷达可以借鉴地震勘探中已发展成熟的采集方法和数据处理方式。

1.2 探地雷达工作方法

剖面法中，是由一个发射天线和一个接收天线以固定的间距沿着测线逐点移动。每次采集时，发射天线向地下发射电磁波，接收天线接收来自地下介质的反射信号，每完成一次激发，按照观测系统中所设定的步距同时移动激发天线和接收天线，进行下一次采集，当天线收发距为0时，为目前较为常用的自激自收的数据采集方式，如图1(a)所示；一发多收法借鉴地震勘探中的反射波法，采用一个发射天线和多个接收天线沿测线放置，接收天线以固定的道间距布设，每激发一次，多个接收道同时接收来自地下多点的反射信号，每次采集结束后，将发收天线共同沿着测线移动，进行下一次数据采集，如此滚动激发采集到来自地下介质丰富的反射信号，如图1(b)所示。

图1 数据采集示意图

下面将通过正演模拟来对传统的自激自收式方法和本文提出的一发多收式方法的探测效果进行对比。

2 地震正演模拟

一发多收式探地雷达方法是借鉴了地震勘探中的观测方法，因此首先要在地震勘探中验证一发多收式方法的优越性。本节对2种观测方式进行地震正演模拟以及数据的处理，对比分析数据采集和数据处理(动校正、叠加、偏移)过程和结果，在理论上体现出一发多收观测方式的优势。

2.1 模型的设置

利用地震勘探中正演及数据处理软件Tesseral进行模拟，设置图2(a)中具有3层介质的地下模型，记为模型1，从上至下层速度依次为2 000 m/s、2 800 m/s、4 000 m/s，在第2、第3层分界面设置2个速度为400 m/s的空洞，水平方向上范围分别约为450～550 m、850～950 m；图2(b)为模型2的示意图，与模型1分层情况、层速度以及异常体速度保持一致，在第1、第2层分界面设置一个空洞，水平范围大概为450～550 m。在第2、第3层分界面设置一个空洞，水平范围大概为400～600 m。

对于以上2种模型，采用2种观测方式进行正演模拟。自激自收观测系统中道距和炮距均为20 m，共放70炮，完成水平方向上0～1 400 m的探测。一发多收观测系统中道距和炮距同样为20 m，每组排列设置70个检波器，共放50炮，最高达到35次覆盖。

图2 模型示意图

2.2 动校正及叠加处理

动校正是为了消除炮检距对反射波旅行时的影响，使后续水平叠加处理中能够更加具有压制干扰的能力。而叠加是为了压制多次波，突出有效波，提高地震数据的信噪比。

应用tesseral软件中的数据处理包，分别对2个模型，以2种观测方式得到的模拟数据进行动校正和水平叠加处理。图3、图4分别为模型1、模型2的2种观测方式叠加剖面。

图3 模型1

图4 模型2

以上2组模型实验，2种观测方式对于水平方向上的2个异常体均有明显响应，且对2个异常体区分度较好。对比2个剖面，自激自收剖面中存在较多且较为明显的干扰波，在一定程度上削弱了异常体的响应信号；一发多收经动校正和水平叠加处理后，在一定程度上压制了多次波，使地下空洞的响应更加明显。

综合以上可以得知，选择一发多收以实现多次覆盖的观测方式，经动校正及水平叠加处理可以压制多次波，提高信噪比。但叠加剖面并不能反映异常体的真实位置，所以接下来需要对于3个模型的模拟数据进行偏移处理。

2.3 偏移处理

对模型1的2个叠加剖面进行偏移处理后如图5，2个偏移剖面均能够区分出2个空洞。但相比于自激自收，一发多收压制干扰的能力更强，对于异常体的响应相应更强，且效率更高，在水平方向上具有较好的分辨能力。

图5 模型1

模型2经偏移处理后如图6，自激自收仍然存在一些较为明显的干扰，且只能将位于上方的空洞归位到其实际位置，而一发多收压制干扰的能力更强，且可以将2个空洞准确归位到真实位置，使绕射波收敛，相比于自激自收，一发多收在垂直方向上具有更好的分辨能力。

图6 模型2

综合以上可以发现，地震勘探中的一发多收通过动校正及水平叠加处理能够在一定程度上压制干扰，经偏移处理能够使目标体的反射归位到其真实空间位置。相比于自激自收，对异常体的响应更加清晰、真实，在水平和垂直方向上均能够对异常体有良好的区分。接下来将其应用于探地雷达中，并与传统的自激自收方法进行效果对比。

3 探地雷达正演模拟

使用GprMax来进行探地雷达数值模拟。由于电磁波能量衰减较快，为了能够对地下局部异常体有更好的响应效果，模型中不再设置多层介质，均设置为含有地下空洞的单层介质模型。2个模型除异常体位置外，其余参数均相同，见图7(a)、图7(b)所示。

模型1中设置2个相同深度相同大小的空洞异常，水平方向上范围分别为1.8～2.0 m、2.4～2.6 m，两空洞中心点深度为0.5 m。模型2中设置2个大小不同但顶层深度相同的空洞异常，左侧较小空洞和右侧较大空洞水平方向上范围分别为1.8～2.0 m、2.3～2.7 m，两空洞顶层深度为2.4 m。

为进行动校正、水平叠加和偏移处理，首先需要将探地雷达模拟数据转换为地震处理软件可以读取的segy格式，同样选用TesseralTM地震正演软件中的数据处理包对一发多收探地雷达模拟数据进行处理；其次同上文第2节地震勘探处理流程相同，将转换后的数据进行动校正和水平叠加处理，得到叠加剖面；最后，进行偏移处理，得到2个模型的2种偏移剖面。

图7 探地雷达模型示意图

对于模型1，经动校正、水平叠加、偏移处理后如图8(a)和图8(b)，自激自收剖面中，异常体反射未能清晰地归位到其真实范围，并不能明确地反映异常体的位置。一发多收剖面中，绕射波收敛，来自异常体的反射归位到其真实位置，剖面中所反映的异常体范围与模型中空洞设置范围相符合，对于水平方向上2个大小相同的空洞能够明显区分，并且剖面较为清晰。

图8 模型1

对于模型2，经动校正、水平叠加、偏移处理后如图9(a)和图9(b)，自激自收剖面中绕射波收敛，但与模型1相同，来自异常体的反射并没有清晰地归位，难以明显地观察到并且从剖面中可以看到2个异常体的反射范围。一发多收剖面中，与模型对比均可发现，2个不同大小空洞的反射已经归位到其真实存在范围上，剖面所反映的异常体大概位置与模型相符合，剖面比较清晰，并且对于水平方向上2个不同大小空洞的尺寸范围有一个明显的区分。

图9 模型2

综合以上，地震勘探的数据处理方法在一发多收式探地雷达的数据处理上可以得到很好的应用，在一定程度上提高了剖面质量，压制了干扰，突出了有效波成分。探地雷达可以采用一发多收的采集方式，同时也可以采取地震勘探中动校正、水平叠加和偏移的处理方式对采集数据进行进一步的处理以达到更好的探测效果。

4 结论

本文基于弹性波和电磁波波动理论的相似性。首先设置几种含有地下空洞的模型，在弹性波场下进行正演模拟，对模拟数据进行动校正、水平叠加和偏移处理，对比处理后剖面发现：一发多收的地震数据经叠加处理后能够压制多次波，突出有效波；经偏移处理后可以使绕射波收敛，同时可以使异常体的反射归位到其真实位置。在已有地震模拟的理论基础上，设置几种含有地下空洞的地电模型，基于时域有限差分法，在电磁波波场下进行数值模拟计算，并对模拟数据进行动校正、水平叠加和偏移处理，对比处理后剖面发现：一发多收的探地雷达模拟数据在叠加处理后，的确提高了剖面的信噪比，有效信号相对增强。在偏移处理后，绕射波得到收敛，异常体的反射也归位到真实位置。综合以上，可以得到以下结论。

1)一发多收式探地雷达通过动校正、水平叠加和偏移处理后可以压制干扰信号，突出有效信号，提高剖面的信噪比，同时可以较为准确地反映目标体的真实位置。

2)与自激自收相比，一发多收的工作量更小，具有更高的采集效率和信噪比，目标体的响应更加清晰。