地質(zhì)雷達講義-基本理論.docx

鐵路高新技術(shù)與應用技術(shù)培訓教材 工程質(zhì)量地質(zhì)雷達檢測技術(shù)鐵路高新技術(shù)與應用技術(shù)培訓教材工程質(zhì)量地質(zhì)雷達檢測技術(shù)鐵道部鐵路繼續(xù)教育高新技術(shù)基地鐵道科學研究院繼續(xù)教育培訓中心23 鐵路高新技術(shù)與應用技術(shù)培訓教材 工程質(zhì)量地質(zhì)雷達檢測技術(shù)目 錄MU LU 第一章 探地雷達概論11.1 概述11.2 方法原理41.3 解釋原理91.4 應用與發(fā)展10第二章 有耗媒質(zhì)中電磁波的傳播特性122.1 單色水平電偶極子源的輻射場122.2 巖礦石的電磁參數(shù)152.3 脈沖偶極子源202.4 結(jié)語24第三章 探地雷達在探查地基和路基方面的應用253.1 探查地基方面的應用253.2 探地雷達在鐵路路基檢測中的應用34第四章 隧道襯砌質(zhì)量的檢測594.1 探地雷達檢測隧道襯砌的原理及技術(shù)594.2 探地雷達的資料處理及探查效果654.3 無損電測噴射混凝土層厚度的方法744.4 襯砌混凝土強度的檢測77第五章 探地雷達在公路道路檢測中的應用及研究785.1 公路道路評價785.2 鐵路路基雷達檢測應用研究835.3 一維濾波865.4 雷達初至波的確定995.5 道路脫空雷達波數(shù)字模擬及解釋策略1025.6 基于時間窗譜剖面技術(shù)的病害解釋方法研究1105.7 基于滾動譜剖面技術(shù)的病害解釋方法研究116第六章 探地雷達在隧道地質(zhì)預報探水中的解釋資料問題1306.1 地下水對雷達波的反射波的特點1316.2 實例133參考文獻140第一章 探地雷達概論1.1 概述 雷達探測技術(shù)用于地下，是一項提出較早的課題。然而只是在高頻微電子技術(shù)以及計算機數(shù)據(jù)處理方法迅速開發(fā)的近代，這項技術(shù)才獲得本質(zhì)性的進展。今天，探地雷達不僅在探測裝備上高度集中了現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域的成就而得到了極大的改善，它的應用領(lǐng)域也正在迅速開拓。美國、加拿大、日本以及西歐等國正大力開發(fā)這一技術(shù)，服務業(yè)務也日益增多。有關(guān)該項技術(shù)方面的應用成果和文章，已頻繁地出現(xiàn)在一些期刊、專門會議文集以及各種地球物理國際學術(shù)會議的報告中。1992年在芬蘭召開的第四屆探地雷達國際會議上，提交優(yōu)秀論文45篇，并已匯集成冊。目前我國也有不少部門，包括地礦、水電、煤炭、鐵道等單位正在開展這一技術(shù)的試驗和應用。 與探空或通訊雷達技術(shù)相類似，探地雷達也是利用高頻電磁脈沖波的反射探測目的體及地質(zhì)現(xiàn)象的，只是它是從地面向地下發(fā)射電磁波來實現(xiàn).探測的，故亦稱之為地質(zhì)雷達。將雷達原理用于探地，早在1910年就已提出，當時德國的G.Leimback和Lowy曾以專利形式闡明這一問題。以后J.C.Cook在1960年用脈沖雷達，在礦井中做了試驗。但是,由于地下介質(zhì)比空氣具有強得多的電磁波衰減特性，加之地下介質(zhì)情況的多樣性，波在地中的傳播特性比在空氣中要復雜得多。因此，探地雷達的初期應用僅限于波吸收很弱的冰層、巖鹽礦等介質(zhì)中。如s.Evans1963年用雷達測量極地冰層的厚度；Harrison 1970年在南極冰面上取得了穿透8002200m的資料；1974年L.T.Procello用雷達研究月球表面結(jié)構(gòu)；Unbterberger探測冰川和冰山的厚度等。隨著儀器信噪比的大大提高和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應用，70年代以后，探地雷達的實際應用范圍迅速擴大，其中有：石灰?guī)r地區(qū)采石場的探測(1971年Takazi；1973年Kitahra)、二程地質(zhì)探測(1974年R.M.Morey；1976年，1977年A.P.Annan和J.L.Davis，1978年01hoeft，Dolphin等，1979年Benson等)、煤礦井探測(1975年J，C.Cook)、泥炭調(diào)查(1982年C.P.F.Ulri ksen)、放射性廢棄物處理調(diào)查(1982年D.L.wright，R.D.Watts；1985年0.Olsson)以及地面和鉆孔雷達用于地質(zhì)構(gòu)造填圖、水文地質(zhì)調(diào)查、地基和道路下空洞及裂縫調(diào)查、埋設物探測和水壩、隧道、堤岸、古墓遺跡探查等(19821987年加拿大、日本、美國、瑞典等報道)。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在的探地雷達設備早已由龐大、笨重的結(jié)構(gòu)改進為現(xiàn)場適用的輕便工具。目前，已推出的商用探地雷達有：美國地球物理探測設備公司(GSSI)的SIR系列，微波聯(lián)合公司(M/ACom，Inc.)的Terrascan MK系列，日本應用地質(zhì)株式會社(0Y0公司)的GEORADAR系列，加拿大探頭及軟件公司(SSI)的PulseEKKO系列，瑞典地質(zhì)公司(SGAB)的RAMAC鉆孔雷達系統(tǒng)等。這些商用的探地雷達所使用的中心工作頻率在101000MHz范圍，時窗在O20000ns。據(jù)報道，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，地面系列的探測深度約在3050m，分辨率可達數(shù)厘米，深度符合率小于5cm。探地雷達由于采用了寬頻短脈沖和高采樣率，使其探測的分辨率高于所有其它地球物理探測手段，又由于采用可程序高次疊加(多達4000次)和多波形處理等信號恢復技術(shù)，因而大大改善了信噪比和圖像顯示性能。今后的趨勢是向多天線高速掃描接收和進一步改善天線對各種目的體的回波響應性能，以實現(xiàn)更精確、小尺寸、高工效、低成本以及圖像聯(lián)系真實地質(zhì)情況等總的要求。 理論研究方面，目前仍相對地集中在信號處理上。這是因為探地雷達所接收到的信號十分復雜，脈沖在通過地下介質(zhì)的過程中，波形和波幅將發(fā)生較大的變化，而脈沖余振、系統(tǒng)內(nèi)部干擾、地表不光滑或地下介質(zhì)不均勻等引起的散射以及剖而旁側(cè)的繞射等干擾，均使得實時記錄圖像多變和不易分辨、但是當前的信號處理還只限于時問波形處理，如從單次測量結(jié)果中減去平均波形以壓低噪聲和雜亂回波、采用時變增益以補償介質(zhì)吸收和抑制深部噪聲、用頻率濾波以剔除不必要的干擾頻率等。除此之外，還研究采用了聚焦技術(shù)，以集中目的體的空間向應：采用訊號增強以及預反褶積等數(shù)值處理技術(shù)，以加強近地表被強初至模糊了的反射體波形特征等。為了識別圖像或?qū)D像進行地質(zhì)解釋，除了在簡單形體正演基礎(chǔ)上大多采用人工判讀方法外，正在開展專家系統(tǒng)技術(shù)的有關(guān)研究。和地震勘探工作相似，探地雷達探測體的正反演研究也正在進行之中。 我國的探地雷達儀器研制始于70年代初期。地質(zhì)礦產(chǎn)部物探研究所、煤炭部煤炭科學院重慶分院，以及一些高等院校和其它研究部門均做過探地雷達儀器研制和野外試驗工作。當時使用的是同點天線，以高頻示波器顯示回波，直接讀取初至或照相記錄波形。但由于種種原因，這一技術(shù)未能正式用于實際?，F(xiàn)在，國家地震局、水電勘測設計部門、煤炭部門、鐵道部門、黃河水利委員會有關(guān)部門以及中國地質(zhì)大學(武漢)相繼引進了國外的儀器，探地雷達的應用和理論研究工作也正日益擴展。中國地質(zhì)大學(武漢)在國家自然科學基金資助下，于1991年開始進行了探地雷達地下目的體的正反演研究工作，完成了大量的物理模擬和數(shù)值模擬的實驗和計算工作，為現(xiàn)場應用中資料解釋和進一步的理論研究奠定了基礎(chǔ)。為配合研究工作相1990年開始，該校在短短的兩年半時間內(nèi)完成了8個省、自治區(qū)和直轄市5類巖土對象的30余個工程工區(qū)、包括眾多地質(zhì)問題的現(xiàn)場探測。本專輯將系統(tǒng)地介紹該校在理論和應用方面的最新成果。今天，可以說，探地雷達的下列技術(shù)特性已為其開拓應用領(lǐng)域，尤其是在工程地質(zhì)領(lǐng)域的應用鋪平了道路：(1) 探地雷達是一種非破壞性的探測技術(shù)，可以安全地用于城市和正在建設中的工程現(xiàn)場。工作場地條件寬松，適應性強(對于輕便類的儀器)；(2) 抗電磁干擾能力強，可在城市內(nèi)各種噪聲環(huán)境下工作，環(huán)境干擾影響??；(3) 具有工程上較滿意的探測深度和分辨率.現(xiàn)場直接提供實時剖面記錄圖，圖像清晰直觀；(4) 便攜微機控制數(shù)字采集、記錄、存儲和處理。輕便類儀器現(xiàn)場僅需3人或更少人員即可工作，工作效率高。當然，由于使用了高頻率，電磁波能量在地下的衰減劇烈，因而在高導厚覆蓋條件下，探測范圍受到限制。1.2 方法原理探地雷達利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至千兆赫)以寬頻帶短脈沖形式，田地面通過天線T送入地下，經(jīng)地下地層或目的體反射后返回地面，為另一天線R所接收(圖1-1)。脈沖波行程需時：。當?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時，可根據(jù)測到的精確的t值(ns，1ns=lO-9s)。由上式求出反射體的深度(m)。式中x(m)值在剖面探測中是固定的：v值(m/ns)可以用寬角方式直接測量，也可以根據(jù)近似算出(當介質(zhì)的導電率很低時)4，其中c為光速(c=0.3m/ns)，為地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)值，后者可利用現(xiàn)成數(shù)據(jù)或測定獲得。 圖1-1 反射探測原理 圖1-2 雷達記錄示意圖雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負峰分別以黑、白色表示，或者以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線即可形象地表征出地下反射面。圖1-2為波形記錄的示意圖。圖上對照一個簡單的地質(zhì)模型.，畫出了波形的記錄。在波形記錄圖上各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達剖面。與反射地震剖面相似，雷達剖面亦同樣存在反射波的偏移與繞射波的歸位問題。故雷達圖形也需作偏移處理。反射脈沖信號的強度，與界面的波反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的波吸收程度有關(guān)“垂直界面入射的反射系數(shù)R的模值和幅角，分別可由下列關(guān)系式表示：式中，和、分別為介質(zhì)的導磁系數(shù)、相對介電常數(shù)和電導率。角標1和2分別代表入射介質(zhì)和透射介質(zhì)。由關(guān)系式可以看出，反射系數(shù)與界面兩邊介質(zhì)的電磁性質(zhì)和頻率有關(guān)。很明顯，電磁參數(shù)差別大者，反射系數(shù)也大，因而反射波的能量也大。上式可以用作大致的數(shù)值估計。對于斜入射情況，反射系數(shù)將因波極化性質(zhì)而變，反射系數(shù)還與入射角大小有關(guān)。介質(zhì)的含水量一般也會對、值有所影響，含水多者、值變大，相應地，反射系數(shù)也會不同。波的吸收程度與衰減因子有關(guān)，表示為：當介質(zhì)的電導率很低時：這是一個與電磁參數(shù)有關(guān)的量，隨的增大而增大，隨的增大而減??；但介質(zhì)電導率高時，值則與、有關(guān)，而與幾乎無關(guān)。表1-1列出了常見介質(zhì)的有關(guān)參數(shù)。表1-1 常見介質(zhì)的物理量Table l Parameters value of common mediums介質(zhì)電導率(Sm)介電常數(shù)(相對值)速度(m/ns)衰減系數(shù)(dB/m)空氣010.30純水10-4310-2810.0330.1海水4810.01103冰1花崗巖(干)10-850.150.011花崗巖(濕)10-370.10.011玄武巖(濕)10-280.15(干)灰?guī)r(干)10-970.110.41灰?guī)r(濕)2.510-280.41砂(干)10-710-3460.150.01砂(濕)10-410-2300.060.030.3粘土(濕)10-118120.061300頁巖(濕)10-170.091100砂巖(濕)410-26土壤1.410-42.6150.130.172030()5.010-2400.095()0.15()肥土150.078混凝土6.40.12瀝青350.120.18探測的分辨率問題，是指對多個目的體的區(qū)分或小目的體韻識別能力。概括地說，這個問題決定于脈沖的寬度，即與脈沖頻帶的設計有關(guān)。頻帶越寬，時域脈沖越窄，它在射線方向上的時域空間分辨能力就越強，或可近似地認為深度方向的分辨率高，其關(guān)系式為：式中：Beff有效頻帶寬度；為分辨界面的有效波形之間的時間間隔。若從波長的角度來考慮，則工作主頻率越高(即波長短)，雷達反射波的脈沖波形就越窄，其分辨率應越高。實際應用中可以半波長為尺度來表明縱向分辨率。例如，對于100MHZ的中心頻率，在粘土中，波長=0.6m(以v=0.06m/ns計)，其分辨能力為0.3m。分辨率問題，尚應包含水平空間方向上的區(qū)分性概念。這個分辨能力，在很大程度上決定于介質(zhì)的吸收特性。介質(zhì)吸收越強，目的體中心部位與、邊緣部位的反射能量相對差別也越大，水平方向的分辨能力相對也就較強。吸收系數(shù)和探測深度d均較大時，可寫出關(guān)系式：式中為目的體水平方向的間距。當然；分辨率還與地下各個方向上脈沖波的能量分布情況，即天線的方向圖有關(guān)。此外，波的散射截面也對分辨率有影響，面介質(zhì)與目的體的物理性質(zhì)、工作頻率的大小以及目的體的埋深則與散射截面有關(guān)。因此，要了解雷達探測的實際分辨能力，需要根據(jù)不同的儀器通過具體試驗來進行。需要特別指出的是天線的極化性質(zhì)，對于線性極化的情形，有時在一些走向方位上接收信號的幅度為零，而圓極化輻射則可避免這一現(xiàn)象。因此，對于前一種極化性質(zhì)的天線，現(xiàn)場工作中必須配合天線試驗進行?，F(xiàn)場測量工作，通常采用剖面法(CDP)或?qū)捊欠?WARR)兩種方式。前者，發(fā)射天線和接收天線以固定間距(TR=z=D)沿探測線同步移動，記錄點位于TR的中點。天線距可由式估計(對于方向仍呈彎月形峰尖臨界角的天線)，式中D為目的體的深度。測量中測點間距應小于波長的l/4。對于寬角法，采用一個天線固定，移動另一個天線的方式，或者兩天線同時由一中心點向兩側(cè)反方向移動。此時記錄的是電磁波脈沖通過地下各個不同介質(zhì)層的雙程傳播時間，它反映地下成層介質(zhì)的速度分布。其圖形是以天線間距為橫坐標，雙程走時為縱坐標，.圖形以同相軸呈傾斜形態(tài)顯示，速度大者較緩，速度小者較陡。除了共深度法(剖面法)和寬角法以外，還有一種“多天線法(MAM)”。這種測量方式是利用多個接收天線，同時實現(xiàn)多點測量。但這種方法必須考慮天線的屏蔽，以避免直達波或泄漏波在天線之間多次反射造成的干擾。測量方式中尚有“透射法”這一形式，但用得較少。目前，各種探地雷達儀器的基本原理均類同。雷達控制電路產(chǎn)生一定間隔(3.3104l104ns即30lOOkHz的重復率)的一系列電磁短脈沖，由天線送入地下。這些脈沖的頻寬按探測分辨特性的要求設計，一般均具有甚寬的頻帶，以使脈沖波形尖銳。脈沖時寬為1Ons至12ns，脈沖峰值達100150V。接收天線(或分離式的或同點式的)檢測來自地下不同介質(zhì)界面的反射波(波形稍有變化)，送到控制電路，或進行直接數(shù)值采集(如EKKO儀)，或者經(jīng)一定的處理以后再做數(shù)值采集(如SIR儀)。各類探測儀均由微機控制，并配有數(shù)字處理和解釋軟件以及黑白(波形或灰階)或彩色圖形輸出設備(包括現(xiàn)場模擬顯示和打印成圖)，但各類設備的技術(shù)規(guī)格、結(jié)構(gòu)、重量等各有特點。1.3 解釋原理雷達探測資料的解釋，包含兩部分內(nèi)容，一為數(shù)據(jù)處理，二為圖像解釋。由于地下介質(zhì)相當于一個復雜的濾波器，介質(zhì)對波的不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性質(zhì)，使得脈沖到達接收天線時，波幅被減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差別。此外，不同程度的各種隨機噪聲和干擾波，也歪曲了實測數(shù)據(jù)，因此，必須對接收信號實施適當?shù)奶幚?，以改善?shù)據(jù)資料，為進一步解釋提供清晰可辨的圖像。 目前，數(shù)字處理主要是對所記錄的波形作處理。例如取多次重復測量的平均，以抑制隨機噪聲；取鄰近的不同位置的多次測量平均，以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；做自動時變增益或控制增益以補償介質(zhì)吸收和抑制雜波；做濾波處理或時頻變換以除去高頻雜波或突出目的體、降低背景噪聲和余振影響，或進一步考慮測域的一維、二維空間濾波，設計與脈沖波形有關(guān)的反濾波或匹配濾波器，做與目的體有關(guān)的三維處理等。對于小的、局部的和細長物體，其回波散射有一些頻譜特性或極化特性需專門考慮，而天線的極化性質(zhì)也影響著接收效果。這些都是當前數(shù)字處理的研究對象。和地震勘探的數(shù)字處理一樣，探地雷達實測資料的數(shù)字處理正處在不斷的發(fā)展中。 圖像解釋的第一步是識別異常，然后進行地質(zhì)解釋。對于異常的識別在很大程度上基于地質(zhì)雷達圖像的正演成果，然而這方面的內(nèi)容至今報道甚少。中國地質(zhì)大學(武漢)在完成國家自然科學基金項目“探地雷達目-的體物理模擬和數(shù)值模擬研究”的過程中，做了某些理論計算和大量的物理模擬實驗。這些成果無疑為識別現(xiàn)場探測中可能遇到的種種有限目的體所引起的異常，以及對各類圖像進行地質(zhì)解釋提供了理論依據(jù)。和所有物探技術(shù)一樣，雷達異常的地質(zhì)解釋是一個“系統(tǒng)工程”，它包含了高頻技術(shù)、地質(zhì)和地理、工程人文等多方面的知識和經(jīng)驗。目前的人工判讀解釋，只是對異常的識別作一些聯(lián)系已知條件的注釋，但僅就這一工作，應深入研究的問題仍不少?？梢钥隙ǎ蛯＜蚁到y(tǒng)、人工智能的研究類同，雷達圖像異常解釋的成功率，必將隨著“系統(tǒng)工程”的不斷完善而大大提高。1.4 應用與發(fā)展1988年，英國D.J.Daniels等人在IEE的雷達文集中撰文，介紹了雷達的應用，并把其分為淺、中深和深應用三大方面。探測深度小于 O.5m，中心頻率在0.5103MHz以上，常用以探測隱藏物和小洞(，f=lO3lO4MHz)、墻厚(厚度小于0.25cm，精度為14cm，f為1034103MHz)，以及埋設的軍械如地雷(f在0.51031.5103MHz)等方面的應用為淺應用。深度在5m或更大，f在50800MHz，常用以探測路面以下較有利條件的土壤中的埋設管纜；探測高速公路下、隧道周圍的空洞和弱點：在低損土壤中探廢棄器具及尸首；探鋪砌而如機場跑道、高速公路、水泥體中的洞隙等；考古探查；橋梁和建筑物的完整性和基巖面、持力層等方面的應用為中深應用。中心頻率小于1OOMHZ，探深在數(shù)十至數(shù)百以至千米，通常探測礦產(chǎn)、冰層、沙漠以及飛行器的地面和月球遙感，這樣的應用為深應用。我國的探地雷達己在多部門、多領(lǐng)域內(nèi)開展了應用。中國地質(zhì)大學(武漢)在短短的兩年半時間內(nèi)，在5種類型的巖土地層中(石灰?guī)r、花崗巖、矽卡巖、第四系、土壤)做了30余個工程點的探測，足跡遍及湖北、廣西、廣東、浙江、福建、江西、湖南：內(nèi)蒙古及上海等地。他們的工作歸結(jié)起來涉及如下工程領(lǐng)域：(1) 隧道探測。包括隧道內(nèi)周壁溶蝕帶、裂隙面、溶洞及其連通性探測，隧道前方“掌子面”探查以了解前方巖性的完整性和隱患(廣西天生橋水電站及長江三峽三斗坪工區(qū))；(2) 堤壩探測。包括土裂縫，動物穴，“老口門”等隱患探查(鄭州黃河大堤)；(3) 建筑工程探測。如三峽花崗巖風化帶、湖北木蘭山攝水河橋墩墩基，上海及武漢高層建筑地基，地下人防工事，內(nèi)蒙西遼河攔洪閘基底，杭州錢塘江護堤拋石層，上海浦東過江引水管道敷設等探測；(4) 地質(zhì)災害勘查。如武漢市陸家街地區(qū)巖溶塌陷以及漢陽縣蔡店地面塌陷，三峽巴東滑坡，襄樊公路滑坡勘測；(5) 管纜探查。如廣州黃沙區(qū)地鐵四圍幕工程管纜探查，深圳雅國立交橋工程管纜探查等；(6) 考古探測。如湖北大冶鋼錄山古銅礦老窿勘探。當前，地質(zhì)雷達由于使用了高頻(中心頻率達數(shù)百兆赫)魔頻帶短脈沖(脈沖寬度小至l2ns)和高速采樣技術(shù)(采樣間隔達0.8ns或更小，如0.06ns)，因而其探測的分辨率高于其它地球物理探測手段；實踐表明，探測深度在較大范圍內(nèi)，可以滿足工程探測的需要：在相應條件下，可以根據(jù)探測深度與分辨率的要求選取適當?shù)闹行念l率。顯然，作為一種有廣闊前景的有效手段，它可為工程地質(zhì)勘察節(jié)約大量的鉆探工作量，縮短勘測周期提高勘測質(zhì)量。一個嶄新的探地雷達開發(fā)局面，必將在不久的將來展現(xiàn)在廣泛的勘察技術(shù)領(lǐng)域之中。當然，國內(nèi)外目前關(guān)于地質(zhì)雷達成功應用的實例報道仍然很少：在儀器設備方面需在數(shù)據(jù)采集和天線設計方面作進一步的工作；在實際探測中，必須進一步考慮包括地下介質(zhì)在內(nèi)的探測對象的性質(zhì)、探測結(jié)果的分辨特性，以及深度要求、雜亂回波的抑制、發(fā)射功率的有效作用和對操作的要求(如天線的方位、貼壁、舉臂、水面操作等)。數(shù)據(jù)處理和圖像的地質(zhì)解釋仍是地質(zhì)雷達探測中的關(guān)鍵性問題，其方法和技術(shù)需在以后的實際工作中不斷地加以改善和提高。第二章 有耗媒質(zhì)中電磁波的傳播特性地質(zhì)雷達和探空雷達不同，它所發(fā)射的電磁波是在地下媒質(zhì)中傳播的。由于巖石具有一定的導電性，電磁波在這種有耗媒質(zhì)中的傳播，和空氣相比就有其獨特的特點。Pulse EKKO 型地質(zhì)雷達儀的發(fā)射、接收裝置采用半波偶極天線，其特性和短偶極天線基本相同。因此，本文從闡述均勻無限各向同性媒質(zhì)中電偶極子源的輻射入手，淺析電磁波在有耗媒質(zhì)中的傳播規(guī)律。 2.1單色水平電偶極子源的輻射場在頻率域內(nèi)(時諧因子e-it)，均勻各向同性媒質(zhì)中的麥克斯韋方稗為：式中：E為電場強度(V/m)； H為磁場強度(A/m)；J為外加源的電流密度(A/m2)； q為外加源的電荷密度(C/m勺；為導磁率(H/m)；為復介電常數(shù)。式中：為介電常數(shù)(F/m)；為導電率(S/m)。真空的導磁率和介電常數(shù)分別為： ， 通常用r和，表示相對介電常數(shù)和相對導磁率，即： 為媒質(zhì)中傳導電流密度相對于位移電流密度的比值。當時，位移電流起著主導作用，媒質(zhì)的特性和電介質(zhì)相近，稱為準電介質(zhì)；當時，傳導電流起著主導作用，稱為良導媒質(zhì)。對于地質(zhì)雷達所使用的頻段來說，地下媒質(zhì)一般可視為準電介質(zhì)。 在對偶極子源的求解時常采用赫芝勢，它滿足非齊次波動方程式中P為單位體積中外加源的電偶極矩；k為傳播常數(shù).在導電媒質(zhì)中k為復數(shù)： 實部稱為相位常數(shù)(rad/m)，虛部稱為吸收系數(shù)(Np/m)對于P,如圖2-1所示，在球坐標系(R,)中，為矢徑R對Y軸的夾角，r為R在XZ平面上的投影，為 r對X軸的交角。水平電偶極子位于原點。其偶極矩為： 式中dl為短天線的長度，是偶極子兩端的電荷，交變電流。圖2-1 位于原點并取向Y軸的水平電偶極對波動方程求解得到：在求得赫芝勢后，按下式計算電磁場。 從場勢關(guān)系求得空間各點的場強為：當接收天線處于X軸上并和發(fā)射天線平行時，R=r，Er=0，這時得到主剖面(y=0)中的場強為：在輻射區(qū)，忽略1/kr的高次項，得到水平電用極子源在主剖面中的剖面中的輻射場為：可見在主剖面中，電場和發(fā)射天線平行，磁場則垂直向下，且電磁場在輻射區(qū)的比值為：稱為媒質(zhì)的波阻坑在空氣中等于377，在導電媒質(zhì)中為復數(shù)，說明電場和磁場之間存在相位差，磁場滯后于電場。在主剖面中輻射場強與無關(guān)，即輻射場在主剖面中無方向性，輻射圖呈圓形。偶極子源輻射的電磁波是球面波，能流密度呈球面發(fā)散，發(fā)散因子為1/R。由于能流密度正比于電、磁場的乘積，場強的發(fā)散因子為1/R。在有耗媒質(zhì)中，場強因被吸收而按指數(shù)規(guī)律衰減，電磁波向外傳播的功率則按衰減。2.2 巖礦石的電磁參數(shù) 2.2.1高頻電磁場中巖礦石的電磁性質(zhì)在雷達探測中，巖石的介電常數(shù)起著極為重要的作用，在高頻電磁場中由于極化慣性所引起的附加導電性，也是一個值得深入研究的問題。多種影響因素使得同類巖石的電阻率產(chǎn)在很寬的范圍內(nèi)變化。同樣，礦物的介電常數(shù)也在相當寬的范圍內(nèi)變化，水(為80個相對單位)與某些鈦、錳化合物，如金紅石(達170個相對單位)具有高值。絕大多數(shù)礦物的介電常數(shù)較低，約為412個相對單位。主要造巖礦物的為47個相對單位。某些礦物的相對介電常數(shù)示于表1-1。由于主要造巖礦物與水的相對介電常數(shù)存在較大差異，所以，具有較大孔隙度巖石的介電常數(shù)主要取決于它的含水量。泥巖由于含有大量的弱束縛水，所以其相對介電常數(shù)可高達5060。巖石含泥質(zhì)較多時，它們的介電常數(shù)與泥質(zhì)含量有明顯的關(guān)系。很多火成巖的孔隙度常只有千分之幾，其主要取決于造巖礦物，一般變化范圍為612。當飽和巖石的液體是石油時(=2.5)，其介電常數(shù)為68個相對單位。表2-1 部分礦物的相對介電常數(shù)礦物礦物石英鉀長石白云母黑云母滑石方解石白云石菱鐵礦石膏4.O5.04.56.06.28.04.86.04.56.07.58.O6.810.O7.O7.54.2硬石膏巖鹽鉀鹽褐鐵礦磷灰礦方鉛礦閃鋅礦金紅石石油10.011.07.410.518.07.88.390.O170.02.03.O水的介電常數(shù)與其礦化度的關(guān)系較弱，如水溶液含鹽的濃度等于57g/1時，同蒸餾水相比其介電常數(shù)只增加5。與此相應，巖石孔隙中所含水的礦化度同樣對其介電常數(shù)不應有大的影響，水的礦化度增大導致巖石介電常數(shù)有少許增加。 野外觀測和實驗室標本測量的結(jié)果都說明，巖石的電學性質(zhì)存在頻散現(xiàn)象，即其隨頻率的改變而變化。圖2-2給出按實驗室資料得到的干砂巖和濕砂巖的有效電阻率與頻率的關(guān)系。干砂巖的頻散現(xiàn)象在低頻范圍內(nèi)即已明顯；當頻率高于105HZ時，濕砂巖也呈明顯的頻散。圖2-3表示相對介電常數(shù)()與頻率的關(guān)系。圖上曲線說明了不太濕的、電阻率相當高的均勻巖石的特征，在雷達頻段內(nèi)其介電常數(shù)可認為是一常數(shù)。 圖2-2 砂巖有效電阻與頻率的關(guān)系曲線干標本；濕標本圖2-3 巖石介電常數(shù)與頻率的關(guān)系曲線 1. 輝綠巖；2.閃長巖； 3. 輝長巖； 4. 輝巖； 5. 王長巖； 6. 花崗巖產(chǎn)生頻散現(xiàn)象的原因可能與高頻電磁場中的介電損耗以及巖石的多成分組合和復雜結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于偶極子的取向需要一定時間(馳像時間)，因此在高頻電場中出現(xiàn)了極化的滯后現(xiàn)象，即電場和感應偶極矩之間出現(xiàn)了相位差。介電常數(shù)需用復數(shù)表示，并與場的頻率有關(guān)。 式中，表示在給定的頻率f上介質(zhì)的固有極化，為介電損耗。由此出現(xiàn)了與位移電流相差90、在方向上同傳導電流相重合的電流分量。這時媒質(zhì)中的電流密度和場強的關(guān)系可寫成：其中，是媒質(zhì)的有效介電常數(shù)，而是由于極化過程的慣性所引起的附加電導，與導電率合并成為媒質(zhì)的有效導電率。而附加電導與頻率有關(guān)。對多礦物成分或有孔隙的巖石來說，不同的礦物顆粒及孔隙中的流體相當于一個復雜的交流電路，其阻抗與頻率有關(guān)。譬如在浸染狀礦石中金屬礦物顆粒被不導電的物質(zhì)所包圍，其直流導電率為零。但在交流情況下，隨著頻率的增加，被分隔的金屬礦物顆粒將愈益顯示其良導作用。2.2.2 巖礦石的相位常數(shù)和吸收系數(shù) 相位常數(shù)a決定了電磁波傳播的相速。當波在空間行進一個波長時，相位相應地改變了，即，從而相速為： 在無損耗的非磁性媒質(zhì)中，,相速為：式中光速c=0.3m/ns(1ns=lO-9s)。在以位移電流為主的媒質(zhì)中，相速接近于v0。圖2-4給出了v/v0和的關(guān)系曲線，當5l010時，可以認為相速v與無損耗媒質(zhì)中的相速v0接近，而與頻率f無關(guān)。若設Hz，=1 0，那么就要求媒質(zhì)的電阻率，相速v才接近于v0，即。圖 2-4 v/v0與的關(guān)系曲線(隨的增加，v趨近于)表2-2是地質(zhì)雷達探測中常遇到的媒質(zhì)的相對介電常數(shù)和波速值，該表為綜合數(shù)據(jù)，援引自北原高木(1979，1000MHZ頻率下的測定值)及同本的OYO儀器制造公司(表中圓括弧內(nèi))的資料。表2-2 媒質(zhì)的相對介電常數(shù)和波速值媒質(zhì)V(m/ns)媒質(zhì)v(m/ns)花崗巖4(9)0.15(0.1)土壤(含水20%)10(40.095)(0.050.15)安山巖2O.21士壤(干)4(35)0.15(0.130.17)玄武巖40.15沼澤肥土120.087凝灰?guī)r6O.12肥土150.078石灰?guī)r7(6)0.11(0.12)混凝土6.40.12大理巖60.12瀝青350.120.18砂 巖(4)(0.15)冰3.20.17煤4.50.14O.15聚氯乙烯30.15吸收系數(shù)決定了場強在傳播過程中的衰減速率，對以位移電流為主()的媒質(zhì)，的近似值為： 值與電導率成正比而與頻率無關(guān)。圖2-5給出了與頻率的關(guān)系曲線當媒質(zhì)的和值已知時，對于不同的頻率可從圖上讀出，從而求出值。分析圖中曲線得出，當乘積的值大于21010時，媒質(zhì)的吸收系數(shù)與頻率無關(guān)。如，要求媒質(zhì)的電阻率大于20，吸收系數(shù)即與頻率無關(guān)。值得注意的是，當采用直流電阻率計算巖石的吸收系數(shù)時，由于導電率的頻散現(xiàn)象，計算值往往低于實測值。圖2-5 吸收系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線2.3脈沖偶極子源當已知脈沖子波的時間函數(shù)f(t)時其頻譜可由傅里葉變換求得：若給出的是有限離散序列f()，n=O，l，N1，為取樣間隔，為時窗，則： (m=0,1,N-1)其反變換為：對pulse EKKO IV型探地雷達儀可設：式中為中心頻率；脈沖的衰減速率取決于系數(shù)a，可取。其頻譜為：圖2-6為脈沖波形及其相對振幅譜。 圖2-6 電磁脈