探地雷达的野外工作方式

探地雷达的野外工作,必须根据探测对象的状况及所处的地质环境,采用相应的测量方式并选择合适的测量参数,才能保证雷达记录的质量。

目前常用的时域探地雷达测量方式有剖面法和宽角法两种。此外,还有在某些特殊情况下使用的环形剖面法和多天线雷达系统所采用的多天线测量方式。

图3-50 剖面观测方式

（a）剖面法示意图；（b）探地雷达图像剖面

1.剖面法与多次覆盖

（1）剖面法

剖面法是发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动进行观测的一种测量方式。当发射天线与接收天线间距为零,亦即发射天线与接收天线合二为一时,称为单天线形式,反之称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图像来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为反射波双程走时,表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各反射界面的形态。图3-50为剖面法示意图及其雷达图像剖面。

（2）多次覆盖

由于介质对电磁波的吸收,来自深部界面的反射波会由于信噪比过小而不易识别。这时可采用不同天线间距的发射-接收天线在同一测线上进行重复测量,然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加,这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。

2.宽角法或共中心点法

宽角法是发射天线固定在地面某一点上不动,接收天线沿测线逐点移动,记录地下各个不同界面反射波双程走时的测量方式。也可以用两个天线,在保持中心点位置不变的情况下,不断改变两个天线之间的距离,记录反射波双程走时,这种方法称为共中心点法。

当地下界面平直时,这两种方法结果一致。采用这两种测量方式的目的是求取地下介质的电磁波传播速度。图3-51是共中心点法观测方式示意图及其雷达图像。

图3-51 共中心点法观测方式与雷达图像

深度为h的地下水平界面的反射波双程走时t满足

电法勘探技术

式中：x为发射天线与接收天线之间的距离；h为反射界面的深度；v为电磁波的传播速度。地表直达波可看成是h＝0的反射波。上式表示当地层电磁波速度不变时,t₂与x₂呈线性关系。因此利用宽角法或共中心点法测量所得到的地下界面反射波双程走时t,由公式（3-54）就可求得地层的电磁波速度。

3.环形法

深圳机场扩建停机坪的软土地基采用强夯块石墩加固,这种块石墩为直径有限的三度体。为了保证在块石墩上方有足够测点进行块石墩质量评价,于是提出使用环形剖面测量法。以异常为中心,在不同半径的圆周上相对墩心不同方位上布置天线进行测量。

4.多天线法

这种方法是利用多个天线进行测量。每个天线道使用的频率可以相同也可以不同,每个天线道的参数如点位、测量时窗、增益等都可以单独用程序设置。多天线测量主要使用两种方式：第一种方式是所有天线相继工作,形成多次单独扫描,多次扫描使得一次测量所覆盖的面积扩大,从而提高工作效率。第二种方式是所有天线同时工作,利用时间延迟器推迟各道的发射和接收时间,可以形成一个叠加的雷达记录,改善系统的聚焦特性亦即天线的方向特性。聚焦程度取决于各天线之间的间隔。图3-52给出了天线间距为0.5m的多天线辐射方向极化图。利用不同天线间距测量的结果表明,各天线之间间距越大,聚焦效果越好。

图3-52 相距0.5m的五个天线聚焦后的天线辐射方向极化图