CN104267440A - 一种用于探地雷达的共中心点cmp探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于探地雷达的共中心点CMP探测方法，确定探地雷达的最大收发距和收发距调节间隔；进行多次探测以采集探测数据，其中，首次探测时收发距设置为0，之后每一次探测之前均基于所述收发距调节间隔增大收发距，直到达到所述最大收发距；基于采集到的探测数据形成探地雷达时间剖面图，在时间剖面图上标出雷达波的同向轴追踪线，得到同向轴追踪线的斜率值，然后基于给定的公式计算地下介质层速度和对应的地下介质介电常数。利用本发明可进行地下介质层速度的探测和精确计算。

Description

一种用于探地雷达的共中心点CMP探测方法

技术领域

本发明涉及探地雷达技术领域，具体涉及一种用于探地雷达的共中心点CMP探测方法。

背景技术

探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)又称地质雷达，通过发射高频脉冲电磁波(频率介于10⁶-10⁹Hz)对地下介质进行探测，确定地下介质分布，具有操作简单、探测精度高、无损伤、采集速度快等特点，是目前工程检测和勘察最为活跃的探测技术，在岩土工程中的应用日趋广泛。探测时,探地雷达的发射天线(Transmitting antenna)和接收天线(Receiving antenna)放置在地表，发射天线和接收天线之间的距离称为“收发距(Offset)”。目前的探地雷达装备都采用固定收发距。

固定收发距的中高频天线大多是将发射系统(Transmitting system)和接收统(Receiving system)封装在一个屏蔽外壳内，二者间的距离固定。发射系统是指完成雷达发射电磁波功能的全部组件，具体比包括：发射机单元、发射天线辐射面、同步电路等；接收机系统是指完成雷达接收反射电磁波功能的全部组件，具体包括：接收机单元、接收天线辐射面、同步电路等。天线的收发距也是雷达天线的发射系统中心点至接收系统中心点之间的距离。另一方面，低频天线体积较大，一般为发射、接收天线分别独立封装，在普通反射式探测过程中其收发距(Offset)亦保持不变。

固定收发距的探地雷达发射并接收电磁波信号，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，介电常数不同的介质交界面是反射界面。实际中，如果两种介质的介电常数差异较小，电磁波反射信号较弱；如果介质的电导率较高，对电磁波的吸收较强，导致较难获得反射层的具体位置，进而无法判断反射界面上覆介质层中雷达波的波速。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种用于探地雷达的共中心点CMP探测方法，基于CMP方法，进行地下介质层的探测和层速度的精确计算。

本发明提供一种用于探地雷达的共中心点CMP探测方法，包括：确定探地雷达的最大收发距和收发距调节间隔；进行多次探测以采集探测数据，其中，首次探测时收发距设置为0m，之后每一次探测之前均基于所述收发距调节间隔增大收发距，直到达到所述最大收发距；基于采集到的探测数据形成探地雷达探测深度随时间变化的剖面图，在剖面图上标出雷达波的各层同向轴追踪线，得到同向轴追踪线的斜率值；基于式(1)-(3)计算地下介质层速度v_i和对应的地下介质介电常数ε_i：

1/k_i＝d/0.5t_i                 (1)

ti/ti+1＝ki/ki+1                 (2)

$v_i=1/k_i=c/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i}---\left(3\right)$

其中，d为收发距，k_i为同向轴追踪线的斜率值，t_i为双程旅行时间，c＝3.0×10⁸m/s，为电磁波在空气中的传播速度；角标i表征第i条同向轴追踪线。

优选地，首次探测之前调节探地雷达，以使探地雷达在最大收发距上采集到清晰稳定的图像。

优选地，最大收发距为10m。收发距调节间隔介于2-10cm。

优选地，探地雷达采用的发射天线和接收天线均基于GR系列探地雷达50MHz的非屏蔽天线，两天线以光纤相连接。

本发明的有益效果：有别于普通固定收发距探地雷达的反射方法，本发明基于CMP方法进行反射层探测，探测过程中通过调整天线收发距，以多次反射信号叠加确定反射层位置，通过雷达剖面图分析并精确计算介质层速度和介电常数，实现了对介质层速度的快速、精确探测。

附图说明

图1是本发明实施例的探地雷达采用的发射天线模块结构示意图。

图2是本发明实施例的探地雷达采用的接收天线模块结构示意图。

图3是本发明实施例的CMP探测过程状态示意图。

图4是本发明实施例的CMP探测数据的时间剖面图。

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施案例，对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明针对收发距固定的反射式探地雷达无法精确计算地下介质层速度的问题，(因为要精确求出层速度必须知道反射界面的深度，而反射界面的深度一般是未知的)。利用CMP方法展开探测。CMP(CommonMiddle Point，共中心点)方法是指发射天线和接收天线的中心点固定，探测过程中将两天线同时向中心点两侧反方向移动的探测方式。

图1和图2分别示出了本发明实案施例中的探地雷达采用的发射天线模块和接收天线模块，两模块都基于GR系列探地雷达的50MHz非屏蔽天线，以光纤作为两模块之间信号传输和同步的连接线，两模块通过数据接口与雷达主机相连，使用内置电源分别对两模块供电。为提高雷达在不同距离上所采集数据的精度和图像的分辨率，探测时采用极窄的脉冲波，射频脉冲的频谱占50兆带宽，采用相应的宽带接收电路。另外，由于基于CMP方法探测，两天线模块需要在一定范围内移动，因此在接收天线模块内放置一高频放大器，与接收机相连，该放大器具有时变增益控制功能，可以较好的提取回波，在大范围内具有稳定性。探测前调节雷达主机，保证接收天线模块在最大收发距条件下仍可接收到有效信号。

以上完成了CMP探地雷达的设置，以下描述本发明的CMP探测过程。图3示出了本发明实施例的CMP探测过程中的状态示意图，M为探测的目标体，M位于地表面之下，探地雷达放置于地表面。在本实施例中，将探地雷达的最大收发距d_max设定为1000cm，收发距d可在0-1000cm范围内调节。

开始测试，根据CMP方法，首先考察收发距d＝0的情况，将收、发天线紧邻地放置在目标体正上方O点位置，两天线发射杆位置保持相对平行，对目标体M进行第一次探测，操作雷达主机以单点触发形式进行数据采集，之后以△d＝n cm(为了增加数据的采集量，n一般为2-10cm)为间隔，逐渐增大收发距至最大收发距，进行多次探测。本实施例以△d＝5cm为收发距调节间隔，以O为中点向两侧挪动天线(图3实施例中为向左、右两侧挪动)，增大两天线的收发距。其中，每挪动一次天线后，都进行雷达探测并采集数据，直至达到最大收发距d_max＝10m。鉴于单点触发每次仅采集一道雷达数据，不能很好地反应地下反射层“NN”的特征，可在每个不同的收发距下都进行多次点测(如三次)，为后期计算提供足够多的数据。

探测完毕后，将采集到的CMP探测数据导出并分析，本发明通过探地雷达剖面图进行分析。图4示出了本发明一个实施例的CMP探测的剖面图，横坐标为收发距d，纵坐标为雷达波的双程旅行时间t。将CMP探测数据表示为时间剖面图像，可准确反映地下各反射界面的形态，利用剖面图还可以进行同向轴的追踪。

基于雷达剖面图进行层速度计算。可在如图4的雷达剖面图中标出雷达波的同向轴追踪线(图中未示出)，如“空气直达波”、“地表直达波”、“第一层反射波”、“第二层反射波”…“第n层反射波”的同向轴追踪线。以各追踪线为依据，可得到各追踪线的斜率k_i的倒数，如下式：

1/k_i＝d/0.5t_i                 (1)

其中d为收发距，单位为米；0.5t_i为单程旅行时间，角标i表征第i条追踪线，单位为秒。根据同向轴追踪线的含义，式(1)表征雷达波在各介质中的传播速度，即层速度v。

其中，“空气直达波”是指在空气介质中，在多个不同的收发距下，电磁波从发射天线到达接收天线的反射波的叠加，其追踪线斜率k_air的倒数反映空气介质中电磁波的波速C(3.0×10⁸m/s)，即空气直达波的斜率,其倒数1/k_air＝C，在所有反射波中为最大，表征雷达波在空气介质中的传播速度最快。“地表直达波”是指沿地表表层传播到达接收天线的电磁波，其追踪线斜率的倒数小于空气直达波的追踪线斜率的倒数。

雷达电磁波在地下介质中传播时遇到介电常数不同的介质交界面时产生的反射波，在本发明中，“第一层反射波”是指在不同收发距下，由第一层反射界面产生的反射波的叠加，其追踪线斜率的倒数是电磁波在第一层反射界面上方的介质中的传播速度，可计算得到雷达波在该介质的层速度v₁＝1/k₁。

类似地，“第二层反射波”是指在不同收发距下，由第二层反射界面产生的反射波的叠加，其斜率倒数为电磁波在第二层反射界面和第一层反射界面之间的介质中的传播速度，即层速度为v₂＝1/k₂。“第n层反射波”为在不同收发距下，由第n层反射界面所产生的反射波的叠加，其斜率倒数为电磁波在第n和第n-1层反射界面之间的介质中的传播速度，即层速度v_n＝1/k_n。这里，第n层反射界面是雷达探测有效深度内能分辨出的最末层反射层位。

进一步地，在雷达剖面图上，收发距d相同时，存在以下比例关系：

t_i/t_i+1＝k_i/k_i+1                  (2)

$v_i=1/k_i=c/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i}---\left(3\right)$

基于上述比例关系式，根据空气直达波的参数以及式(2)，可计算出对应的追踪线斜率倒数，即得到了各层介质的层速度v_i，进而根据式(3)可得到介质的介电常数ε_i。

在本发明的一个实施例中，使用CMP方法探测，最大收发距d_max＝10m，调节间隔△d＝5cm，探测完毕后分析探测数据，当收发距d＝7.38m时，空气直达波的双程旅行时t_air＝49.21ns，计算得到雷达波在空气介质中的传播速度v_air＝1/k_air＝d/0.5t_air＝3.0×10⁸m/s；对于第一层反射波，其双程旅行时t₁＝98.43ns，根据式(2)，计算得到第一层反射波对应的斜率倒数1/k₁＝(t_air/t₁)×(1/k_air)＝6.0×10⁸m/s，再根据式(3)，计算得到ε₁＝4。根据计算结果，得到了雷达波在第一层反射界面上方介质中的层速度为6.0×10⁸m/s，该介质的介电常数为4。本实施例实际使用的第一层介质为干砂，干砂的介电常数为4，与计算结果一致，表明利用本发明的CMP探测方法的计算值与实际相符合，探测结果真实可靠。同理，根据测量得到的各层介质的双程旅行时，可以计算出各层介质的层速度，以及介质的介电常数，计算过程快速，计算结果精确。

以上，结合具体实施例对本发明的技术方案进行了详细介绍，所描述的具体实施例用于帮助理解本发明的思想。本领域技术人员在本发明具体实施例的基础上做出的推导和变型也属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于探地雷达的共中心点CMP探测方法，其特征包括：

确定探地雷达的最大收发距d_max和收发距调节间隔△d；

进行多次探测以采集探测数据，其中，首次探测时收发距设置为0m，之后每一次探测之前均基于所述收发距调节间隔增大收发距，直到达到所述最大收发距d_max；

基于采集到的探测数据形成探地雷达剖面图，在雷达剖面图上标出雷达波的同向轴追踪线，得到同向轴追踪线的斜率值k_i；

基于式(1)-(3)计算地下介质层速度v_i和对应的地下介质介电常数ε_i：

1/k_i＝d/0.5t_i    (1)

t_i/t_i+1＝k_i/k_i+1    (2)

$v_i=1/k_i=c/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i}---\left(3\right)$

其中，d为收发距，k_i为同向轴追踪线的斜率值，t_i为双程旅行时间，c＝3.0×10⁸m/s，角标i表征第i条同向轴追踪线。

2.如权利要求1所述的用于探地雷达的共中心点CMP探测方法，其特征在于，首次探测之前调节探地雷达，以使探地雷达与所述最大收发距相匹配。

3.如权利要求1所述的用于探地雷达的共中心点CMP探测方法，其特征在于，其中d_max＝10m。

4.如权利要求3所述的用于探地雷达的共中心点CMP探测方法，其特征在于，其中2cm≤△d≤10cm。

5.如权利要求3所述的用于探地雷达的共中心点CMP探测方法，其特征在于，其中△d＝5cm。

6.如权利要求1所述的用于探地雷达的共中心点CMP探测方法，其特征在于，所述探地雷达的发射天线模块和接收天线模块均基于GR系列探地雷达的50MHz非屏蔽天线，发射天线模块和接收天线模块以光纤连接。