电磁波在地球物理勘探中的应用( 二 ) _电磁

3 探地雷达
探地雷达于1910年由德国学者G.等以专利的形式提出[5]，但直到20世纪80年代才逐步投入使用。探地雷达是一种人工场的时域方法，应用波段一般在UHF/VHF频段，最佳探测深度小于2米。其工作原理是发射无载波的脉冲信号对目标进行照射并接收反射回波，根据回波的波形，振幅和时间变化推断物体形态，深度和位置，如图4所示。探地雷达是目前最为普遍和快捷的浅层地表勘探技术，多被用于水、土壤、岩石和城市地下空间等的勘测[6] 。
图4.探地雷达
探地雷达的原理除被用于地表上的直接探测外，还被用于钻孔、坑道等环境下的透射测量上[7]，该方法又被称为“电CT法”，如图5所示。“电CT法”将探地雷达的接收天线和发射天线分别放置在被测介质的两侧，通过改变接收机的深度，得到介质内雷达波速和衰减系数的空间分布。接收机所移动的步长决定了成像精度，被测介质不宜过厚，以免收发天线的距离超过电磁波所能穿透的范围[7] 。
图5.电CT法
3.1 回波信号处理
探地雷达接收到的是电磁波的振幅和走波时间，其数据处理是一个很复杂的过程。通常情况下是借助计算机进行处理，自动提取出雷达的剖面图。经过前人的研究，目前探地雷达技术已经基本实现了对非线性散射、衍射、表面反射和环境噪声的识别和移除。在工程上为了更直观的观察回波，通常将回波信号转换成灰阶图的形式。通过研究灰阶图的形状来判断地质结构，灰阶图的颜色深度代表振幅大小，颜色种类代表极性，色块的厚度表示持续时间。对于一个探测区域，将探地雷达在被测介质表面同步移动便可以得到二维连续的灰阶图。
3.2 波速获取
灰阶图等雷达剖面图反映的是电磁波振幅和时间的关系，还需要用波速将走波时间转换成物体的深度信息[8] 。一般确定波速的方法有以下四种：第一种是直接使用经验值，如土壤中的波速一般在0.1m/ns左右；第二种是通过已知物体的深度校正，若已知当前环境下某物体的深度，通过测量它的走波时间能够反推出当前介质下的波速；第三种是双曲线拟合，在电磁波遇到电性异常的孤立物体时会有抛物线形状的时距曲线，通过曲线的形状可以大致拟合出波速；第四种是对被测环境下的介质采样，在实验室中测量这种介质的介电常数等电性参数，计算出波速。
实际上，对于探地雷达回波信息的判断并不局限于某一点的具体信号，还需要结合同一点不同时间和周围不同点的回波情况综合判断。局部信号的均匀程度，连续性，震荡程度对于判断介质类型、结构和区分背景噪声都起着至关重要的作用。所以探地雷达的解释成果不仅取决于数据处理的准确性，也很大程度上取决于解释者的经验[9] 。
探地雷达采用的是高频宽频带窄脉冲，其探测精度明显高于其他电法探测方法。但也由于其信号衰减较快，探地雷达仅局限于浅层地表的探测。
4 瞬变电磁法
瞬变电磁法于20世纪30年代由苏联学者提出，是一种时域的人工场方法[10] 。该方法通过天线发射一次场，在地层中形成涡流，涡流形成二次场，通过分析二次场信息确定地层电性的分布情况，如图6所示。
图6.瞬变电磁法
由于地层中介质的类型不同，所产生的二次场的衰减时间和幅度也不同。测量不同采样时间的感应电动势强度得到瞬变响应曲线，分析二次场的衰减曲线特征，判断地下不同深度的电性特征和规模大小。瞬变电磁法探测深度深，被广泛应用于金属矿物、石油、煤炭和海洋地质勘探当中[11] 。
4.1 烟圈效应