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探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)是近20多年来迅速发展的一种无损探测技术,该技术被厂泛应用于岩土工程勘察、工程建筑结构探查及工程质量检测与监测、水文地质调查、考古及环境调查等方面。其主要特点是分辨率高、探测速度快,且对探测对象无破坏作用。探地雷达数据处理的目的是压制随机干扰、提高信噪比以及提高分辨率,提取各种有用参数(振幅、相位、频率等)来帮助地质解释。
探地雷达通常是采用单发-单收的观测方式,即固定天线距的单道单次覆盖观测方式进行数据采集。这种观测方式所获得的探地雷达数据不能进行水平叠加。冈此,当地层介质结构不均匀时,单次覆盖观测的探地雷达数据信噪比低,且存在偏移现象。为了提高探地雷达剖面的信噪比,压制地下不均匀体引起的随机干扰,可以模仿地震勘探中多次覆盖观测方式进行探地雷达数据采集,即在同一观测点上进行共中心点测量。对同一剖面的探地雷达多次覆盖观测数据进行抽道集得剑等偏移距的多个单次覆盖探地雷达剖面,对这些不同偏移距的单次覆盖雷达剖面进行偏移处理,然后对偏移结果进行叠加,可以压制来白地下空间的随机干扰,提高探地雷达剖面的信噪比,同时提高探地雷达剖面成像的分辨率及精度。
探地雷达采州高频电磁波进行探测,其频率在12.5M-2500M之间。因此,在通常的地质介质中雷达波的传播满足波动方程,探地雷达波和反射地震波的传播特征相似,因而反射地震剖面的数据处理方法(如水平叠加、偏移、滤波、反褶积等)可用于探地雷达剖面的数据处理。本文介绍了探地雷达剖面有限差分止演模拟的理论,并采用有限差分法实现了二维简单地电断面的正演模拟;并介绍了绕射扫描偏移、克希霍大积分偏移及逆时偏移的原理并分别运用这些偏移方法实现了对数值模拟的地质雷达剖面的偏移处理,对各种方法的偏移处理效果进行了对比分析。采州EKKOⅣ型探地雷达系统在野外进行了多次覆盖数据的采集,对多次覆盖反射雷达剖面进行抽道集得到偏移距不同的多个共偏移距探地雷达剖面,采刚逆时偏移处理方法对各共偏移距的探地雷达剖面分别进行偏移处理,并对偏移处理后的结果进行叠加,实现了探地雷达剖面的叠前偏移处理。
在探地雷达的实际观测中由于天线与大地的耦合不佳,探地雷达剖面通常能够记录剑来自地表物体的侧面反射干扰,这种来自地表的侧面反射会给探地雷达剖面的解释造成失误。因此,识别探地雷达剖面上来自地表的侧面干扰对雷达资料的解释具有重要的实际意义。由于雷达波在空中的传播与地下介质中的传播存在速度上的差异,这为采用偏移的方法识别雷达剖面上的来自空中的侧面干扰提供了物理前提。本文采用偏移处理的方法应用不同的雷达波速对雷达剖面进行偏移,以识别雷达剖面上的来自空中的侧面干扰。
本文研究的主要内容包括:(1)采用有限差分法对一些简单二维模型(点源、断层、空洞)的探地雷达剖面进行数值模拟获得了探地雷达剖面的数值模拟记录;(2)采用绕射扫描偏移、克希霍夫积分偏移与波动方程逆时偏移算法,分别对正演模拟与实测探地雷达剖面进行了偏移处理,对各种方法的偏移处理结果进行了分析。(3)利用雷达波在空中与地下传播速度的差异,采用偏移方法识别探地雷达剖面上来自空中的侧面干扰。(4)对野外采用多次覆盖观测方式采集的探地雷达数据进行抽道处理,得到偏移距不同的多个共偏移距剖面,将不同偏移距的探地雷达剖面进行动校正,转换成零偏移距的自激自收剖面,并对动校正后的剖面直接进行叠加,分析探地雷达剖面水平叠加处理效果。(5)对进行动校正以后的各自激自收的探地雷达剖面分别采刚逆时偏移算法进行偏移处理,将处理后的雷达剖面进行叠加,以实现探地雷达资料的叠前偏移。