不同探測方法下的探地雷達(dá)土壤含水率正演模擬

董 永

(1.中建市政工程有限公司，北京 100000； 2.中國建筑一局(集團(tuán))有限公司，北京 100000)

不同探測方法下的探地雷達(dá)土壤含水率正演模擬

董 永1,2

(1.中建市政工程有限公司，北京 100000； 2.中國建筑一局(集團(tuán))有限公司，北京 100000)

為了給農(nóng)田灌溉技術(shù)和沙漠化治理等提供更好的方案依據(jù)，探明土壤含水率的分布情況就顯得尤為重要。采用探地雷達(dá)(GPR)探測土壤含水率可以突出高分辨率、無損、高效等優(yōu)點。針對雷達(dá)不同探測方式對含水土壤的探測效果進(jìn)行了對比模擬,得出地質(zhì)雷達(dá)同步法對土壤含水率的探測效果相對較好的結(jié)論。

探地雷達(dá)，土壤含水率，探測方法，同步法

0 引言

目前國內(nèi)外學(xué)者利用探地雷達(dá)來對多種類型土壤含水率的探測進(jìn)行系統(tǒng)、全面的試驗工作開展較少。同時，對于雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的方法很多，作用也不盡相同，比如取鄰近不同位置的多次測量平均值以壓低非目的體的雜亂回波；作自動時變增益來校正由波前擴(kuò)展及介質(zhì)吸收引起的信號損失；用低頻、高通、帶通等頻率域濾波以消除不必要的干擾頻率，通過匹配濾波(界值法、相關(guān)法等)技術(shù)來壓制背景，突出目的體；利用反褶積和偏移處理技術(shù)來消除大地干擾以及利用小波變換的調(diào)焦功能和頻域一時域雙重局部性來壓制噪聲等等。但是利用探地雷達(dá)信號對其進(jìn)行系統(tǒng)的時、頻域分析開展較少。本文利用土壤含水探地雷達(dá)信號對其進(jìn)行系統(tǒng)的時、頻域分析，進(jìn)而重新標(biāo)定土壤含水率與探地雷達(dá)信號響應(yīng)的關(guān)系。

1 模擬方法概述

在用探地雷達(dá)反射波法測量地層含水率大體可分為共偏移距方法(即同步法)和多偏移距方法兩大類。通常，二者的結(jié)合可以有效地反映研究區(qū)域的含水量信息。同時，近年來借鑒地震勘探中多次覆蓋法高信噪比的優(yōu)點，很多學(xué)者在探地雷達(dá)中運用共深度點反射法來圈定地層含水層，圈定效果也十分突出有效。本文主要研究同步法和多偏移距方法及探地雷達(dá)共深度點反射方法來探討地層富水性的變化與探地雷達(dá)信號的屬性關(guān)系。

2 同步法反射波對富水體響應(yīng)分析

同步法方法可在短時間內(nèi)獲得大范圍的潛水面深度變化數(shù)據(jù)，但它只能提供從地表至反射層深度的平均地層含水率，無法控制水含量的深度分辨率。

2.1同步法反射波對含水率橫向變化富水體響應(yīng)分析

建立含水率橫向變化含水土壤結(jié)構(gòu)模型，模型長都為0.8 m，深 0.6 m。運用GPRmax進(jìn)行探地雷達(dá)同步法模擬，固定天線距為0.5 m，接收(或發(fā)射)天線水平移動步長為0.005 m，由(0.125 m,0.55 m)移動至(0.75 m,0.55 m)，共125道。并采用電流強(qiáng)度為1 A的900 MHz雷克子波作為激勵源，時窗為20 ns。FDTD網(wǎng)格差分步長為0.003 m，時間步長為0.06 ns，采用PML吸收邊界條件，PML層設(shè)為10網(wǎng)格數(shù)。研究模型中在深0.2 m～0.3 m范圍內(nèi)設(shè)置三個含水率橫向變化富水體，大小為0.1 m×0.1 m，含水率分別為10%,25%和40%。編號分別為1號，2號和3號。模型如圖1所示。

圖1b)相對圖1a)，其雷達(dá)剖面水平連續(xù)相位突然中斷，反射波振幅增強(qiáng)，相位錯動嚴(yán)重，且隨著含水率的增大，1號～3號反射波旅行時依次增大，雷達(dá)波的傳播速度依次變小，1號與2號和2號與3號的間隙之間產(chǎn)生了各種干擾波。

2.2同步法反射波對含水率縱向變化富水體響應(yīng)分析

建立含水率縱向變化含水土壤結(jié)構(gòu)模型，模型長都為0.8 m，深0.7 m，道距0.005 m，共158道。并采用中心頻率900 MHz雷克子波作為激勵源，時窗為30 ns。FDTD網(wǎng)格差分步長0.003 m，時間步長為0.06 ns，在水平方向0.35 m～0.45 m，深0.1 m～0.15 m,0.25 m,0.3 m和0.4 m,0.45 m范圍內(nèi)設(shè)置三個含水率縱向變化富水體，大小為0.1 m×0.05 m，含水率分別為10%,25%和40%。編號分別為1號，2號和3號，如圖2所示。

從圖3a)中可以看到，在背景模型下，即縱向含水率不變化時，只有在1號富水體有強(qiáng)反射能力，在1號下方，由于高頻成分被大量吸收，其信號反射頻率降低，出現(xiàn)反射波多次震蕩等原因，將2號和3號富水性信號遮掩。在圖3b)中可以看到，當(dāng)含水率隨著深度的加深而增大時，相對背景模型，此時，2號和3號的反射系數(shù)同時也增大，出現(xiàn)強(qiáng)反射波。故同步法對含水率縱向變化探測效果也較明顯有效。

3 共中心點法反射波對富水體響應(yīng)分析

多偏移距方法分為共中心點和寬角法，在多偏移距測量中可以得到連續(xù)的反射波，進(jìn)而得到地層介電常數(shù)，從而得到含水率，但測量速度相對較慢。

3.1共中心點法反射波對含水率橫向變化富水體響應(yīng)分析

為了與上述探地雷達(dá)同步法對富水體含水率探測效果進(jìn)行對比，在用探地雷達(dá)共中心點法時，運用上述背景模型和含水率橫向變化富水體地層結(jié)構(gòu)模型(見圖1)，模型參數(shù)及數(shù)值模擬參數(shù)和橫向變化富水體共中心點法一致。

從圖4a)背景CMP雷達(dá)剖面可以看出，當(dāng)含水率橫向沒有變化時，1號，2號和3號的反射波時距曲線較清晰，且1號～3號對應(yīng)的時距曲線越來越彎曲，這主要由于它們都處在同一反射界面的，隨著偏移距的不斷增大，波源的平面波波前與地面的夾角越來越大，使得雷達(dá)波視速度越來越小，時距曲線就越彎曲。在圖4b)富水體CMP雷達(dá)剖面中可以看到，由于1號～3號含水率越來越大，對反射波的識別有一定的影響，不同含水率富水體與背景層產(chǎn)生了相應(yīng)的反射系數(shù)，剖面中出現(xiàn)了比較明顯的多次反射波。且相比背景模型，受到富水體含水率影響下的1號～3號時距曲線漸近線更靠近直達(dá)波曲線。這與上幾節(jié)提到的電磁波長傳播規(guī)律理論相符。但就探測橫向變化的含水體，雷達(dá)共中心點相對同步法施工較為復(fù)雜，且反應(yīng)效果不及雷達(dá)同步法。

3.2共中心點法反射波對含水率縱向變化富水體響應(yīng)分析

在用探地雷達(dá)共中心點法時，運用上述背景模型和含水率縱向變化富水體地層結(jié)構(gòu)模型(見圖2)，模型參數(shù)及數(shù)值模擬參數(shù)和縱向變化富水體共中心點法一致。

從圖5中可以見到背景模型下，即縱向含水率不變化時，用探地雷達(dá)共中心點法可以很好的區(qū)分縱方向的層狀富水體，但隨著深度的加深，反射信息越弱，高頻信號逐漸向低頻轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)發(fā)射波多次震蕩，反射波時距曲線也更加彎曲。當(dāng)富水體含水率隨深度方向增加時(見圖5b))，富水體上下邊界反射信號明顯增加，時距曲線彎曲程度相對背景模型下更加嚴(yán)重，即曲線漸近線更加遠(yuǎn)離直達(dá)波曲線,且分層明顯，但水平方向上并不能區(qū)分在0.35 m～0.45 m范圍內(nèi)出現(xiàn)的異常，只能對層位異常進(jìn)行分辨。同時隨著含水率越來越大，對反射波的識別有一定的影響，剖面中出現(xiàn)了比較明顯的多次反射波。從這個例子中可以看到，探地雷達(dá)共中心點法對含水率縱向變化富水體探測效果在局部異常區(qū)分上不及同步法，但在信號分層效果上優(yōu)于同步法。

4 結(jié)論及展望

通過數(shù)值模型發(fā)現(xiàn)，對不同施工方法探地雷達(dá)響應(yīng)特征對比分析中得出了雷達(dá)同步法對土壤含水率的探測效果相對好些的結(jié)論，同時采用復(fù)雜典型地質(zhì)模型對其做了進(jìn)一步驗證。本文數(shù)值模擬中的模型相對簡單和單一，只考慮含水值，未來進(jìn)一步可考慮其他因素如地層孔隙度等對雷達(dá)信號的影響。

[1] 王 磊,彭 濤,孫浩偉,等.偏移技術(shù)在探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2007(6):90,100-101.

[2] 謝尚平,張 闊.高階統(tǒng)計量在探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].物探與化探,2012(1):122-125，132.

[3] 曹震峰,楊世福,宋世榮,等.探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法及其應(yīng)用[J].地質(zhì)與勘探,1996(1):34-42.

[4] 段麗麗.基于時間序列挖掘的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)分析研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué),2015.

[5] 楊廷怡.探地雷達(dá)信號處理的研究與應(yīng)用[D].成都：電子科技大學(xué),2014.

ForwardmodelingofsoilmoisturecontentofGroundPenetratingRadarunderdifferentdetectionmethods

DongYong1,2

(1.ChinaStateMunicipalEngineeringCo.,Ltd,Beijing100000,China; 2.ChinaConstructionOne(Group)Co.,Ltd,Beijing100000,China)

In order to provide better scheme basis for farmland irrigation technology and desertification control, it is particularly important to find out the distribution of soil water content. The Ground Penetrating Radar(GPR) is used to detect the soil moisture content, which can highlight the advantages of high resolution, non-destructive, high efficiency, etc.. The detection effect of different detection methods of radar on water bearing soil is compared and simulated. The detection effect of geological radar synchronization method on soil moisture content is relatively good.

Ground Penetrating Radar, soil moisture content, detection method, synchronous method

1009-6825(2017)29-0100-02

2017-08-06

董 永(1987- )，男，助理工程師

P624

A