董 永

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

不同探測(cè)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(guó)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(cè)土壤含水率可以突出高分辨率、無(wú)損、高效等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)雷達(dá)不同探測(cè)方式對(duì)含水土壤的探測(cè)效果進(jìn)行了對(duì)比模擬,得出地質(zhì)雷達(dá)同步法對(duì)土壤含水率的探測(cè)效果相對(duì)較好的結(jié)論。

探地雷達(dá)，土壤含水率，探測(cè)方法，同步法

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用探地雷達(dá)來(lái)對(duì)多種類型土壤含水率的探測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)、全面的試驗(yàn)工作開(kāi)展較少。同時(shí)，對(duì)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(cè)量平均值以壓低非目的體的雜亂回波；作自動(dòng)時(shí)變?cè)鲆鎭?lái)校正由波前擴(kuò)展及介質(zhì)吸收引起的信號(hào)損失；用低頻、高通、帶通等頻率域?yàn)V波以消除不必要的干擾頻率，通過(guò)匹配濾波(界值法、相關(guān)法等)技術(shù)來(lái)壓制背景，突出目的體；利用反褶積和偏移處理技術(shù)來(lái)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(shí)域雙重局部性來(lái)壓制噪聲等等。但是利用探地雷達(dá)信號(hào)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的時(shí)、頻域分析開(kāi)展較少。本文利用土壤含水探地雷達(dá)信號(hào)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的時(shí)、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(hào)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(cè)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(shí)，近年來(lái)借鑒地震勘探中多次覆蓋法高信噪比的優(yōu)點(diǎn)，很多學(xué)者在探地雷達(dá)中運(yùn)用共深度點(diǎn)反射法來(lái)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(diǎn)反射方法來(lái)探討地層富水性的變化與探地雷達(dá)信號(hào)的屬性關(guān)系。

2 同步法反射波對(duì)富水體響應(yīng)分析

同步法方法可在短時(shí)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(wú)法控制水含量的深度分辨率。

2.1同步法反射波對(duì)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(zhǎng)都為0.8 m，深 0.6 m。運(yùn)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(dòng)步長(zhǎng)為0.005 m，由(0.125 m,0.55 m)移動(dòng)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(lì)源，時(shí)窗為20 ns。FDTD網(wǎng)格差分步長(zhǎng)為0.003 m，時(shí)間步長(zhǎng)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(gè)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(hào)分別為1號(hào)，2號(hào)和3號(hào)。模型如圖1所示。

圖1b)相對(duì)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(cuò)動(dòng)嚴(yán)重，且隨著含水率的增大，1號(hào)～3號(hào)反射波旅行時(shí)依次增大，雷達(dá)波的傳播速度依次變小，1號(hào)與2號(hào)和2號(hào)與3號(hào)的間隙之間產(chǎn)生了各種干擾波。

2.2同步法反射波對(duì)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(zhǎng)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(lì)源，時(shí)窗為30 ns。FDTD網(wǎng)格差分步長(zhǎng)0.003 m，時(shí)間步長(zhǎng)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(gè)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(hào)分別為1號(hào)，2號(hào)和3號(hào)，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(shí)，只有在1號(hào)富水體有強(qiáng)反射能力，在1號(hào)下方，由于高頻成分被大量吸收，其信號(hào)反射頻率降低，出現(xiàn)反射波多次震蕩等原因，將2號(hào)和3號(hào)富水性信號(hào)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(shí)，相對(duì)背景模型，此時(shí)，2號(hào)和3號(hào)的反射系數(shù)同時(shí)也增大，出現(xiàn)強(qiáng)反射波。故同步法對(duì)含水率縱向變化探測(cè)效果也較明顯有效。

3 共中心點(diǎn)法反射波對(duì)富水體響應(yīng)分析

多偏移距方法分為共中心點(diǎn)和寬角法，在多偏移距測(cè)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(cè)量速度相對(duì)較慢。

3.1共中心點(diǎn)法反射波對(duì)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(duì)富水體含水率探測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比，在用探地雷達(dá)共中心點(diǎn)法時(shí)，運(yùn)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(jiàn)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(diǎn)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(méi)有變化時(shí)，1號(hào)，2號(hào)和3號(hào)的反射波時(shí)距曲線較清晰，且1號(hào)～3號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)距曲線越來(lái)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(lái)越大，使得雷達(dá)波視速度越來(lái)越小，時(shí)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(hào)～3號(hào)含水率越來(lái)越大，對(duì)反射波的識(shí)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(hào)～3號(hào)時(shí)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(zhǎng)傳播規(guī)律理論相符。但就探測(cè)橫向變化的含水體，雷達(dá)共中心點(diǎn)相對(duì)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(diǎn)法反射波對(duì)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(diǎn)法時(shí)，運(yùn)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(jiàn)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(diǎn)法一致。

從圖5中可以見(jiàn)到背景模型下，即縱向含水率不變化時(shí)，用探地雷達(dá)共中心點(diǎn)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(hào)逐漸向低頻轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)發(fā)射波多次震蕩，反射波時(shí)距曲線也更加彎曲。當(dāng)富水體含水率隨深度方向增加時(shí)(見(jiàn)圖5b))，富水體上下邊界反射信號(hào)明顯增加，時(shí)距曲線彎曲程度相對(duì)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(duì)層位異常進(jìn)行分辨。同時(shí)隨著含水率越來(lái)越大，對(duì)反射波的識(shí)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(gè)例子中可以看到，探地雷達(dá)共中心點(diǎn)法對(duì)含水率縱向變化富水體探測(cè)效果在局部異常區(qū)分上不及同步法，但在信號(hào)分層效果上優(yōu)于同步法。

4 結(jié)論及展望

通過(guò)數(shù)值模型發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同施工方法探地雷達(dá)響應(yīng)特征對(duì)比分析中得出了雷達(dá)同步法對(duì)土壤含水率的探測(cè)效果相對(duì)好些的結(jié)論，同時(shí)采用復(fù)雜典型地質(zhì)模型對(duì)其做了進(jìn)一步驗(yàn)證。本文數(shù)值模擬中的模型相對(duì)簡(jiǎn)單和單一，只考慮含水值，未來(lái)進(jìn)一步可考慮其他因素如地層孔隙度等對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響。

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[2] 謝尚平,張 闊.高階統(tǒng)計(jì)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.

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[4] 段麗麗.基于時(shí)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(hào)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