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基于探地雷达有限带宽阻抗反演的薄层识别技术研究

2018-11-14
在目前近地表地球物理调查中,探地雷达技术(GPR)是一项快速无损且分辨率较高的方法。与其他方法相比,GPR 在异常体平面展布信息上有较好反映的同时,可以提供更多的深度信息,这是GPR 在考古、环境调查和工程等应用中广受青睐的重要原因。然而由于高频电磁波衰减严重,到一定深度后薄层的响应并不能被有效地识别,特别是在南方土壤含水量较多的情况下,问题被放大。而目前的近地表问题,如考古上细致的文化层调查,仅依靠常规手段很难达到目的,这就对薄层识别的技术提出了更高的要求。

地震反演技术的发展已较为成熟,其中有限带宽阻抗反演方法利用井资料弥补了原始数据带宽有限的不足,可以得到信息丰富完整的全频带数据。GPR 原理与地震有相通之处,并且有些近地表工作如考古有着丰富的钻孔资料,如果能够将 GPR 数据和井资料用此方法有机地结合起来,将十分有助于薄层识别问题的解决。

因此,本文首先介绍有限带宽阻抗反演的方法原理,接着对模拟和实测的薄层数据进行反演和分析,进而讨论该方法解决薄层识别问题的可行性。

1.有限带宽阻抗反演原理


不同地下介质具有不同的介电常数和磁导率,磁导率与相对介电常数比值的平方根叫做波阻抗。在通常假设成立的情况下,相对介电常数可以直接表示介质的阻抗值。通过此关系,一方面可以将钻孔样品所测物性转化为阻抗值参与反演,另一方面也能够将最终反演的区域阻抗结果与物性联系起来。

电磁波发射、传播、反射到接收,相当于经历了一个滤波系统。这个过程就相当于在每个反射系数位置上用一个子波把反射系数替换掉,子波的方向和振幅强弱取决于反射系数的正负和大小。因此,我们可以认为 GPR 数据 D(t)是地层反射系数序列R(t)和静态有限带宽的子波 W(t)褶积的结果。这样若子波W(t)已知,便可以直接由GPR数据D(t)得到真实的反射系数序列 R(t)。本文采用的是以稀疏脉冲反褶积为核心的一系列处理方法。

反射系数R(t)可以理解为不同层界面的阻抗信息,因此阻抗Z(t)和R(t)便建立了关系。我们通过真实的反射系数序列R(t),可以递推反演出波阻抗。由于递推反演得到的阻抗带宽有限,信息不够丰富,对薄层的反映可能会被淹没在高频信息之中。而井数据虽然分层细微,但在波形中仍属于低频成分,这时可以利用井数据对低频信息进行补偿,最终得到一个全频带的波阻抗数据体。

以上是有限带宽阻抗反演的方法原理,下面是详细的实现步骤:

①GPR 数据预处理,包括零时校正、去直流分量等;

②GPR 数据常规处理,包括振幅补偿、去背景噪声、预测反褶积、偏移等;

③稀疏脉冲反褶积,重建反射系数R(t);

④对 R(t)进行有限带宽积分滤波,并递推反演出相应的阻抗Z1;

⑤将钻孔介电常数值转化为阻抗值,并进行深时转换得到阻抗的时间序列Z2,计算出其线性变化趋势值Zb,从 Z2中减去 Zb;

⑥对Z1 、Z2做傅里叶变换并对 Z2进行低通滤波,选择合适阈值对 Z1进行增益,在频率域将 Z1与 Z2相加;

⑦对上步结果进行傅里叶反变换,再加上步骤 5 的线性趋势值Zb,得到最终结果 Z。

2.模拟和实测数据反演实例


根据上述问题,设计了一理想水平薄层模型进行正演模拟,对模拟数据按照上述流程进行反演,结果如下:

图 1模拟数据和反演结果分析

在 GPR 数据的 35ns 处附近能看到微小的响应,这正是与背景介质性质接近的薄层上下界面反射所产生。但由于衰减和反射系数较小,从 GPR 数据中并不能很好的识别该薄层。经过有限带宽阻抗反演后,薄层信息得以被放大。对比反演结果和真实值可以看出,无论变化趋势还是幅值范围二者均有较好的一致性。

实测区域位于良渚莫角山东南角,该处地下有一红烧土层为良渚时期地层,层厚约 10~20cm。经过有限带宽阻抗反演之后,不同时期地层被较好地分离开,红烧土层的位置、形态较原来更加明显。

3.结论


通过模拟和实测数据的实验,有限带宽阻抗反演被证明可以用于探地雷达的薄层识别中,并且在一定条件下具有较好的效果。相比于传统方法,其结果更为清晰直观,由波阻抗甚至可以得到含水量等参数,这些对于近地表地球物理调查具都有重要的意义。

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