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    基于探地雷達有限帶寬阻抗反演的薄層識別技術研究

    2018-11-14
    在目前近地表地球物理調查中,探地雷達技術(GPR)是一項快速無損且分辨率較高的方法。與其他方法相比,GPR 在異常體平面展布信息上有較好反映的同時,可以提供更多的深度信息,這是GPR 在考古、環境調查和工程等應用中廣受青睞的重要原因。然而由于高頻電磁波衰減嚴重,到一定深度后薄層的響應并不能被有效地識別,特別是在南方土壤含水量較多的情況下,問題被放大。而目前的近地表問題,如考古上細致的文化層調查,僅依靠常規手段很難達到目的,這就對薄層識別的技術提出了更高的要求。

    地震反演技術的發展已較為成熟,其中有限帶寬阻抗反演方法利用井資料彌補了原始數據帶寬有限的不足,可以得到信息豐富完整的全頻帶數據。GPR 原理與地震有相通之處,并且有些近地表工作如考古有著豐富的鉆孔資料,如果能夠將 GPR 數據和井資料用此方法有機地結合起來,將十分有助于薄層識別問題的解決。

    因此,本文首先介紹有限帶寬阻抗反演的方法原理,接著對模擬和實測的薄層數據進行反演和分析,進而討論該方法解決薄層識別問題的可行性。

    1.有限帶寬阻抗反演原理


    不同地下介質具有不同的介電常數和磁導率,磁導率與相對介電常數比值的平方根叫做波阻抗。在通常假設成立的情況下,相對介電常數可以直接表示介質的阻抗值。通過此關系,一方面可以將鉆孔樣品所測物性轉化為阻抗值參與反演,另一方面也能夠將最終反演的區域阻抗結果與物性聯系起來。

    電磁波發射、傳播、反射到接收,相當于經歷了一個濾波系統。這個過程就相當于在每個反射系數位置上用一個子波把反射系數替換掉,子波的方向和振幅強弱取決于反射系數的正負和大小。因此,我們可以認為 GPR 數據 D(t)是地層反射系數序列R(t)和靜態有限帶寬的子波 W(t)褶積的結果。這樣若子波W(t)已知,便可以直接由GPR數據D(t)得到真實的反射系數序列 R(t)。本文采用的是以稀疏脈沖反褶積為核心的一系列處理方法。

    反射系數R(t)可以理解為不同層界面的阻抗信息,因此阻抗Z(t)和R(t)便建立了關系。我們通過真實的反射系數序列R(t),可以遞推反演出波阻抗。由于遞推反演得到的阻抗帶寬有限,信息不夠豐富,對薄層的反映可能會被淹沒在高頻信息之中。而井數據雖然分層細微,但在波形中仍屬于低頻成分,這時可以利用井數據對低頻信息進行補償,最終得到一個全頻帶的波阻抗數據體。

    以上是有限帶寬阻抗反演的方法原理,下面是詳細的實現步驟:

    ①GPR 數據預處理,包括零時校正、去直流分量等;

    ②GPR 數據常規處理,包括振幅補償、去背景噪聲、預測反褶積、偏移等;

    ③稀疏脈沖反褶積,重建反射系數R(t);

    ④對 R(t)進行有限帶寬積分濾波,并遞推反演出相應的阻抗Z1;

    ⑤將鉆孔介電常數值轉化為阻抗值,并進行深時轉換得到阻抗的時間序列Z2,計算出其線性變化趨勢值Zb,從 Z2中減去 Zb;

    ⑥對Z1 、Z2做傅里葉變換并對 Z2進行低通濾波,選擇合適閾值對 Z1進行增益,在頻率域將 Z1與 Z2相加;

    ⑦對上步結果進行傅里葉反變換,再加上步驟 5 的線性趨勢值Zb,得到最終結果 Z。

    2.模擬和實測數據反演實例


    根據上述問題,設計了一理想水平薄層模型進行正演模擬,對模擬數據按照上述流程進行反演,結果如下:

    圖 1模擬數據和反演結果分析

    在 GPR 數據的 35ns 處附近能看到微小的響應,這正是與背景介質性質接近的薄層上下界面反射所產生。但由于衰減和反射系數較小,從 GPR 數據中并不能很好的識別該薄層。經過有限帶寬阻抗反演后,薄層信息得以被放大。對比反演結果和真實值可以看出,無論變化趨勢還是幅值范圍二者均有較好的一致性。

    實測區域位于良渚莫角山東南角,該處地下有一紅燒土層為良渚時期地層,層厚約 10~20cm。經過有限帶寬阻抗反演之后,不同時期地層被較好地分離開,紅燒土層的位置、形態較原來更加明顯。

    3.結論


    通過模擬和實測數據的實驗,有限帶寬阻抗反演被證明可以用于探地雷達的薄層識別中,并且在一定條件下具有較好的效果。相比于傳統方法,其結果更為清晰直觀,由波阻抗甚至可以得到含水量等參數,這些對于近地表地球物理調查具都有重要的意義。

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