双通道雷达跨孔CT原理与应用.docx

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1、双通道跨孔雷达CT原理与应用摘要钻孔中雷达的发射功率会随围岩的含水性而改变。目前国内外的跨孔雷达都是单道的，CT结果存在三方面的问题。第一，由于发射功率受介质特性的影响，单通道雷达的衰减CT的可靠性存在问题；第二，雷达的发射功率较小，探测的距离较短；第三，剖面上下部分射线的交角较小，存在半圆形虚假异常区。针对上述问题开发出双通道跨孔雷达，同时记录发射信号和接收信号，为波速CT和衰减CT的准确性提供了可靠的保障。在对岩土介质中发射功率、本征阻抗、趋肤深度、波速等物理量的频率特性研究的基础上，选定40MHz作为工作频率，对岩体的含水性具有较高的敏感度。应用双通道雷达在贵州地铁岩溶场地进行了跨孔CT

2、勘查试验，并与地震波CT进行了对比。理论和实践证明，双通道雷达跨孔CT结果更为准确可靠，在工程与资源勘查中具有广泛的应用前景。1引言跨孔电磁波探测工作已经有几十年的发展历史，在金属矿勘查、油田开采、工程地质与水文地质勘查中都有应用。吉林大学刘四新(2023)对井间电磁波技术做过综述。他将孔间电磁探测方法分为三种类型，分别称为井间电磁法、井间无线电波法和井间雷达CT法。分析了这三种类型各自的特点。井间电磁法工作于低频段，以扩散场为基础，探测范围大，但分辨率低；无线电波法和跨孔雷达法工作于高频段，以波动场为基础，传播具有路径特征，适合CT成像。两者的区别在于前者采用模拟记录，记录电场强度，用于衰减

3、CT；后者基于雷达平台，数值波形记录，可同时进行波速CT和衰减CT成像。跨孔雷达CT以数值记录为基础，配合数据处理的CT成像技术，两者的结合体现了当代技术的先进性，可能成为工程物探的有利手段。但因设备技术难度较大，理论研究深度不足，发展缓慢。瑞典MaIa公司1980年代最早推出IMHz跨孔雷达，用于欧洲核废料处理场地的研究。美国GSS1公司1990年代推出120MHZ的跨孔雷达，用于工程地质与水文地质的勘探。国内的电磁波跨孔CT成像技术应用研究的势头正在兴起，尤其是在岩溶勘查工作中逐渐受到重视。这些研究有的使用无线电波法，如梁潮等(2010)使用5-25MHZ频率，功率IOW的发射机研究坝基的

4、岩溶，指导坝体的安全处理；工程物探领域，基于雷达平台的跨孔CT的应用研究一直在不断努力。姚先国(2013)将跨孔雷达CT用于贵州高速公路的岩溶勘查，完成了8个CT剖面。多数剖面跨距15m左右，孔深15m左右。崔双利等(2014)使用跨孔雷达技术探测水库坝基的渗漏问题。使用Ma1a雷达，IOoMHZ天线，孔深18-19m,孔距4-5m。黄家会(1999)使用60MHz的Ma1a雷达，在开滦矿务局范各庄煤矿探测岩溶陷落柱。孔间距89m,孔深90m,这是跨孔雷达实际应用中探测距离最大的先例。这一方面可能是由于岩体比较干燥，衰减比较小，同时也说明跨孔雷达的探测距离的提高具有很大的潜力。在工程物探领域，

5、跨孔雷达CT的应用远不及地震波跨孔CT那样广泛。除了技术难度大之外，根本原因还在于跨孔雷达自身存在着诸多问题，其探测结果不能漏足工程物探的实际需要。跨孔雷达CT目前存在下列三方面的问题。(一)衰减CT结果不准确研究发现，钻孔中雷达的发射功率受含水性影响，单通道雷达的衰减CT并不可靠。常常遇到一个钻孔两个不同方向CT剖面的衰减值可能出现数量级的差异。这一问题存在的根本原因是由于单通道雷达只能记录接收点的信号，难以消除发射功率变化的影响。在衰减CT的数据处理中，不约而同地假定不同位置雷达的发射功率是不变的，实际上这一假定并不真实。雷达的发射功率与周围介质的本征阻抗成正比，阻抗高发射功率大。钻孔不同

6、深度含水量不同，本征阻抗随含水量增加而降低。相同的天线在空洞中、干燥岩体中和含水岩体中的发射功率相差很大，其比值约为377：150：70o如果不考虑含水量变化对发射功率的影响，以及对接收信号幅值的影响，那么衰减CT的计算就失去了客观性。这是单通道雷达衰减数据不可靠的根本原因。(-)探测距离短目前使用的IOOMHZ天线的跨孔雷达，其探测的孔间距不超过15m,在地下水丰富地区甚至不超过IOm,这就大大地限制了它的应用范围。李华(2010)在跨孔雷达CT研究中就指出，雷达的探测距离只有10几米，不能满足多数工程的需要，这是一个普遍的问题。(H)存在虚假异常区目前的跨孔雷达CT研究，忽略了RadOn由

7、投影重建图像理论的基本要求，全方位的投影才能保证重建图像的可靠性。跨孔雷达的数据采集难以做到像医学CT那样全方位地投影。目前跨孔雷达数据采集的传统做法是在钻孔中移动发射与接收。这样的采集方式在剖面的上部和下部缺少交叉射线，与全方位投影的要求相差甚远。在剖面的上部和下部的半圆弧的范围内存在虚假异常。在孔距与孔深接近的剖面内，上下虚假异常甚至覆盖了绝大部分图像区间，使结果失去使用价值。本篇文章针对跨孔雷达CT目前存在的上述问题，进行了长期认真地研究，自主地开发出了双通道跨孔雷达，为CT图像的可靠性提供了技术保障；通过加大发射功率增大了探测距离，同时为了避免虚假异常，给出了对采集方案完备性的判别方法

8、。通过在贵州地铁岩溶探测的实践，证明了双通道雷达技术的有效性。2岩土介质中电磁波传播的基本特性地球表面的岩土介质是具有一定的电导率和电容率(介电常数)的导电介质。在无限均匀导电媒质中电磁波传播满足麦克斯尔方程，其电场解的形式如式(2)。E2E小VE=+b(1)初t2、EiqXU)E(r)=edev3=/:V=I二(3)“SeCeSin(O/2)Jsec0cos(J2)上式中E为电场强度，Ei为初始值；为磁导率，。为电导率，E为电容率，3为角频率，为趋肤深度，V为电磁波速，。为损耗角。波动方程(1)是岩体内电磁波传播中电荷的守恒方程。(1)式的左端是单位时间体积内电荷密度的变化率；右端第一项是传

9、导电流的时间变化率，第二项是位移电流的时间变化率。其物理含义是电磁波传播过程中单位体积内电荷密度的变化等于传导电流和位移电流的时间变化率的之合。波动方程的解(2)给出一个包含几何扩散和介质耗损衰减的波动场,其中波速、趋肤深度和频率是影响传播特性的重要参量。岩体中传导电流的大小与介质的电导率成正比，它的相位与电压相同，传播中生热引起能量损耗。位移电流与电容率和频率的乘积成正比，相位落后电压0/2,传播中没有损耗。传导电流、位移电流和电场电压的关系，可以用匏平面表达成图1。图1传导电流和位移电流图2岩土介质的损耗比与导电特性分类其中Jd=-jEJc=EJ=(-j)Ep=tan(4)式中P为介质损耗

10、比，定义为传导电流与位移电流的比值，是决定岩土介质电磁波传播特性的最重要物的理量。工程实践中遇到的岩石种类繁多，但其干燥岩石的电导率分布在10-10飞加的范围内，其代表值可取3.3X10，电容率(相对介电常数)在29的范围内，代表值取6；岩体含水后电导率有两个数量级的增大，代表值取3.3X10-2；电容率有数倍的增加，变化在2040之间，代表值取30。根据这些岩土介质的典型代表值，可计算出P值随频率的变化，将P=I对应的频率称为岩体的特征频率。干燥岩体和含水岩体的损耗比P随频率的变化表达在双对数坐标图2中。结果显示，干燥岩体的特征频率为IMHz,含水岩体的特征频率为20MHz。以P值为指标，岩

11、土介质电磁波的传播特性划分为三种类型。第一类，损耗比p1,岩土的特性表现为良导体。传导电流占主导，位移电流较小。实际应用中取P210,对应频段fWIOOkHz,即为低频段。此频段内电磁场不以波动方式传播，而是以扩散场的方式传播。电磁波速v、趋肤深度等参数简化为如下形式。这些关系式在CSAMT电磁测深中被使用。此低频段电磁波的传播没有特定的路径，不适合基于Radon投影原理的CT技术。第二类，损耗比p71,对应的特征频率IMHz,岩土介质表现为导电媒质。传导电流与位移电流的幅值相近。实际应用中取0.1P10,对应频段为中频段，100kHzfIOMHzo电磁场一部分能量以波动方式传播，另一部分能量

12、以扩散场方式损耗。隧道超前探水的反射相干技术使用的就是这个频段8o此频段内电磁波传播参数简化为如下形式。=77=7=V=1J-1丁(6)#2(vJsin(%)32jwcos(%)第三类，损耗比p1,岩土介质表现为绝缘体。实际工作中取pIOMHz,即工作于高频段。位移电流比传导电流大得多，电磁波衰减小。主要传播参数简化为如下形式。地质雷达工作于此频段，适合CT成像技术。由上述分析可知，岩土中电磁波的传播特性与频率有关，IOokHZ以下的低频段不适合于跨孔CT；IOMHZ以上的高频段适合用于雷达CT成像；IOokHZIOMHZ的中频段适合于反射相干法隧道超前探水。合理的选择工作频段，可以增强对地质

13、对象判别的敏感度。3雷达发射功率与介质特性的关系跨孔雷达CT工作于透射方式，通过电磁波的走时和幅值的衰减，对孔间岩体的速度和衰减系数成像，了解岩土介质的属性与含水状态。目前国内外的跨孔雷达都是单通道的，假定雷达的发射功率是稳定不变的，认为只要获得接收点的信号就可以根据传播路径反演出衰减系数的分布。最近的理论研究和试验测定证实，这一假定是不成立的。3.1 发射功率与本征阻抗有关雷达是一个开放系统，它的发射功率与介质的本征阻抗大小有关，而本征阻抗又是随岩体的含水量剧烈变化的。地质雷达多实用短，其性能可用赫兹天线代表。其辐射的功率为如下形式：式中Prad为辐射功率，n为岩体的本征阻抗，人为波长，1为

14、天线长度，I为天线中的电流。该式说明，在天线长度、电流、频率确定的条件下，发射功率与介质的本征阻抗成正比。岩体的本征阻抗如式（9）所示。由此可见，它与介质的电导率、电容率、磁导率有关。岩体由于含水而使电导率和电容率增大，本征阻抗降低，发射功率下降。图3为干湿岩体的本征阻抗与频率的关系。岩溶空洞中本征阻抗约为377，干燥岩体的本征阻抗约为15Oa含水岩体约为70Q。本征阻抗随频率升高而急剧升高，当频率大于IOMHZ时，达到稳定值。5o4o3o2olo9o8o7o6o5o4o3o2olooU年i.含水着行反射系效1234567810100IKIOKIOOKIMIOMIoOM率fd3霞3图4干湿岩体

15、中雷达的辐射功率图3干湿岩土本征阳抗与频率的关系图5发射功率随深度的变化图4为天线长度为0.5m,电流为50A时，雷达的辐射功率随频率的变化曲线。干燥岩体中的发射功率约为含水岩体的二倍。3.2 发射功率随深度变化的试验测定为研究雷达反射功率随深度的变化，2023年8月在贵阳对钻孔雷达发射信号进行了现场测定。发射钻孔中共设置了29个发射点，间隔Im；每个发射点有29次发射记录。对每个发射点的发射信号幅值进行平均，得到各点对应的发射功率，经归一化绘于图5。从图中可以清楚地看出，随深度增加辐射功率迅速减小，由0.9降到0.1,相差9倍。表层IOm以内变化斜率较陡，为0.06/m；从IOm到29m,斜率变缓，为0.01m,辐射功率的降低,实际反映了介质本征阻抗的降低，也就是含水量的增加。Iom以下由于饱水状态，本征阻抗降低到大约20Q左右。发射功率曲线的变化也反映了不同深度岩溶的发育与饱水状态。实际资料证明，雷达的发射功率是随介质特性变化的。为了得到可靠的衰减CT结果，需要采用双通道雷达，同时记录发射和接收信号。4雷达频率的选择4.1对衰减特性敏感频段的选择岩土工程中常见的地质灾害多与含水有关。不失一般性，这里以干燥岩体和含水岩体为对象，讨论如何选择雷达频段，以便对干湿岩体衰减特性和波速的差异更为敏感。首先从讨论衰减特性开始。