双通道雷达的数据采集与处理采集方式与记录

双通道雷达的辐射功率除与天线长度、频率、电流有关外，还与周围介质的本征阻抗密切相关。本征阻抗高的介质中辐射功率大。钻孔中不同深度的含水量不同，本征阻抗随含水量增加而降低，辐射功率随之减少。在频率40MHz左右时，干燥岩体的本征阻抗约150Ω,含水岩体仅为70ῼ（见图1）。这就是说，同一雷达天线在干燥岩体中的辐射功率相当于含水岩体的两倍，这自然会影响接收点的幅值。可以想见，实际钻孔中岩体的含水量是变化的，雷达的辐射功率也会随之变化。

采用双通道雷达同时记录发射信号与接收信号，通过比较和归一化，确定电磁波从发射点到接收点的准确走时和幅值的衰减，为CT结果的可靠性提供了保障。

双通道雷达在数据采集时，一个通道记录发射信号，另一个通道记录接收信号。自动读取两个信号的极大值的幅值和时间，通过比较计算衰减量和旅行时，消除了发射功率和发射时间不稳定的影响，得到准确、可靠的衰减和时差。其观测方式如图2，雷达记录如图3。

图2为跨孔雷达数据的采集方式。共设计两个排列，第一个排列，发射天线在ZK1钻孔，从下向上逐点移动；接收天线在ZK2钻孔中，对应每个发射点，从下向上逐点接收。第二个排列，发射天线布置在地表，接收天线分别在ZK1孔和ZK2孔上部接收，目的是补充地表附近的交叉射线，消除剖面上部的虚假异常区。地表发射的点距可以适当放大。

图3为发射与接收信号的记录，上部是发射信号，下部是接收信号。需要说明，这里记录的发射信号是经过降压的，总幅值是该值的k倍，k值经测试给出。

双通道雷达衰减CT原理

目前电磁波跨孔CT研究多数使用衰减常数表征岩土介质的衰减特性。本文提倡使用趋肤深度作为表征岩土衰减特性的物理量。从本质上讲两者是等价的，互为倒数。采用趋肤深度的好处是不但可以表征介质的衰减特性，还可直接用以判断电磁波传播距离。岩土趋肤深度的变化范围很大，约有两个数量级。在选定的频段内，趋肤深度与电导率和电容率的关系如（7）式所示。

趋肤深度与岩体的介电常数的平方根成正比，与电导率成反比，电导率的影响更明显。通过趋肤深度的差异很容易判定岩体的岩性与含水状态，为识别岩溶、断裂带等地质对象提供科学依据。

为简便又不失一般性，假定波的传播路径是直线。双通道雷达接收信号的幅值的衰减可由下式表示。

其中Er为接收信号的幅值，Et为天线发射的幅值，R为发射点到接收点路径的长度，φ1与φ2分别为波的路径与两个钻孔轴线的夹角。雷达发射的功率比较大，记录的幅值Ep只是它的1/k，即有：

单条路径趋肤深度的求解方程为：

采集共有m条射线，测区划分成n个单元，组成单元趋肤深度为变量的代数方程组：

式中角标j表示射线序号，i表示单元序号；δi表示单元i的趋肤深度，Lij为单元内传播的路径长度，nj为射线j经由的单元数。

在满足射线数目m大于单元数量n的条件下，方程（12）有最优解，可用投影法或SART等方法求解。

以趋肤深度表示的衰减CT，数值变化范围从几米到几百米。含水岩体的衰减大，空洞区衰减小。在40MHz的频带下，岩溶含水带的趋肤深度在1-10m的范围；裂隙和孔隙含水体在15-20m的范围内；干燥岩体的趋肤深度在30-40m的范围；有张裂隙的干燥岩体的趋肤深度可在50-100m的范围内。根据趋肤深度的分布特征，可对松散层、裂隙岩体、岩溶填充物、含水带、断裂带等工程地质对象做出合理的解释。

5.3 电磁波速CT原理

电磁波速CT与衰减CT使用同一次采集的数据。前者利用波的走时，后者利用波的幅值进行成像。电磁波从发射点到接收点的旅行时可表为慢度即波速倒数的积分：

其中vi为第i单元的波速，Tj为第j条射线的走时差， Rj为第j条路径的长度，nj为第j条路径经由的单元数。

通过求解单元波速方程组（13），获得波速CT图像。图像中的波速值变化在3cm/ns到30cm/ns的范围内。地下含水溶洞和暗河的电磁波速最低，为3-4cm/ns左右；裂隙与孔隙含水岩体的波速大约为5-6cm/ns；干燥岩体的波速在10-15cm/ns范围内；干燥的无填充裂隙岩体波速可达18-20cm/ns；大型岩溶空洞的波速最大到30cm/ns。根据这些规律可对波速CT图像进行地质解释。

将衰减CT和波速CT进行综合解释，对判断地质对象的属性与特征会得到事半功倍的效果。

消除虚假异常的方法

CT技术的数学基础是Radon变换，简单说就是通过投影重建图像。这里的投影就是物理量沿路径的积分，重建图像就是反演区域内部物理量的分布。在跨孔雷达CT中，是通过对电磁波沿传播路径的走时和衰减的观测结果，反演钻孔间岩土介质的波速和趋肤深度的分布。按Radon理论要求，如果这个投影是全方位的，那么结果是唯一的，可靠的。

在跨孔CT的数据采集中，钻孔剖面的上、下部区域往往缺少采集点，射线的交角较小，近乎平行。为保证CT结果的可靠性，双通道雷达跨孔CT的处理软件对采集方案的三项指标规化和处理：

1） 区内各单元对应的射线密度，要求大于20；

2） 通过单元内射线的正交性，要求大于0.6；

3） 射线的条数要大于单元的个数；

射线正交性指的是单元内射线交角的最大正弦值。射线垂直时正交性等于1，平行时为0。满足上述三项要求的采集方案称为完备的采集系统，可保证反演结果的唯一性。软件通过对设计的观测系统的射线密度、射线正交性进行评估，给出修改建议。

为消除CT剖面上、下两处半弧形的虚假异常区，可以在地表增加发射点或接收点，进行井地联合采集（如图2）；底部区域的改善的办法是加大孔深，将钻孔深度增加孔间距的1/2，把误差区排除在研究区之外。

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