不同探测方法下的探地雷达土壤含水率正演模拟

董 永

(1.中建市政工程有限公司，北京 100000； 2.中国建筑一局(集团)有限公司，北京 100000)

不同探测方法下的探地雷达土壤含水率正演模拟

董 永1,2

(1.中建市政工程有限公司，北京 100000； 2.中国建筑一局(集团)有限公司，北京 100000)

为了给农田灌溉技术和沙漠化治理等提供更好的方案依据，探明土壤含水率的分布情况就显得尤为重要。采用探地雷达(GPR)探测土壤含水率可以突出高分辨率、无损、高效等优点。针对雷达不同探测方式对含水土壤的探测效果进行了对比模拟,得出地质雷达同步法对土壤含水率的探测效果相对较好的结论。

探地雷达，土壤含水率，探测方法，同步法

0 引言

目前国内外学者利用探地雷达来对多种类型土壤含水率的探测进行系统、全面的试验工作开展较少。同时，对于雷达数据处理的方法很多，作用也不尽相同，比如取邻近不同位置的多次测量平均值以压低非目的体的杂乱回波；作自动时变增益来校正由波前扩展及介质吸收引起的信号损失；用低频、高通、带通等频率域滤波以消除不必要的干扰频率，通过匹配滤波(界值法、相关法等)技术来压制背景，突出目的体；利用反褶积和偏移处理技术来消除大地干扰以及利用小波变换的调焦功能和频域一时域双重局部性来压制噪声等等。但是利用探地雷达信号对其进行系统的时、频域分析开展较少。本文利用土壤含水探地雷达信号对其进行系统的时、频域分析，进而重新标定土壤含水率与探地雷达信号响应的关系。

1 模拟方法概述

在用探地雷达反射波法测量地层含水率大体可分为共偏移距方法(即同步法)和多偏移距方法两大类。通常，二者的结合可以有效地反映研究区域的含水量信息。同时，近年来借鉴地震勘探中多次覆盖法高信噪比的优点，很多学者在探地雷达中运用共深度点反射法来圈定地层含水层，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达共深度点反射方法来探讨地层富水性的变化与探地雷达信号的属性关系。

2 同步法反射波对富水体响应分析

同步法方法可在短时间内获得大范围的潜水面深度变化数据，但它只能提供从地表至反射层深度的平均地层含水率，无法控制水含量的深度分辨率。

2.1同步法反射波对含水率横向变化富水体响应分析

建立含水率横向变化含水土壤结构模型，模型长都为0.8 m，深 0.6 m。运用GPRmax进行探地雷达同步法模拟，固定天线距为0.5 m，接收(或发射)天线水平移动步长为0.005 m，由(0.125 m,0.55 m)移动至(0.75 m,0.55 m)，共125道。并采用电流强度为1 A的900 MHz雷克子波作为激励源，时窗为20 ns。FDTD网格差分步长为0.003 m，时间步长为0.06 ns，采用PML吸收边界条件，PML层设为10网格数。研究模型中在深0.2 m～0.3 m范围内设置三个含水率横向变化富水体，大小为0.1 m×0.1 m，含水率分别为10%,25%和40%。编号分别为1号，2号和3号。模型如图1所示。

图1b)相对图1a)，其雷达剖面水平连续相位突然中断，反射波振幅增强，相位错动严重，且随着含水率的增大，1号～3号反射波旅行时依次增大，雷达波的传播速度依次变小，1号与2号和2号与3号的间隙之间产生了各种干扰波。

2.2同步法反射波对含水率纵向变化富水体响应分析

建立含水率纵向变化含水土壤结构模型，模型长都为0.8 m，深0.7 m，道距0.005 m，共158道。并采用中心频率900 MHz雷克子波作为激励源，时窗为30 ns。FDTD网格差分步长0.003 m，时间步长为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范围内设置三个含水率纵向变化富水体，大小为0.1 m×0.05 m，含水率分别为10%,25%和40%。编号分别为1号，2号和3号，如图2所示。

从图3a)中可以看到，在背景模型下，即纵向含水率不变化时，只有在1号富水体有强反射能力，在1号下方，由于高频成分被大量吸收，其信号反射频率降低，出现反射波多次震荡等原因，将2号和3号富水性信号遮掩。在图3b)中可以看到，当含水率随着深度的加深而增大时，相对背景模型，此时，2号和3号的反射系数同时也增大，出现强反射波。故同步法对含水率纵向变化探测效果也较明显有效。

3 共中心点法反射波对富水体响应分析

多偏移距方法分为共中心点和宽角法，在多偏移距测量中可以得到连续的反射波，进而得到地层介电常数，从而得到含水率，但测量速度相对较慢。

3.1共中心点法反射波对含水率横向变化富水体响应分析

为了与上述探地雷达同步法对富水体含水率探测效果进行对比，在用探地雷达共中心点法时，运用上述背景模型和含水率横向变化富水体地层结构模型(见图1)，模型参数及数值模拟参数和横向变化富水体共中心点法一致。

从图4a)背景CMP雷达剖面可以看出，当含水率横向没有变化时，1号，2号和3号的反射波时距曲线较清晰，且1号～3号对应的时距曲线越来越弯曲，这主要由于它们都处在同一反射界面的，随着偏移距的不断增大，波源的平面波波前与地面的夹角越来越大，使得雷达波视速度越来越小，时距曲线就越弯曲。在图4b)富水体CMP雷达剖面中可以看到，由于1号～3号含水率越来越大，对反射波的识别有一定的影响，不同含水率富水体与背景层产生了相应的反射系数，剖面中出现了比较明显的多次反射波。且相比背景模型，受到富水体含水率影响下的1号～3号时距曲线渐近线更靠近直达波曲线。这与上几节提到的电磁波长传播规律理论相符。但就探测横向变化的含水体，雷达共中心点相对同步法施工较为复杂，且反应效果不及雷达同步法。

3.2共中心点法反射波对含水率纵向变化富水体响应分析

在用探地雷达共中心点法时，运用上述背景模型和含水率纵向变化富水体地层结构模型(见图2)，模型参数及数值模拟参数和纵向变化富水体共中心点法一致。

从图5中可以见到背景模型下，即纵向含水率不变化时，用探地雷达共中心点法可以很好的区分纵方向的层状富水体，但随着深度的加深，反射信息越弱，高频信号逐渐向低频转变，出现发射波多次震荡，反射波时距曲线也更加弯曲。当富水体含水率随深度方向增加时(见图5b))，富水体上下边界反射信号明显增加，时距曲线弯曲程度相对背景模型下更加严重，即曲线渐近线更加远离直达波曲线,且分层明显，但水平方向上并不能区分在0.35 m～0.45 m范围内出现的异常，只能对层位异常进行分辨。同时随着含水率越来越大，对反射波的识别有一定的影响，剖面中出现了比较明显的多次反射波。从这个例子中可以看到，探地雷达共中心点法对含水率纵向变化富水体探测效果在局部异常区分上不及同步法，但在信号分层效果上优于同步法。

4 结论及展望

通过数值模型发现，对不同施工方法探地雷达响应特征对比分析中得出了雷达同步法对土壤含水率的探测效果相对好些的结论，同时采用复杂典型地质模型对其做了进一步验证。本文数值模拟中的模型相对简单和单一，只考虑含水值，未来进一步可考虑其他因素如地层孔隙度等对雷达信号的影响。

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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，助理工程师

P624

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