基于正演建模的GPR电磁波场的综述

基于正演建模的GPR电磁波场的综述

李瑶瑶,宋正淳

吉林建筑大学测勘学院

摘要：探地雷达（GPR）[1]作为一种重要的物理探测方法，广泛用于各种浅层地质条件的勘测，探地雷达其工作原理是利用天线激发高频脉冲电磁波传至地下有耗介质中，由于电磁波在有耗介质中的运动会产生能量衰减，根据电磁波能量衰减情况可以探究地表下的介质分布情况。在理想状态下，介质中的粒子均匀分布，其介电常数和电导率也是均匀分布。在实际状态下，介质的分布是无序的，其粒子也是分布不均，导致介质中各位置的介电常数和电导率均不同。本文介绍电磁波场在实际状态下的放射现象，通过整理对随机介质的电磁波场的认识与理解，详细阐述了高频电磁波在随机介质中的衰减现象，阐述了不可预见的杂波信号干扰地下目标体成像的原因。随机介质模型[2]的构件，对探测分析真实地下介质分布情况具有推动作用。

关键词：

Abstract：As an important physical detection method, ground penetrating radar (GPR) is widely used in the survey of various shallow geological conditions. Its working principle is to use the antenna to excite high-frequency pulse electromagnetic waves and transmit them to the underground lossy media. Since the movement of electromagnetic waves in the lossy media will cause energy attenuation, the distribution of media under the surface can be explored according to the electromagnetic wave energy attenuation. In an ideal state, the particles in the medium are uniformly distributed, and the dielectric constant and conductivity are also uniformly distributed. In the actual state, the distribution of the medium is disordered, and its particles are also unevenly distributed, resulting in the different dielectric constant and conductivity of each position in the medium. This paper introduces the radiation phenomenon of the electromagnetic wave field in the actual state. Through sorting out the understanding and understanding of the electromagnetic wave field of the random medium, it expounds the attenuation phenomenon of high-frequency electromagnetic wave in the random medium in detail, and expounds the reasons why the unpredictable clutter signal interferes with the imaging of underground targets. The components of the random medium model can promote the detection and analysis of the real underground medium distribution.

前言

电磁波以介质的电性参数差异（主要包括介电常数、电导率和磁导率）为基础实现对目标区域内的地下目标体形态、位置的特征探测。电磁波是由磁场与电场在空间中产生的振荡粒子波，以波的形式在电场与磁场相互作用的空间中产生。其速率在真空中固定，速度为光速。电磁波在相邻两个介质中会产生反射和透射现象，透射到第二介质中的电磁波能量大大衰减。在地质勘探中，地下介质的形态与种类是存在随机性的，相同介质的电性参数也存在着差异，而建立随机介质模型能够有效的开展高精度的有限差分的探地雷达探测的数值模拟计算，通过对随机介质探地雷达探测和参数反演，能够使随机等效介质模型高精度的描述复杂目标属性，建立目标数据参数与水文地质参数的耦合关系

[3]。通过从随机介质模型，数值模拟计算，探测模式以及目标参数反演四个方面建立了完整的随机等效介质探地雷达探测研究方法技术。不仅仅能准确的获取目标体的电性参数，还能利用反演技术获取目标体的地质参数与分布规律，将模型图形化、数字化的显现出来，利用这套完整的技术手段，能够精准且直观的显现目标体。探地雷达的研究成果可以用于其他科学领域，例如浅地表地质分析，深部矿产资源，地热源开发以及极地冰川探测，月球探测等方面都可以提供重要的技术手段，具有重要的科学研究价值。

1、探地雷达工作原理

探地雷达是一种使用高频脉冲电磁波的有损介电材料，通过发射和反射电磁波从而确定浅地表结构构造以及地下目标体形态、位置的高效无损的探测方法。它具有的高分辨率、高效率、连续、无损等优点，使其成为浅层结构勘探的最重要的手段之一。探地雷达基于高频电磁波进行测量，依据电磁波传播理论，高频电磁波在介质中的传播遵循麦克斯韦方程组的规律。

即

                                  (1)

                                (2)

                                       (3)

                                      (4)

式中，为电荷密度（C/m3）；为电流密度（A/m2）；为电场强度（V/m）；为电位移（C/m2）；为磁感应强度（）；为磁场强度（A/m）。

利用时间域有限差分（FDTD）方法求解，可得到探地雷达模拟数据。将模拟的电磁信号数据分析处理即可得到A-scan,B-scan,C-scan图像。

2、随机介质模型理论

随着基础理论的不断完善，探地雷达不仅需要计算出介质的形态位置，目前逐渐深入到探测目标属性等参数，如土壤含水量探测、混凝土的密实度探测、介质孔隙度探测、渗透系数等参数探测。描绘和估算能够反映介质本身特征属性的参数使其更具有地质研究与应用价值。随机介质模型的建模主要目的意图描述复杂目标体空间区域内介质分布的随机性，刻画使其建模能反映介质的微观变化，也能体现宏观变化，并将介质的物理性质参数与介质的地质属性联系在一起。利用随机介质模型将不同的参数进行耦合，探索出介电常数，电导率，与孔隙度、含水量之间存在的耦合关系，通过关联多个参数的随机介质更能精确的描述实际介质的真实分布情况。非均匀分布的随机介质模型是将该介质看成大小尺度不同的两种非均匀介质组成。这里的尺度代表的是一种相对的概念，描述目标体背景平均介质时用大尺度的非均匀性；小尺度的非均匀性特征则用来描述目标体介质属性的随机特征，小尺度特征在介质中广泛且无规律的随机分布。建立混合型自相关模型，通过复杂的数值计算，逐步找出电性参数与含水率，孔隙度的耦合关系。

研究意义：

自然界中介质的存在方式是无序的，随机介质是普遍存在的介质形式。在众多领域的科学研究中，任何探测对象的介质组成及属性参数都是非均匀且无序分布的。探地雷达是基于介质的电性参数变化差异来确定探测目标的特性。从探测目标形状、大小等表面信息到探测介质内在的属性参数估算的转变，是探地雷达实现高精度的重要步骤，对探地雷达和其他地球物理勘探方法的发展具有重要意义。

参考文献：

[1] 曾昭发. 探地雷达方法原理及应用[M]. 探地雷达方法原理及应用, 2006.

[2] 李静. 随机等效介质探地雷达探测技术和参数反演[master or phd article D].  吉林大学, 2014

[3] 曾昭发. 随机等效介质探地雷达参数递推阻抗反演研究[J]. 应用地球物理, 2015, (12): 615-625.