探地雷达高频电磁波传播衰减机理与应用实例.pdf

第21 卷 第3 期 岩石力学与工程学报 21(3) ：413～417 2002 年3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March ，2002 探地雷达高频电磁波传播衰减机理与应用实例 孙洪星 李凤明 (煤炭科学研究总院北京开采研究所 北京 100013) 摘要 分析了探地雷达高频电磁波在地下有耗介质传播过程中的衰减特性，将其应用于采矿损害治理及岩石地基工 程勘察。实践表明，利用探地雷达高频脉冲电磁波的衰减特性研究地基稳定性，方法可行，取得了良好的效果，并 具有很好的推广应用价值。 关键词 探地雷达，衰减特性，品质因子，雷达反射波 分类号 P 631.3+2 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2002)03-0413-05 多，但对于探地雷达电磁波传播理论及传播衰减机 1 引 言 理研究相对较少。本文在研究和探讨探地雷达高频 脉冲电磁波在地下有耗介质传播过程的衰减特性机 高频脉冲电磁波在地下有耗介质中的传播具有 理中，将其应用于因受外力影响引起的地下裂缝、 衰减和频散特性，不同岩性、不同的岩石结构衰减 空洞化等软弱岩石地基工程勘察。实践证明，采用 特性和频散特性存在差异，利用这一差异为区分岩 高频脉冲电磁波的探地雷达探测技术分析和推断地 性和研究岩体内部结构提供了可能。目前，应用这 下介质结构方法可行，具有效率高、探测精度高等 一特性研究地下岩石力学问题较为成熟的技术有： 优点，尤其适合大型岩石、地基灾害治理等工程， 探地雷达探测、钻孔超声成像等。 具有很好的推广应用前景。 探地雷达是通过发射和接收高频率、宽脉冲电 磁波(10 MHz～1 GHz)，并根据接收到的电磁波的 2 地下有耗介质高频雷达电磁波传播 振幅、波形和频率等运动学和动力学特征来分析和 推断地下介质结构、地层岩性特征的一种浅层地球 衰减特性机理 物理探测技术[1，2] 。由于探地雷达发射电磁波的频 率高，其探测精度和分辨能力亦高，可达毫米级。 研究探地雷达电磁波在地下有耗介质中的传播 同传统的探空雷达不同，探地雷达是在地下有 衰减特性，对于在探地雷达时间剖面上识别有效雷 耗介质中传播的，因此存在着高频衰减。雷达高频 达反射波，以及利用不同性质土体、岩石具有不同 脉冲电磁波在地下有耗介质传播过程中产生的衰减 的吸收和衰减特性来分析和研究地下岩土体结构具 现象，一般认为是由于电导率、介电弛豫性质和电 有指导意义。 磁弛豫性质等多种因素引起的；电能衰减和磁能衰 根据对探地雷达电磁波传播理论的研究，可以 减的机理是相似的，其中，由介质导电效应而引起 采用3 个参数来描述有耗介质的衰减特性，即复介 的介质层间衰减影响最大。据前人的研究，由介质 电常数、品质因子和衰减系数。这3 个参数不是独 的介电弛豫性质引起的电磁波衰减中的电能损失量 立的，只是从不同的角度采用不同的方法来描述电 中的松弛因子可以描述为位移量与电场强度矢量的 磁波的衰减特性，因此它们是等价的。 [3，4] (1) 复介电常数 * 褶积关系 ，其中介电常数为复数，并依赖于频