超前地质预报数据处理基本理论知识

超前地质预报数据处理基本理论知识－术语
瑞典探地雷达 白雪冰
1、三振相
三振相指的就是瞬时相位、瞬时频率、瞬时振幅，在做隧道超前地质预报时，这三个指标是必须描述的；
图一、单道波形图
A、相位：如图一所示，对于一个垂直的单道波形来说，右边的峰尖为波峰，左边的峰尖为波谷，就表述出了波形的相位，对于探地雷达这样利用电磁波的反射原理来进行探测的设备，地下不同介质的接触面都会至少有一个完整的反射信号周期，即至少有一个波峰和波谷；
B、振幅：如图一所示，”A”处的红标线的长度表示出了此处信号峰值的大小，即振幅的大小，”A”处的红标线的长度越长，表示此处反射信号越强，波谷的振幅幅值为负值，波峰的振幅幅值为正值，这个振幅幅值没有单位，有时可以用电压值来表示。

C、频率：如图一所示，”B”处的红标线的长度(也即波长宽度)表示出了此处信号的频率的高低，如果越长，则此处的信号频率越低，越短，则此处的信号频率就越高。

2、同相轴
雷达图像的时间剖面上记录的各道振动相位相同的极值（即波峰或波谷）的连线称为同相轴。

在解释勘察资料时，常常根据雷达图像的时间剖
面上有规律地出现的形状相似能连成线状轴线的振动画出不同的同相轴，它们表示不同界面反射回的电磁波，如图二所示。

图二、同相轴
3、波形图与灰度图
一般对于超前地质预报的数据来说，因为采集方式为键盘触发，采集的电磁脉冲数比较少，因此雷达图像都是用波列图(wiggle模式)来表述，有些书籍上叫变面图，如图三所示：
波形图表述的雷达图像，能够很容易的读出信号的相位，频率，振幅来；用探地雷达进行超前地质预报时，每个掌子面采集的脉冲数不要少于50个脉冲，尽量保证有足够多的脉冲，来确保信号的分辨率和准确性。

图四、灰度图
如果探地雷达在进行连续测量时，因为采集的电磁脉冲数非常多，此时再用波列图来表述雷达图像就没法满足分辨率了，那么我就定义了出了灰度图(point 模式)，如图四所示，有些书籍又叫能量堆积图，这个叫法应该是比较形象的，其基础还是由波列图转换为灰度图，具体见图五；
图五、波形图转换为灰度图
图五所示的波形图转换为灰度图的具体转换原理就是，将没有反射信号的区域描绘为灰色的区域，表示这些区域的反射信号振幅弱，没有有效反射；将反射界面的波谷相位描绘为黑色，波峰相位描绘为白色，即用黑色和白色表述出了信
号的相位；对应着右侧的色阶表，黑色和白色的强度，表述出了信号的振幅，即越黑或越白就表示振幅越强，这里的反射信号越强，分别对应着负值或正值越强；将信号频率的高低用黑色和白色方块的厚薄来表述，如果黑色或白色方块越厚，说明此处的信号频率越低，反之亦然。

4、电磁波反射的基本波形
电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。

不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生反射。

层面体
这些反射信号，基本上可以分为两类，如上图所示，一种是孤立体的反射信号，一种是层面体的反射信号，根据雷达图像是电磁波在介质中传播的时间剖面，我们可以很容易的理解孤立体和层面体波形形成的机理；现实情况下的雷达图像如图六所示
5、不同地质构造体的电磁波反射特征
通过前面的介绍，我们大体上已经了解了雷达图像的一些基本特征，但是在现实复杂的地质环境下，电磁波的反射特征又各具有代表性，如表一所示，我们
大概总结了以下一些特征一一详述：
表一
探地雷达图像及波形特征
地质体名称波形频率高低分布波形频率高低变化同相轴连续性波形相似性波形振幅强弱完整岩体均匀的中高频变化小连续波形均一幅值弱断层破碎带不均匀的低中频急剧变化，规律性差不连续，错段波形杂乱幅值较强脉状破碎带不均匀的中频变化较快，规律性差不连续波形乱幅值较强
节理、裂隙密集带均匀的中低频变化较快，有规律时断时续，不平行波形乱幅值较强富水带均匀的低频按规律快速变低较为连续较为均一幅值强，且多次岩性变化接触带较均匀的中高频变化较慢，有规律基本连续基本均一幅值一般软弱层(夹泥) 较均匀的中低频变化较快，有规律连续基本均一幅值强，且多次岩溶(非充填型) 不均匀的中低频急剧变化，有规律较为连续，不规则波形杂乱幅值强，有两次岩溶(充填型) 均匀的低频急剧变化，有规律较为连续，规则波形均一幅值强，且多次
A、完整岩体：
一般来说，完整的岩体，电磁波基本没有反射信号，但往往由于风化及含水率等
影响，在岩体内部会有些微弱的信号反射，其表现出来的特征就是一些中高频的
反射信号，整个范围内频率变化小，同相轴连续且均一平行，信号的振幅弱，如
图七所示：
图七、完整岩体
B、断层破碎带：
断层破碎带的信号一般呈现不均匀的低频和中频特征，信号频率在断层破碎带的
位置急剧变化，没有规律性，同相轴不连续，存在错段，呈带状区域化杂乱分布，
信号的振幅较强，如图八所示：
图八、断层破碎带
C、脉状破碎带：
脉状破碎带的反射信号，一般中频信号较多，信号频率变化较快，规律性差，同相轴不连续，且呈脉状分布，信号振幅较强，如图九所示：
图九、脉状破碎带
D、节理裂隙密集带：
节理、裂隙密集带的反射信号，由于受裂隙水的影响，中低频信号都有，变化比较均匀，信号频率变化较快，有规律，信号的同相轴时断时续，在构造较为发育的区域，同相轴不平行，波形乱，信号振幅较强，如图十所示：
图十、节理裂隙密集带
E、富水带：
富水带的电磁波信号一般表现为均匀的低频信号，电磁波信号快速变低，同相轴连续均一，呈层面状反射，信号振幅强，且有多次震荡，如图十一所示：
图十一、富水带
F、岩性变化接触带：
岩性变化接触带的反射信号一般频率都为中高频，频率变化较慢，比较有规律，信号的同相轴连续，均一，典型层面反射信号，信号振幅一般，如图十二：
图十二、岩性变化接触带
G、软弱层(泥夹层)：
软弱层的电磁波反射信号一般为较为均匀的中低频信号，变化较快，有规律，波形分布均一，信号振幅较强，有二次或多次震荡，如图十三所示：
H、岩溶(非充填型)：
岩溶是溶蚀性岩体的山岭隧道施工中危害比较大的一个不良构造，由于自然环境的复杂，又以不同的形态出现，对于非充填型的岩溶来说，危害较小，它的电磁波反射信号是以不均匀的中低频信号为主，频率变化急剧，有规律；对于小于掌子面的岩溶来说，其同相轴特征为典型的孤立体反射信号，同相轴连续，由于为非充填型的岩溶，有时会出现前后端面的反射信号，如果岩溶不规则，则反射信号的同相轴不规则反射；对于其规模大于掌子面的非充填型岩溶来说，容易与裂隙混淆，呈典型的层面状反射信号，但可以根据前端面以后的反射信号推断出构造的前后纵深来判断是否是岩溶或裂隙，一般来说裂隙的前后端面信号靠的很近，就像是多次震荡信号，而岩溶的前后端面的信号相隔较远(视规模大小)，具体见图十四所示：
图十四、岩溶(非充填型)
I、岩溶(充填型)：
对于充填型的岩溶来说，其电磁波反射信号表现出来的是均匀的低频信号，频率有规律的急剧变化，同相轴较为连续、规则，波形均一，信号振幅强，且存在多次震荡信号，当然也存在规模大于掌子面(如图十五)和小于掌子面(如图十六)的情况：
图十六、岩溶(充填型)。