СОВЕТ: Множественные отражения в георадарных данных
Множественные значения в георадарных данных встречаются не очень часто, за исключением очень специфических сценариев, таких как профилирование льда и подземные разработки, но они случаются в нескольких повседневных ситуациях, которые могут вас удивить.
Подавляющее большинство данных георадара создается, когда сигналы георадара отражаются один раз после прохождения от передатчика георадара до прибытия в приемник георадара (Рисунок 1).
Рисунок 1
Большинство георадарных сечений (справа) показывают георадарные сигналы, которые один раз отразились от подземного объекта или границы.
Однако в некоторых ситуациях сигналы георадара могут отразиться два, три или более раз от одного и того же объекта или границы, прежде чем достичь георадарного приемника. Такие типы отражений называются «множественными». Выявление кратных значений в георадарных данных является одной из самых сложных интерпретаций.
В этом СОВЕТЕ мы обсуждаем условия, необходимые для появления кратных волн в георадарных данных, и показываем некоторые примеры, в том числе повседневные, а также примеры в совершенно особых обстоятельствах.
лед
Самый распространенный пример кратных волн в георадарных данных – это когда георадарный сигнал попадает в слой с большими контрастами диэлектрической проницаемости как вверху, так и внизу слоя. Это приводит к большим значениям отражательной способности на обеих границах раздела, и большая часть энергии георадара оказывается по существу «запертой» в слое и многократно отражается вверх и вниз. Хорошим примером этого могут служить данные о толщине льда (Рисунок 2).
Рисунок 2
Высокая отражательная способность как на границах над льдом, так и подо льдом создает идеальные условия для многократного отражения сигналов георадара.
Диэлектрическая проницаемость льда равна 3.2, диэлектрическая проницаемость воздуха над льдом равна 1, а диэлектрическая проницаемость воды подо льдом равна 80. Когда сигнал георадара проходит ко дну льда, он сталкивается со льдом. поверхность раздела воды с отражательной способностью 67%, что означает, что около 2/3 энергии отражается обратно в лед. Затем, когда сигнал георадара достигает границы раздела лед-воздух в верхней части льда, отражательная способность составляет 28%, в результате чего значительная часть сигнала отражается обратно в лед, где процесс может повторяться несколько раз, пока сигнал не будет ослаблен.
Хотя георадарные данные выглядят так, как будто есть несколько слоев (Рисунок 3), действительно существует один слой, от которого сигнал георадара отражался несколько раз при все большем и большем времени прохождения.
Дело в том, что слои идеально имитируют друг друга (Рисунок 3) — это характеристика кратного, на которую следует обратить внимание для идентификации кратных.
Рисунок 3
Кратность данных о толщине льда. Второе и третье отражения имитируют первое отражение во времени, поэтому разница в 1 нс в первом отражении составляет 2 нс во втором отражении и 3 нс в третьем отражении. Это означает, что изменения толщины, такие как V-образная область в коробке, становятся все более и более преувеличенными по мере увеличения количества множественных отражений.
Водные лужи
Другое, более распространенное место, где можно увидеть подобную реакцию, — это лужа с водой (Рисунок 4). Когда лужа достаточно глубока, чтобы обе георадарные антенны погрузились в воду, может возникнуть кратное число волн.
Рисунок 4
Водяные лужи с высокой отражательной способностью на обеих границах над и под водой создают еще один сценарий многократного отражения георадарных сигналов.
Диэлектрическая проницаемость воды равна 80, тогда как диэлектрическая проницаемость воздуха над лужей равна 1, а диэлектрическая проницаемость асфальта под лужей равна 6. Отражательная способность воды от асфальта на дне лужи составляет 57%, а вода от Отражательная способность воздуха в верхней части лужи составляет 80%, что создает условия для образования кратных волн.
Рисунок 5
Умножение сигнала георадара в луже. Обратите внимание, что глубина воды сильно преувеличена, чтобы показать путь волн георадара.
Множители при пересечении лужи с помощью георадара имеют тенденцию давать гораздо более сложные реакции по сравнению со льдом (Рисунок 6), потому что лужи часто настолько малы, что георадар собирает данные с краев лужи, где глубина воды стремится к нулю (Рисунок 5).
Рисунок 6
Умножение сигнала георадара в луже. Хотя кажется, что глубина проникновения под лужей увеличилась, сигнал георадара в основном задерживается в слое воды, многократно отражаясь вверх и вниз. Различная глубина воды в луже и по краям лужи вместе создают сложную картину реакций. Обратите внимание на снижение скорости при прямом приближении к земле из-за очень низкой скорости воды (0.033 м/нс) по сравнению с асфальтом (0.13 м/нс).
Опасность множества луж для операторов георадара двоякая; 1) неправильная интерпретация того, что кратные сигналы представляют собой реальную подземную цель и 2) что эти сигналы маскируют отражения от реальных подземных объектов под лужей.
Поймите, что эта множественная реакция НЕ произойдет, если земля просто влажная. Глубина воды должна быть достаточной для погружения в воду как передающей, так и приемной антенн.
Мы обсуждали это явление более подробно в информационном бюллетене Subsurface Views за апрель 2011 года:
Те же принципы, описанные здесь, могут привести к образованию кратных неметаллических труб (Рисунок 7). Поскольку труба неметаллическая, георадарные сигналы могут проникать в трубу и отражаться от дна. Часть этой энергии затем встретится с поверхностью раздела с высокой отражательной способностью в верхней части трубы и снова отразится вниз. Энергия георадара может отражаться внутри трубы один или несколько раз, создавая гиперболы, имитирующие гиперболические отклики сверху и снизу трубы. Этот эффект очень выражен в трубах, заполненных водой (поскольку георадарные сигналы распространяются в воде медленно и, следовательно, время прохождения в воде больше).
Рисунок 7
Умножение сигнала георадара в неметаллической трубе. Георадарный разрез справа показывает гиперболические отклики сверху и снизу трубы, за которыми следуют первый и второй кратные сигналы. Гиперболы расположены на одинаковом расстоянии по вертикали, поскольку время прохождения увеличивается ровно на два диаметра трубы для каждого отражения.
Разницу во времени прохождения отражений можно использовать для определения приблизительного диаметра трубы (но только если известен материал трубы). Мы обсуждали это в статье в нашем информационном бюллетене за январь 2020 года (https://www.sensoft.ca/blog/tips-determining-pipe-diameter-from-gpr-data/).
Подземные шахты
Наш последний пример основан на данных, собранных в туннеле подземной шахты. Клиент, Compass Minerals, прислал нам потрясающий пример низкочастотных данных в диапазоне 100 МГц, собранных в соляной шахте, проникающей на глубину около 15 метров (50+ футов, рис. 8).
Рисунок 8
Данные о центральной частоте 100 МГц собраны в длинном туннеле подземной соляной шахты. Обратите внимание на более высокий частотный состав, слегка волнистые отражатели примерно на 50 и 100 нс (глубина 2.5 и 5 м). Это кратные снимки с потолка шахтного тоннеля.
Отражатели примерно на 50 и 100 нс кратны потолку туннеля.
Рисунок 9
Два кратных отражения от потолка туннеля отмечены на георадарных сечениях на рисунках 8 и 10.
Одна из причин, по которой эти кратные волны, скорее всего, являются кратными, заключается в том, что они пересекают геологические структуры (красный прямоугольник на рисунке 10), что было бы маловероятно, если бы отражение было вызвано геологической структурой.
Рисунок 10
Те же данные, что и на рисунке 8, но с аннотациями для выделения деталей. Первое кратное составляет около 50 нс, а второе ровно в два раза больше, 100 нс. Одним из признаков того, что это кратные объекты, является то, что они пересекают геологические объекты (красный прямоугольник). Обратите внимание, что слабый отражатель, указанный в нижней части сечения, имитирует сильный отражатель, расположенный на 50 нс выше него.
Поскольку скорость георадарного сигнала в воздухе известна (скорость света – 0.30 м/нс), как и кратные значения в примере с неметаллической трубой выше, мы можем рассчитать высоту туннеля:
Расстояние = (время * скорость) / 2 = (50 нс * 0.30 м/нс) / 2 = 7.5 метра
Интересное упражнение по интерпретации состоит в том, чтобы определить, является ли более глубокий, более слабый, волнистый отражатель на глубине от 12 до 15 метров, который имитирует более сильный отражатель на глубинах от 9 до 12 метров, реальным отражателем или его кратным числом. Если вы заметите, что разница во времени составляет 50 нс, точно такая же, как кратные выше в разделе, вы быстро придете к выводу, что она вызвана энергией георадара, которая отразилась от потолка и проникла в недра, чтобы отразиться от реальной отражатель на расстоянии 9–12 метров с задержкой 50 нс — временем, необходимым для отражения от потолка. Этот путь анимирован черными стрелками на рисунке 11.
Рисунок 11
Мощный волнистый отражатель на высоте от 9 до 12 метров на рисунке 10 создается энергией георадара, следующей по пути, указанному синими стрелками на этой анимации. Более глубокий и слабый отражатель, показанный внизу рисунка 10, скорее всего, не настоящий отражатель, а вызван сигналом георадара, отражающимся от потолка туннеля перед входом в недра и отражающимся от сильного волнистого отражателя на глубине 9 метров. -до 12 метров (черные стрелки). Эта анимация показывает пути сигналов георадара, которые в совокупности образуют поперечное сечение георадара на рисунках 8 и 10.
Множители не часто видны в георадарных данных, но в ситуациях с высокой границей отражательной способности, как в этих примерах, следите за ними и будьте осторожны, чтобы не интерпретировать их как настоящие подповерхностные отражатели.
