提示：探地雷达数据中的多次反射
除了在冰剖面和地下采矿等非常特殊的情况下，探地雷达数据中的多次重复并不常见，但确实会在一些日常情况下发生，这可能会让您感到惊讶。
绝大多数探地雷达数据是在探地雷达信号从探地雷达发射器传播到到达探地雷达接收器之前反射一次时创建的（图1).
图1
大多数探地雷达横截面（右）显示从地下物体或边界反射一次的探地雷达信号。
然而，在某些情况下，探地雷达信号在到达探地雷达接收器之前可能会从同一物体或边界反射两次、三次或更多次。 这些类型的反射称为“多次反射”。 识别探地雷达数据中的多次波是最困难的解释之一。
在本提示中，我们讨论了探地雷达数据中多次发生的必要条件，并展示了一些示例，包括日常示例和非常特殊情况下的其他示例。
冰
探地雷达数据中多次出现的最常见示例是探地雷达信号进入层的顶部和底部介电常数反差较大的层时。 这导致两个界面处的反射率值都很大，并且大部分探地雷达能量基本上被“捕获”在该层中并上下反射多次。 冰厚度数据就是一个很好的例子（图2).
图2
冰上和冰下边界的高反射率为探地雷达信号多次反射创造了完美的条件。
冰的介电常数为3.2，而冰上方的空气的介电常数为1，冰下方的水的介电常数为80。当探地雷达信号传播到冰的底部时，它会遇到冰-水界面的反射率为 67%，这意味着大约 2/3 的能量反射回冰中。 然后，当探地雷达信号到达冰顶部的冰-空气界面时，反射率为 28%，导致大量信号向下反射回冰中，该过程可以重复多次，直到信号被反射回冰中。减弱了。
虽然探地雷达数据看起来有几层（图3），确实有一层探地雷达信号在越来越长的传播时间上多次反射。
事实上，各层完美地相互模仿（图3) 是倍数的一个特征，用于查找以识别倍数。
图3
冰厚度数据的倍数。 第二次和第三次反射在时间上模仿第一次反射，因此第一次反射中 1ns 的差异在第二次反射中是 2ns，在第三次反射中是 3ns。 这意味着随着多次反射次数的增加，盒子中的 V 形区域等厚度变化会变得越来越夸张。
水坑
另一个更常见的看到类似响应的地方是来自水坑的倍数（图4）。 当水坑足够深，足以将两个探地雷达天线淹没在水中时，就会发生多次爆炸。
图4
水坑在水面和水下的边界处都具有高反射率，这会产生另一种探地雷达信号多次反射的情况。
水的介电常数为 80，而水坑上方的空气的介电常数为 1，水坑下方的沥青的介电常数为 6。水坑底部的水对沥青的反射率为 57%，而水对沥青的反射率为 80%。水坑顶部空气反射率为XNUMX%，具备产生倍数的条件。
图5
探地雷达信号在水坑中多次出现。 请注意，为了显示探地雷达波的路径，水深被大大夸大了。
与冰相比，当用探地雷达穿越水坑时，多次探测往往会产生更复杂的反应（图6）因为水坑通常足够小，以至于探地雷达从水坑边缘收集数据，那里的水深为零（图5).
图6
探地雷达信号在水坑中多次出现。 虽然看起来水坑下的穿透深度有所增加，但探地雷达信号大部分被困在水层中，上下反射多次。 水坑和水坑边缘的不同水深共同产生复杂的响应模式。 请注意，由于与沥青 (0.033 m/ns) 相比，水 (0.13 m/ns) 的速度非常慢，因此直接到达地面的速度会下降。
对于探地雷达操作员来说，水坑的危险有两方面： 1) 误解多次波代表真实的地下目标，2) 这些信号掩盖了水坑下方真实地下物体的反射。
请理解，当地面完全潮湿时，不会发生这种多重反应。 水深必须足以将发射和接收天线都浸没在水中。
我们在 2011 年 XNUMX 月的 Subsurface Views 时事通讯中更详细地讨论了这一现象：
https://www.sensoft.ca/wp-content/uploads/2023/03/2011-04-Subsurface-Views-PMD537-Breaking-the-Ice-Puddle-effects-SAGE-TINGS-NPS.pdf
非金属管材
这里描述的相同原理可以导致非金属管道倍数（图7）。 由于管道是非金属的，探地雷达信号可以进入管道并从底部反射。 然后，其中一些能量将遇到管道顶部的高反射率界面，并再次向下反射。 探地雷达能量可以在管道内反射一次或多次，产生模仿管道顶部和底部双曲线响应的双曲线。 这种效应在充满水的管道中非常明显（因为探地雷达信号在水中传播缓慢，因此在水中的传播时间更长）。
图7
非金属管道中的探地雷达信号倍数。 右侧的探地雷达横截面显示了管道顶部和底部的双曲线响应，随后是第一个和第二个多次波。 双曲线在垂直方向上等距分布，因为每次反射的行进时间正好增加两倍管道直径。
反射之间的传播时间差可用于确定大致的管道直径（但仅当管道中的材料已知时）。 我们在 2020 年 XNUMX 月时事通讯的一篇报道中讨论了这一点（https://www.sensoft.ca/blog/tips-determining-pipe-diameter-from-gpr-data/).
地下矿山
我们的最后一个例子来自在地下矿井隧道中收集的数据。 Compass Minerals 客户向我们发送了一个很棒的示例，其中包含在穿透约 100 米（15 多英尺，图 50）的盐矿中收集的低频 8 MHz 数据。
图8
在地下盐矿的长隧道中收集的 100 MHz 中心频率数据。 请注意较高的频率内容，在大约 50 和 100 ns（2.5 和 5 m 深度）处有轻微起伏的反射器。 这些是矿井隧道顶部的倍数
大约 50 和 100 ns 处的反射器是隧道顶部的倍数。
图9
图 8 和 10 中的探地雷达横截面标注了隧道顶板的两次多次反射。
这些可能是倍数的原因之一是它们穿过地质结构（图 10 中的红色框），如果反射是由地质结构引起的，则这种情况不太可能发生。
图10
数据与图 8 相同，但带有注释以突出显示细节。 第一个倍数约为 50 ns，第二个倍数恰好是该时间的两倍，即 100 ns。 这些是倍数的一条线索是它们跨越了地质特征（红框）。 请注意该部分底部指示的弱反射器，模仿其上方 50 ns 的强反射器。
一个有趣的解释练习是确定 12 至 15 米深度处较深、较弱、起伏的反射器（模仿 9 至 12 米深度处较强的反射器）是真正的反射器还是倍数反射器。 如果您注意到时间差为 50 ns，与本节中更高的倍数完全相同，您很快就会得出结论，这是由从天花板反射并穿透地下从真实反射的探地雷达能量引起的。反射器位于 9 至 12 米处，延迟为 50 纳秒——从天花板反射所需的时间。 该路径由图 11 中的黑色箭头显示。
