Geophysics:基於迭代偏移/反偏移的探地雷達地表繞射波分離方法

2021-02-23 中科院地質地球所

李超等-Geophysics：基於迭代偏移/反偏移的探地雷達地表繞射波分離方法

探地雷達因其無損探測的特性被廣泛應用。然而，無遮蔽雷達天線激發的電磁波可以在空氣中傳播，當遇到地面異常體(如樹木和石塊)時將產生繞射回波（圖1），從而對地下反射波和繞射波造成幹擾，必須設法壓制。現有的地表繞射波分離方法效果不佳，對有效信號損傷較為明顯。

圖1 探地雷達觀測系統與地表繞射波示意圖

中科院地質與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室的博士生李超與導師張金海研究員等合作，開發了一種基於迭代Stolt偏移/反偏移的地表繞射波分離方法。他們首先利用真空中的光速開展Stolt聚焦偏移以識別繞射波，並對識別出的偏移域繞射波頂點進行反偏移，從而生成未偏移域的窗函數，並對輸入的探地雷達數據進行分割，形成以該繞射波為主體的數據體(圖2c)，剩餘的數據體(圖2b)則以地下反射波和繞射波為主。利用真空中的光速對窗內的數據進行Stolt偏移，從而使地表繞射波聚焦在偏移域中的局部區域而免受窗外信號對其形成幹擾(圖2d)。相比之下，原本被地表繞射波所掩蓋的有效信號(即窗口內的有效信號)經過偏移後會被拉伸，從而與聚焦的地表繞射波進一步分離，只有極小部分仍被覆蓋（圖2d）。此時，在偏移域利用新的窗函數再一次分離地表繞射波和有效信號，並且分別對二者進行反偏移，就能得到第一次迭代恢復的有效信號(圖2h)和地表繞射波(圖2g)。最後，分離出的地表繞射波中仍殘存一些微弱的地下有效信號(圖2g)，將其作為下一輪迭代的輸入數據，但採用亞光速和超光速進行完全一致的二次乃至三次分離，就可以進一步分選出更多殘存的地下有效信號（圖3）。

圖2 基於光速的聚焦偏移及地表繞射波分離過程及結果

圖3 基於多速度迭代偏移的地表繞射波分離過程及結果探地雷達野外數據測試結果表明（圖4）：新方法能夠有效去除地表繞射波，且幾乎不損傷地下的反射波和繞射波。該方法對於裸露天線探地雷達的數據處理和地下結構成像具有重要意義，對於地外天體雷達探測也具有實際意義。

圖4 實際數據地表繞射波分離結果（左側為孤立地表繞射波，右側為重疊地表繞射波）

研究成果發表於勘探地震學領域權威期刊Geophysics (李超, 林羿, 呂文敏, 張金海*. Eliminating above-surface diffractions fromground-penetrating radar data using iterative Stolt migration[J]. Geophysics,2021, 86(1): H1-H11. DOI: 10.1190/GEO2019-0796.1)

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