1、第一讲 地质雷达的应用领域 探地雷达(Ground Penetrating Radar ，简称 GPR) ，又称地质雷达，是近些年 发展起来的高效的浅层地球物理探测新技术， 它利用主频为数十兆赫至千兆赫兹 波段的电磁波， 以宽频带短脉冲的形式， 由地面通过天线发射器发送至地下， 经 地下目的体或地层的界面反射后返回地面， 为雷达天线接受器所接受， 通过对所 接受的雷达信号进行处理和图像解译， 达到探测前方目的体的目的。 与传统的地 球物理方法相比， 探地雷达最大的优点就是具有快速便捷、 探测精度高以及对原 物体无破坏作用。 因此， 探地雷达在道路建设和公路质量检测领域已逐渐被认识 到并广泛应用
2、起来。 地质雷达自上世纪 80 年代中期开始应用至今将近 20 年了，其应用领域逐 渐扩大， 在考古、 建筑、 铁路、 公路、 水利、 电力、 采矿、 航空各领域都有重要 的应用， 解决场地勘查、 线路选择、 工程质量检测、 病害诊断、 超前预报、 地质 构造等问题。 1.1 工程场地勘察 地质雷达最早用于工程场地勘查，解决松散层厚度分布，基岩风化层分布， 以及节理带断裂带等问题。 有时也用于研究地下水分布， 普查地下溶洞、 人工洞 室等。在粘土补发育的地区，探查深度可达 20m 以上，效果很好。 1.2 埋设物与考古探察 考古是地质雷达应较早的领域，在欧洲有成功的实例，如意大利罗马遗址考 古
3、、 中国长江三峡库区考古等项目都应用了雷达技术。 利用雷达探测古建筑基础、 地下洞室、 金属物品等。 在现今城市改造中， 有时也需要了解地下管网， 如电力管线、 热力管线、 上下水管线、 输气管线、 通信电缆等， 这对于地质雷实是很容 易的。目前地质雷达为地下管线探测发展了高分辨 3D 探测系统及软件，如 PATHFINDER 雷达、R RI IS S- -2 2K K/ /S S 等 等 雷达都可以胜任这类工作， 不但可探测到水平 位置分布，还可以确定其深度，得到三维分布图。 雷达考古 雷达探测管道 1.3 工程质量检测 工程检测近年应用领域急速扩大， 特别是在中国的重要工程项目中， 质量检
4、 测广泛采用雷达技术。 铁路公路隧道衬砌、 高速公路路面、 机场跑道等工程结构 普遍采用地质雷达检测。用于检测衬砌厚度、脱空和空洞、渗漏带、回填欠实、 围岩扰动等问题。检测厚度精度可达厘米级。 衬砌厚度检测 衬砌脱空区 检测 1.4 金属矿化带勘查 对于浅表的金属矿化带、 断层蚀变带以及掌子面附近的金属矿化带， 可以用 地质雷达探测。 矿化带金属及氧化物、 硫化物富集， 电磁性质差异明显， 电磁波 反射清晰， 可为找矿体供参考。 以下是山东界诃金矿寻找断裂蚀变带金矿的例子。 地质雷达探测金属矿化带 1.5 隧道超前预报 随着西部大开发进程的加快，西部的公路、铁路、水电等建设项目增多， 大部分建
5、设在高山峡谷地区， 隧道工程数量巨大。 为保证隧道施工中的人员、 设 备安全， 保证工期和质量， 节约经济投资， 需要进行隧道地质超前预报。 目前的 超前预报是采用地震、雷达探测与地质研究相结合的办法。地震预报掌子面前 100m 左右，地质雷达预报 20-30m 范围内。目前阶段预报的准确率不等，很大 程度上依赖于经验。下边是公路隧道掌子面上地质雷达的探测预报纪录。 隧道超前预报探到的富水区 1.6 电磁波 CT 地质雷达通常是工作反射方式下，如果选用发射与接收分离的天线，就可以 工作在透射方式下，进行电磁波 CT 成像。跨孔天线、100MHz 加强形天线、低 频杆式天线都可以这样使用。 用雷
6、达记录电磁波的时程， 包含了电磁波的走时和 振幅值， 可以同时进行电磁波速与衰减成像。 这种方法对于探查断裂带、 密集节 理带、 含水带、 金属含矿带、 溶洞空洞都非常有效。 下边是在金川龙首矿的一个 电磁波探测实例。 电磁 波衰减 CT 成像 电磁波速度 CT 成像 第二讲 国内外地质雷达技术发展状况（历史与现状） 探地雷达的历史最早可追溯到 20世纪初，1904年，德国人 Hulsmeyer 首次 将电磁波信号应用与地下金属体的探测。1910 年 Leimback 和 Lowy 以专利形式 在 1910 年的专利，他们用埋设在一组钻孔里的偶极子天线探测地下相对高的导 电性质的区域，并正式提
7、出了探地雷达的概念。1926 年 Hulsenbeck 第一个提出 应用脉冲技术确定地下结构的思路， 指出只要介电常数发生变化就会在交界面会 产生电磁波反射，而且该方法易于实现，优于地震方法1,2。但由于地下介质具 有比空气强得多的电磁衰减特性，加之地下介质情况的多样性，电磁波在地下的 传播比空气中复杂的多，使得探地雷达技术和应用受到了很多的限制，初期的探 测仅限于对波吸收很弱的冰层厚度（1951，B.O.Steenson，1963，S.Evans）和岩 石和煤矿的调查（J.C.Cook）等。随着电子技术的发展，直到 70 探地雷达技术 才重新得到人们的重视，同时美国阿波罗月球表面探测实验的需
8、要，更加速了对 探地雷达技术的发展，其发展过程大体可分为三个阶段： 第一阶段，称为试验阶段，从 20 世纪 70 年代初期到 70 年代中期，在此期 间美国，日本、加拿大等国都在大力研究，英国、德国也相继发表了论文和研究 报告，首家生产和销售商用 GPR 的公司问世，即 Rex Morey和 Art Drake成立的 美国地球物理测量系统公司（GSSI） ，日本电器设备大学也研制出小功率的基带 脉冲雷达系统。此期间探地雷达的进展主要表现在，人们对地表附近偶极天线的 辐射场以及电磁波与各种地质材料相互作用的关系有了深刻的认识， 但这些设备 的探测精度、地下杂乱回波中目标体的识别、分别率等方面依然
9、存在许多问题。 第二阶段，也称为实用化阶段，从 20 世纪 70 年代中后其到 80 年代，在次 期间技术不段发展，美国、日本、加拿大等国相继推出定型的探地雷达系统，在 国际市场，主要有美国的地球物理探测设备公司（GSSI）的 SIR 系统，日本应 用地质株式社会（OYO）的 YLR2 地质雷达，英国的煤气公司的 GP 管道公司 雷达，在 70 年代末，加拿大 ACube 公司的 Annan 和 Davis 等人于 1998 年创 建了探头及软件公司（SSI） ，针 对 SIR系统的局限性以及野外实际探测的具体要 求，在系统结构和探测方式上做了重大的改进，大胆采用了微型计算机控制、数 字信号处
10、理以及光缆传输高新技术，发展成了 EKKO Ground Penetrating Radar 系列产品，简称 EKKO GPR 系列。瑞典地质公司（SGAB）也生产出 RAMAC 钻孔雷达系统，此外，英国 ERA 公司、SPPSCAN 公司，意大利 IDS 公司、瑞 典及丹麦也都在生产和研制各种不同型号的雷达。 80年代全数字化的 GPR问世， 具有划时代的意义，数字化 GPR 不仅提供了大量数据存储的解决方案，增强了 实时和现场数据处理的能力， 为数据的深层次后处理带来方便， 更重要的是 GPR 因此显露出更大的潜力，应用领域得以向纵身拓展。 第三阶段，从上个世纪 80 年代至今，可称为完善
11、和提高阶段。在此期间， GPR 技术突飞猛进，更多的国家开始关注探地雷达技术，出现了很多探地雷达 的研究机构， 如荷兰的应用科学研究组织和代尔夫大学， 法国_德国的 Saint-Louis 研究所（ISL） ，英国的 DERA，瑞典的 FOA，娜威科技大学和地质研究所，比 利时的 RMA，南非的开普敦大学，澳大利亚昆士兰大学，美国的林肯实验室和 Lawrence Livermore国家实验室以及日本的一些研究机构等等。同时，探地雷达 也得到了地球物理和电子工程界的更多关注，对天线的改进、信号的处理、地下 目标的成像等方面提出了许多新的见解。 GSSI 公司在商业上取得了极大的成功，并在 199
12、0 年被 OYO 公司收购，Pulse Radar 公司、Panetradar 公司以及加拿大 的 SSI 公司也在此时迅速发展壮大。进入 21 世纪以后，探地雷达逐渐的象更多 的领域拓展，在矿产调查、考古、地质勘探、铁路、公路、水文、农业、环境工 程、土木工程、市政设施维护以及刑事勘察等各领域都有重要的应用，用以解决 地质构造、场地勘察、线路选择、工程质量检测、病害诊断、超前预报、垃圾填 埋场环境污染研究等问题。 我国探地雷达的研制工作起步较晚，于上个世纪 70 年代中期，由煤炭科学 研究总院重庆分院高克德教授为首的探地雷达专题小组， 针对煤矿生产特点研制 开发出了一套探地雷达系列产品KDL
13、 系列矿井防爆雷达仪，开创了我国自 主研制地质雷达的先河。直到 80年代末 90年代初，随着国内探地雷达仪器研制 水平的提高及国外先进的仪器引进， 国内不少高校和科研单位开展过地下目标探 测方面的工作，其中电子科技大学、西安交通大学、二十二所、五十所、长春物 理所、北京遥感设备研究所、北京理工大学、清华大学、西南交通大学、北京爱 迪尔公司等单位先后研制过探地雷达试验系统， 并在其中某些技术上取得一些成 果。90 年代末和本世纪初，中国矿业大学（北京）彭苏萍教授根据国内煤炭发 展需要，成立仪器项目开发项目组，开始着手地质雷达的研制与开发，并于 2004 年开发出具有自主知识产权的地质雷达产品。
14、近几年来，探地雷达在硬件方面的发展已趋于平稳，仪器生产厂家把重点放 在了数据采集速率和信噪比的提高，以及数据处理和解释软件的智能化方面。 1.2.2 探地雷达信号处理与解释的发展现状 雷达波在地下的传播过程十分复杂，各种噪声和杂波的干扰非常严重，正确 识别各种杂波和噪声，提取有用信息是探地雷达记录解释的重要环节，关键技术 是对雷达记录进行各种数据处理。 由于电磁波在地下的传播形式与地震波十分相 似，而且探地雷达数据剖面也类似于反射地震数据剖面，因此反射地震数据处理 的许多有效技术均可用于探地雷达数据处理， 但由于雷达波和地震波存在着动力 学差异如强衰减性， 所以单一地移植、 借鉴地震资料处理技
15、术是不够的， 文献20 对反射地震与探地雷达进行了详细的比较， 指出雷达波在湿的地层中衰减比在干 的情况下要大，而地震波却恰好相反，探地雷达的穿透深度比地震波要浅得多。 雷达信号常规的处理方法主要有：多次叠加来压制随即噪声；单道测量记录 减去各道平均值来压制相干噪声； 时变增益来校正由波前扩展及介质吸收引起的 信号损失；低频、高通、带通等频率域滤波消除不必要的干扰频率；反褶积处理 把雷达记录变成反射系数序列以达到消除大地干扰、分辨薄层的目的；偏移处理 则是把雷达记录中的每个反射点移到其本来位置， 从而获得反映地下介质的真实 图像，偏移处理对消除直立体的绕射、散射产生的相干干扰能起到很大的作用。
16、 随着数字信号处理技术的发展，又产生了许多新的雷达信号处理方法，如利 用小波变换的调焦功能和频域时域双重局部性来压制噪声； 将小波和神经网络 相结合实现雷达信号去噪目的；根据雷达有效信号和干扰信号在视速度上的差 异，在频率波数域上进行二维滤波达到去噪目的；通过分形技术、 Hilbert变换 等方法来提取雷达波的有效信息来提高分辨率； 利用水平预测技术实现雷达信号 水平噪声的干扰；利用雷达信号的统计学特征来实现去噪的目的等等。总之，雷 达信号处理的方法类型很多，不同的方法用在不同的实际情况又不同的应用效 果。 探地雷达解释模型主要包括正演模型和反演模型。在数值模拟正演技术方 面， 众多的研究成果
17、在上世纪九十年代得到详尽地报道。 其中有代表性的文献有：Burke and Miller (1984)和 Turner(1994)分别采用磁矩法模拟了半空间的线状物 体的响应和在地球表面不同高度上偶极天线的近区和远区场特征和天线输入阻 抗随大地电学性质的变化。Carcione J. M.(1996，1998)阐述了有耗各向异性介质 中探地雷达波理论和二维 TM 及 TE 模式波场的数值模拟技术，以及雷达天线 的辐射模式研究。 Cai(1995)应用射线追踪法进行了二维介质中雷达波的传播与模 拟研究。随着计算电磁学技术的发展，时间域有限差分法成为探地雷达模拟计算 的首选方法。在此后一段时间内，发
18、表了大量文章描述该技术在探地雷达天线辐 射正演模拟方面的应用。其中典型代表作有：Maloney et al., (1990), Tirkas and Balanis (1992), Roberts,R. L.和 Daniels, J. J.(1997)等等。 我国学者在这方面也进行 许多探索，沈飚等于 1997年以实际发射的脉冲子波为基础，利用正演模拟技术， 模拟了雷达波在层状铺垫介质中的反射曲线，分析、解释了与之对应的公路路面 下的铺垫结构。西安电子科技大学的詹毅利用 FDTD 方法研究了脉冲探地雷达 在有耗、色散、不均匀土壤中的应用；何兵寿、岳建华、邓世坤、冯德山等也利 用 FDTD方法对
19、探地雷达进行了数值模拟研究不同地电模型雷达波德响应特征， FDTD方法的应用使探地雷达的理论研究达到了一个新的高峰。 在反演方面，德国 Makky S.Jaya 等人提出了一种改进的反演模型，并用测 试数据成功地反演出埋藏在混凝土中钢筋的图像。文海玉采用全局优化反演算 法，毅探地雷达资料的观测数据与正演合成数据之差的平方合作为目标函数，反 演除地下介质的参数；王兆磊利用地质雷达二维数据资料反演了地下介质的参 数；但总体说来与实际应用相差较远，因而目前能用于探地雷达数据解释或反演 的成果并不多见。 2.2 国外地质雷达技术发展状况 2.2.1国外地质雷达技术发展概况 2.2.1.1美国的地质雷达
20、技术 美国有三个地质雷达厂家，GSSI 是规模较大的一家（劳累代理） ，此外有 PLUS RODAR（郑州大学张培代理）和 PENETRADAR（欧美大地代理） 。 GSSI 公司成立与 1970 年，1990 年加入 OYO 集团，推出 SIR-10 型雷达， 销售了 150 套，1994 年推出 SIR-2 型雷达，4 个月内销售 25 套。上世纪末本世 纪初推出了 SIR2000, 最近网上又推出 SIR3000。 美国 PLUS RODAR公司的 PLUS RODAR 型路用雷达，采用空气耦合双及型 天线，有 250MHz，500MHz，1GHz，2GHz 多种型号。同时可安装 4 个
21、不同频率的天线，测量 速度可达 110km/h。 美国PENETRADAR公司创建于1974年， 一直从事高精度路面雷达系统的设计 开发，该公司的IRIS/IRIS-L型路面雷达已作为美国路桥检测的工业标准。在中 国有十几家用户。 2.2.1.2 英国 ERA公司 SPRSCAN 雷达 英国有有两家雷达生产商，分别是 ERA 公司和 SEARCHWELL 公司。目前对于 他们产品的详情了解甚少。 2.2.1.3 意大利 IDS 公司 RIS-2K/MF 雷达 意大利意锐（IDS）公司生产的 RIS-2K/MF 雷达（北京博态克公司代理） ， 多通道雷达。IDS 公司具有多年国防及卫星雷达经验，
22、民用始于于 20 年前，意大利电信在安装前光纤前需探测地下目标，提出了及其严格的要求， IDS公司为 此研制出 RIS-2K/MF 雷达系统。目前配置的天线的频率有 80，100，150，20， 400， 600， 1200， 1600MHZ。 加拿大 EKKO 天线 输入电压400V， 光纤1000V， 重复频率30KHZ。 2.2.1.4 瑞典及丹麦的雷达 瑞典在生产地质雷达较早，上世纪80年代中期，ABEM公司就生产井下透射 雷达， 到现在工程探测及检测雷达及各类天齐全。 瑞典的MALA GEOSCIENCE公司， 丹麦的依可-丹公司，也都生产谈地雷达。 2.2.1.5 加拿大探头与软件
23、公司 PLUSE-EKKO 雷达 加拿大的 Sensors&Software公司生产的 Pulse EKKO系列地质雷达在上世纪初就进入了 中国(雷迪公司代理)，早期产品为 Pulse EKKO ，接着有功能改进的 Pulse EKKO 100。该 仪器的特点是接收与数字采样都放在天线中，通用光纤与笔记本电脑通讯，笔记本电脑作为 记录器，抗干扰性强。但联线太多，野外使用不太方便。 2.2.1.6 日本 OYO 雷达 日本的 OYO 生产地质雷达较早，上世纪 80 年代末就有产品进入我国，进入 90 年代后 它将地质雷达的生产转给了 GSSI。 2.2.2 国内的地质雷达技术发展 国内在上世纪
24、80 年代就开始地质雷达的研究工作，主要是为了煤矿安全，重庆煤研所在 和多煤矿进行了试验，采用模拟信号、屏幕显示技术，不是数字雷达。90 年代初外国雷达 进入中国后，电子部 22 所和航天部爱迪尔公司也先后开始数字化雷达的研制，分别推出了 自己的产品。90 年代末和本世纪初骄鹏公司与矿大研究生院也分别研制出自己的产品。 2.2.2.1 爱迪尔道路雷达 爱迪尔公司推出的 CIDRC 道路检测雷达， 天线中心频率 750MHz、 1000MHZ、 2000MHz, 并配有层位追踪软件，适合公路路面测量。后有开发出 CBS-900 探地雷达一体化机，配有 高频、中频和低频天线，10MHz2GHz 系
25、列。用于混凝土结构、路面、工程场地等各种测 量。 2.2.2.2 电子部青岛 22 所 LT D - 3 型探地雷达 上世纪 90 年代中期，电子部青岛 22 所原在河南新乡时就研制出 LT D - 3 型探地雷达， 配有 80MHz-1000MHz屏蔽型天线和 25MHz-2000MHz 非屏蔽性天线，并配有分析软件，用 于混凝土结构、路面、工程场地等各种测量。其软件最早采用小波分析方法，效果很好。 2.2.2.3 骄鹏公司 GEOPEN 型地质雷达 骄鹏公司的 GEOPEN 型地质雷达推出的比较晚，但一体化和造型设计在国内是最好 的。光纤传输，25MHz-400 MHz 中低频天线，250
26、MHz-2000 MHz 中高频屏蔽天线。并有 GRIM 型井间雷达系统，一次可采集多频信号，0.5-32MHz。 2.2.2.4 北京矿大研究生院煤矿地质雷达 北京矿大研究生院煤矿地质雷达专为煤矿安全探测设计的，具有防爆功能。2002 年研 制成功。 第三讲 地质雷达仪器结构与特点 3.1 控制、发射与接收 探地雷达主要由控制器、发射与接收天线组成。控制器是雷达的核心部分，它是在计算 机的基础上配合信号发生触发器、A/D转换器共同组成。 地质雷达构成示意图 3.2 采样方式 地质雷达的A/D转换是决定地质雷达技术指标的核心部件，因为采样率非常高，采样间 隔间隔在 10 -1 -10 -2 n
27、s之间，A/D转换的分辨率与采样率茅盾突出，通常采用多次发射，移位 采样的方式达到提高采样率的目的。A/D转换的分辨率有 24Bit、16Bit和 8Bit几种，多数地 质雷达采用 16Bit和 8Bit，只有少数地质雷达达到 24Bit。采用高频天线时一般都采用 8Bit 工作方式。 3.3 天线类型与方向特性 天线的类型以频率划分为低频、中频和高频。以结构特点又划分为非屏蔽、屏蔽天线。 以电性参数分有偶极子天线、反射器偶极子天线、喇叭状天线。采用不同种天线结构是为了 获得较高的发射效率。频率在 80MHz 以下的为低频天线，通常采用非屏蔽式半波偶极子杆 状天线。无反射器，无屏蔽。天线每半极
28、的长度为/4，天线总长度为雷达/2。辐射场具 有轴对称性，能量分散，能流密度小。因发射频率低，介质中衰减小，可用于较深目标的探 测，在场地勘察中经常采用。 频率在 100MHz-1000MHz 范围内的天线称为中频天线，采用屏蔽式半波偶极子天线。 天线采用有反射器的半波偶极子天线，天线每半极的长度为/4，天线总长度为雷达/2。 反射器将辐射到后方的能量集中到前方，在前方形成较大的能流密度。具有天线体积小，发 射效率高的特点。 在工程勘查与检测中常使用该类天线， 包括 300MHZ、 600MHZ、 900MHZ。 100MHZ 加强型天线也属于该类天线，它采用高功率发射技术，探测深度可达 30
29、m 左右， 场地勘察、线路勘察和隧道超前预报中常使用该种天线。 高频天线：频率高于 1GHZ 的称为高频天线。高频天线常采用喇叭形状，以提高辐射 效率。该天线辐射能量集中，分辨率高，目前主要用于路面、跑道的质量检测。 非屏蔽天线的辐射是以天线轴为对称的，并且在垂直天线轴的中心平面内辐射强度最 大，向两侧变小。天线中的电流分布及其周围的电场强度如下所示： 屏蔽天线辐射的方向性与屏蔽结构有关，以 GSSI 公司的 100MHz 屏蔽天线为例，其辐射 前后方向 左右方向 角前后 90，左右 60。辐射能量较为集中，能流密度较大，有利于增大探测深度。 3.4 天线频率与频带 频率与频带宽度是天线重要技
30、术指标，关系到天线的探测能力。不同型号的仪器会有所 差异。SIR 系列雷达天线的频带宽度近似等于中心频率。 为满足不同探测目的的需要设计了多种频率的天线。以美国 GSSI SIR 型雷达的天线 为例，介绍一下有关天线电器指标。天线的技术指标中输出功率的大小是很重要的。不同厂 家的天线频率可能相同，但功率不同，探测深度可能不同。 GSSI 天线技术指标 型号 3112 3207 3110 3205A 3102A 3101D 3100 4208 4205 中心频率 （ZMH） 80 100 120 300 500 900 1000 1000 2500 脉冲宽度 （ns） 12 10 8 3 3 1
31、.1 1.0 1.0 0.4 阻抗 （ohm） 240 240 240 240 240 240 240 变 变 输入电压 （V） 100 70 100 70 100 50 50 20 15 发射效率 35% 25% 25% 25% 20% 20% 20% 天线双峰 功率（W） 41.7 20.4 41.7 20.4 41.7 10.4 10.4 平均功率 （mw） 25 10.2 16.7 3.1 4.2 0.57 0.5 发射峰值 功率（W） 14.6 5.1 10.4 5.1 8.3 2.1 2.1 平均发射 功率(mw) 8.75 2.55 4.18 0.78 0.84 0.11 0.1
32、 777/775 增 强型平均 功率(mw) 1380 750V 1150 750V 920 750V 345 750V 778/776 超 强型平均 功率(mw) 3000 1100V 2500 1100V 2000 1100V 750 1100V777/775 增 强型平均 发射功率 (mw) 483 288 230 86 777/775 超 强型平均 发射功率 (mw) 1050 625 500 188 重复频率 （KH） 50 50 50 50 50 50 50 1000 1000 3.5 雷达脉冲与子波 雷达工作时控制部分输出触发波形，触发波形是矩形脉冲，上升沿 1/22ns，脉冲宽
33、度 10ns(100MHZ 天线)。重复频率 50KHZ、25KHZ。天线是由高速开关电路驱动的，开关电路 与天线类似于微分电路，将矩形脉冲变成震荡小波输出。矩形脉冲幅度约 150V，小波输出 双峰幅度可达 1100V. 触发波形 天线发射波形 对于一个触发脉冲，天线实际发射的是一个子波，也可成为一个小波。子波的波形并 不像图中画出的那样简单，后边可能带有衰减震荡。子波越简单越有利于分析鉴别。各种雷 达天线子波的形式可以现场实测。 3.6 雷达探测深度 雷达的探测深度与天线的发射功率、使用的频率、介质的电导特性及仪器的动态范 围有关。 各种不同的仪器差别较大。发射功率大的仪器探测深，但是功率增
34、大对探测深度的影响是对 数关系，动态范围的增大与探测射度成线性关系。动态范围大，探测深。反映动态范围的指 标是采样位数，即 A/D 转换位数，24Bit 最好，16Bit 次之，最差的是 8Bit。在其他条件相 通的条件下，三者的探测深度比为 16：8：1。以美国 GSSI SIR 地质雷达为例，对于通常电 导率不太高的介质，对于天线频率 40MHZ-2500MHZ 的各种天线，其探测深度最小深度为 4cm，最大深度为 50m。下表给出了不同频率、不同岩性条件下，电磁波能量随深度的衰减， 它反映了介质的特性。探测深度是仪器特性与介质特性的综合效果。 对于 100MHz 天线，24Bit 的采样
35、, 在花岗岩中可穿透（单程）120-140m，在灰岩中可 以穿透 80-90m, 在页岩中可穿透 5-6m。如果用 16Bit 采样，则传播深度减小到一半。如果 采用更高频的天线，电磁波衰减的更严重。 3.7 雷达水平与垂直分辨率 3.7.1水平分辨率 水平分辨率是雷达能够分辨的物体的水平最小尺度。水平分辨率对于工程探测来说是头 等重要 的技术指标。 根据Fresnel(菲涅尔)原理， 菲涅尔带中心垂直反射与边缘反射的波程差为/2， 菲涅尔带半径d f 为： d f =(h/2+ 2 /16) 1/2 水平分辨率应为菲涅尔带半径的 1/2。 假定雷达波以锥面形式向下传播，物体上表面将大部分能量
36、反射回来，则水平分辨率可根据下式估算： R f = (h+/4) 1/2R f :圆柱半径, ：电磁波长，h：柱体顶面埋深。 从上述公式中可以看出，水平分辨率与埋深及波长有关，而波长是由天线频率和介质 波速决定的。下表中列出了三种常用频率天线探测典型工程介质时的水平分辨率。 雷达探测工程介质中的水平分辨率 - 天线频率 100MKZ 600MHZ 900MHZ - 空气中(=1) 3m 0.5m 0.33m R f （1m深） 1.9m 0.79m 0.64m R f （2m深） 2.6m 1.1m 0.86m - 水中(=81) 0.33m 0.05m 0.036m R f （1m深） 0.
37、64m 0.25m 0.2m R f （2m深） 0.86m 0.35m 0.28m - 混凝土(=6) 1.2m 0.28m 0.13m R f （1m深） 1.22m 0.59m 0.4m Rf (2m深) 1.6m 0.67m 0.54m - 砂岩(=10) 0.95m 0.16m 0.11m R f （1m深） 1. 1m 0. 4 4m 0. 3 7m R f （2m深） 1. 4 6m 0. 6m 0. 4 9m - 3.7.2垂向分辨率 分辨率定义为雷达所能探测到的物体的最小尺度。垂向分辨率是能探测到的物体的垂向 最小尺度。按波的干涉理论，物体上下界面反射波最小可识别双向波程差为
38、/4-/8，因 而垂向分辨率R V 与工作频率有关：R V =/8-/4 根据应用实践，分辨率与深度有关，随着深度 h 的增大，分辨率降低。可用下式估算垂 向分辨率R V 。 R V = 0.08*h 0h3m； R V = 0.5*h 3 h； 在湿砂土中埋设的直径 6cm管子难于探出来，9cm的管子应该可以探出来。 下图是使用 300MHZ天线，岩土介质介电常数为 9 条件下的垂向分辨率随深度的变化。 雷达探测垂向分辨率随深度的变化 3.8 雷达记录信号的传输 雷达天线接收到的反射信号如何传输到记录器并将其记录下来。目前国内外的雷达就 此分两种不同的方式。一类是天线接收到的电磁波信号直接送
39、回到计算机，在计算机里完成 数值采样，并进行储存。象美国的 GSSI 公司的各种雷达、中国的各种雷达多是这种方式。 另一类是天线接收到信号后立即进行数值采样，而将数值信号送回计算机储存，加拿大的 PULSE EKKO雷达就属于该类。后者的优点是抗干扰性能好，便于长距离传输。 第四讲 地质雷达现场采集工作 进行雷达现场探测要关注下列各环节：估计探测对象的性质特点，布置测线、进行现场纪 录、选择相应的天线，设置雷达采集参数，进行简单现场采集实验，估计岩土和工程介质电 磁波速，改进采集效果，正式进行探测采集。 4.1探测目的与目标 探测对象特点分析对于制定勘测方案、选择合适天线、设置仪器参数等事项
40、都是非常重要，它是取得良好探测结果的基础。对象特点包括对象的埋深和要探 测的深度、对象的形状大小、介质环境特点、地下水位、目标与环境的电导率与 介电常数等电磁特性。 在此基础上进行测线走向、 间距的设计， 仪器参数的选择。 一个地质雷达探测探测项目都会有确定的检测对象， 明确的检测目的和要求。 从这些目的要求中应该特别清楚地明确下列要点， 以便正确设置仪器参数和合理 布置测线。这些要点包括： 探测目标深度； 探测目标水平尺度； 目标是二度体还是三度体； 要求的分辨率； 目标与环境电磁向值差异的大小； 探测深度关系到雷达时间窗口的大小； 目标的水平尺度和要求的分辨率决定测线 的间距，二度、三度体
41、对应测线布置方案；目变与环境的电磁性质差异大小决定 选取多大的转换位数。这些在进入现场后、开始工作前要确定下来。 .测线布置与标记 测线布置对于取得满意的探测结果十分关键，如果观测系统不当，虽作了工 作但补一定能取得满意结果。测线布设应该注意两点，一个是关注探测的目标是 二度体还是三度体。如果是二度体，测线应该彼此平行、垂直目标轴向布设；如 果是三度体，测线应该按网格状布设。另一点是关注探测目标水平尺度的大小及 要求的水平分辨，即要求水平方向探测目标的最小尺度。两者有时是相同的，单 大多数场合是不同的。测线的间距应该同时小于或等于目标尺度与分辨率尺度， 以方目标露测。这野外施工中为了节省时间有
42、时测线间距很大，这就有露测的危 险。 二度体探测剖面布置 三度体探测剖面布置 测量中要做好场地标记和纪录打标。 场地标记包括测线标记和测线上距离标 记。同时，雷达记录里的标记要与场地标记相一致。 .观测场地与环境记录 观测现场纪录和重要， 它是资料解释的基础。 有些环境干扰信号被记录下来， 如电线杆反射、侧面墙反射、金属物品反射等，如不参考现场记录很容易被错判 为地下异常体。现场纪录的要点是把那些可能产生反射干扰的第物都记录下来， 注明它们的性质、与测线的距离、位置关系等。 .采集参数的选择 现场测量开始前应该对雷达的采集参数进行设定， 这一工作最好在进入现场 前在室内完成，进入现场后可根据情
43、况略加调整。参数设定的内容包括时间窗口 大小、扫描样点数、每秒扫描数、转换位数、增益点数等内容。参数设置 的是否合理影响到记录数据的质量，至关重要。参数设置在雷达采集状态下用箭 头键实现。 SIR-2雷达主机 探测深度与时窗长度 探测深度的选取是头等重要的，既不要选得太小丢掉重要数据，也不要选得 太大降低垂向分辨率。一般选取探测深度 H为目标深度的 1.5倍。根据探测深度 H和介电常数确定采样时窗长度（Range/ns） ： R ange= 2H () 1/2 /0.3(ns)= 6.6 H() 1/2 (ns) 例如对于地层岩性为含水砂层时，介电常数为25，探测深度为3m时，时窗 长度应 选
44、为100ns，时窗选择略有富余，宁大勿小。 A/D采样分辨率： 雷达的 A/D 转换有 8Bit、16Bit、24Bit 可供选用。选择 24Bit 动态大，强 弱反射 信号都能记录下来，探测深度大、时窗长时采用。16Bit，动态中等，中高频天 线、探测 2-5m 时采用；选择 8Bit 动态小，采集速度快，探测深度小于 1m、时 窗小时采用； 扫描样点数 扫描样点数Samples/Scan有128、256、512、1024、2048/scan可供选用， 为保证 高的垂向分辨，在容许的情况下尽量选大。对于不同的天线频率F a 、不同的时窗 长度Range，选择样点数Samples应满足下列关系
45、： Samples10 -8 *Range*F a 该关系保证在使用的频率下一个波形有10个采样点。例如对于900MHZ天线， 40ns采样长度的时窗，要求每扫描道样点数大于360Sanples/Scan，可以选择接 近的值512。 对于100MHZ天线， 500ns采样长度， 样点数应大于500Sanples/ Scan, 可以取 512 或 1024。样点数大对提高资料的质量有利，但耗时较大，影响前进 速度。 扫描速率Scans/S： 扫描速率是定义每秒钟雷达采集多少扫描线记录，扫描速率大时采集密集， 天线的 移动速度可增大，因而可以尽可能的选大。但是它受仪器能力的限制。对于一种 类型的雷
46、达，他的A/D采样位数、扫描样点数和扫描速度三者的乘积应为常数。 当扫描速率 Scans/s 决定后，要认真估算天线移动速度 TV。估算移动速度的原 则是要保证最小探测目标（SOB）内只少有20条扫描线记录： TVScans*SOB/20 例如探测目标最小尺度为10cm、扫描速率64Scans/s时,推算天线运动速度应小 于 32cm/s，相当于 0.5cm/scan。如果最小目标为 0.5m,则天线移动速度可达 1.5m/s。 增益点数的选择： 增益点的作用是使记录线上不同时段有不同放大倍数， 使各段的信号都能清 楚的显 现出来，增益点的位置最好是在反射信号出现的时段附近。SIR型雷达设计的
47、增 益点从2到8个， 时窗短时选2点增益，时窗长时选4或5足以。 点之间的增益 是线性变化的，增益的变化是平滑的。增益大小的调节是使多数反射信号强度达 到满度的60%-70%，增益太大将造成削顶，增益太小将丢失弱小信号。 滤波设置： 滤波设置是为了改善记录质量。滤波分垂向滤波和水平滤波。垂向滤波分高 通和低 通，高通频率选为天线频率的1/6，高于这个频率的信号顺利通过，相当于带通 滤波器里的低截频率。垂向低通频率选为天线频率的2倍，低于该频率的波顺利 通过，相当于带通滤波器里的高截频率。 水平滤波分水平平滑和背景剔除，目的是消除仪器和环境的背景干扰。水平 平滑通常取3道平滑，背景剔除功能只在回
48、放时起作用。 选择合适的采集方式： 雷达的采集方式有多种，对SIR仪器有连续采集、逐点采集、控制轮采集。 连续采集是最常用的采集方式，具有工作效率高的特点，便于界面连续追踪。逐 点采集一般在表面起伏变化大的情况下采用，或是使用低频拉杆天线时采用。控 制轮采集是通过控制论行走为记录打标记，资料位置标记均匀准确，一般在表面 平整的机场跑道、高速公路路面等场合采用。 选择适宜的显示方式： 雷达显示是现场观察探测结果的只管展示， 仪器预设了几个可供选择的彩色 显示方式，可以根据不同对象选用，通过比较选择效果最好的方案。显示方案的 振幅分成 16等级，正幅值 8级，负值 8级。对 16级的不同分法形成了三种显示 方案。第一种方案是线性分割，第二种方案是平方根分割，第三种方案是按平方 分割。第一种方案在大多数情况下采用，第二种方案在要求突出弱信号时采用， 第三种方案在需要反映主要强反射界面时采用。
