1、第三章 探地 雷 达,绪论,探地雷达（Ground Penetrating Radar）是一种利用电磁波反射确定地下介质分布情况的电磁探测方法。利用发射天线向地下发射单脉冲电磁波，该脉冲在探测物体内部传播过程中，遇到不同电性介质界面，产生不同强度的反射，通过接收天线在时域上接收后向散射及反射电磁波，利用接收到的电磁波电磁学特征及发、收天线几何位置关系经过信号处理，得出探测区内的反射体空间位置及形态。,绪论,工作频率：MHzGHz。 在地质介质中以位移电流为主；电磁波动方程与地震波类似。,绪论,历史： 1910年，G.Leimbach 和H.Lowy 在德国专利中提出，用埋设在一组钻孔中的偶极天
2、线探测地下相对高导电性质的区域，正式提出探地雷达。 1926年，Hulsenbeck首先使用脉冲传播技术确定埋体位置，他提出，介电常数不同的介质交界面会产生电磁波反射。 1960年，Cook用脉冲雷达在矿井中做了试验。 二十世纪七年代，弱吸收介质中应用。,绪论,历史（国内）： 19801990年，开如引进探地雷达。 中国地质大学等方法研究。 青岛电磁波研究所研制探地雷达。 中国矿大仪器与软件。 北京骄鹏仪器中。 东华理工大学软件。,发射波形式： 调幅波、调频连续波、 脉冲扩层/压缩波。 天线： 振子天线：低方向性、线性极化、有效带宽、体积小、辐射特征容易分析 行波天线：喇叭形天线、线性极化、短
3、脉冲。 螺旋天线：脉冲响应宽、非线性。,绪论,脉冲调幅波、振子天线,方法特点： 探测深度小，精度高； 测试速度快，成果直观，可进行实时解释； 仪器智能化高，一般集成或采用计算机控制。,绪论,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,控制单元,天线单元,采集单元,存储处理,1、控制单元产生方波触发信号，经电缆传递给天线单元,2、天线单元转换方波信号为双向脉冲，激发电磁波。,3、电磁波向下传递，遇到界面后返回天线单元。,4、采集单元通过模数转换，采集天线单元中电磁波信号。,5、采集数据经处理后存储。,脉冲时间域探地雷达,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,波动方程：,相位系数：,地 质 雷 达 的 基
4、本 原 理,电磁场波动方程,无场源区电磁场麦克斯韦方程,无场谐变,各向同性,波动方程,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电偶极源的电磁场,磁矢位,梯度的旋度恒为零，引入标量,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电偶极源的电磁场,远区：,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电偶极源的电磁场,远区：,空气中：,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电磁波的传播特点,高频下岩石电磁特性：,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电磁波的传播特点,电磁波速：,相位系数；是波度的决定因素,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电磁波的传播特点,相位系数：,1、频率增大，相位系数，速变低。 2、介电常数、电阻率
5、对相位系数影响程度随频率变化有差异（高频介电常数对相位系数影响大，并随介电常数增加而增加；低频时，电阻率对相位系数的影响大，随电阻率减小，相位系数增大。）,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电磁波的传播特点,电磁波速：,对大多数非导电、非磁性介质来说，其电磁波传播速度主要取决于介质的介电常数。,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电磁波的传播特点,吸收系数：,1、吸收系数随电阻率的减小、介电常的减小而增加。 2、电阻阻小时，吸收系数随介电常数变化不明显；电阻阻大是，吸收系数随频率的变化不明显。,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电磁波的传播特点,吸收系数：,1、吸收系数随电阻率的减小、介电
6、常的减小而增加。 2、电阻阻小时，吸收系数随介电常数变化不明显；电阻阻大是，吸收系数随频率的变化不明显。,导电率成正比，与介电常数的平方根成正比,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,脉冲电磁波的波谱特征,惠更斯费涅尔原理,绕射积分理论,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电磁波的反射与折射,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电磁波的反射与折射,垂直极化波（电场矢量垂直入射面）在界面的反射与折射： 电磁波在跨越介质交界面时，紧靠界面两侧的电场强度和磁场强度的切向分量分别相等，则得,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电磁波的反射与折射,反射系数和折射系数,折
7、射率,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电磁波的反射与折射,反射系数和折射系数,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,反射系数的计算,z1 =第一层的阻抗 z2 =第一层的阻抗 r = 反射系数,由于地质雷达频率高，一般有，故反射系数可简化为,电磁波的反射与折射,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,影响介质介电常数的几个因素,= 沉积地层的介电常数 a = 空气的介电常数 w = 水的介电常数 s = 土壤颗粒的介电常数 n = 孔隙率 (%) s = 水的饱和程度,电磁波的反射与折射,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,反射系数,1,反射系数的计算,电磁波的反射与折射,探地雷达方法技术,（1
8、）剖面法剖面法是发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。,探地雷达方法技术,（2）多次覆盖应用不同天线距的发射-接收天线在同一测线上进行重复测量然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。,探地雷达方法技术,（3）宽角法或共中心点法,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,探地雷达技术参数,分辨最小异常体的能力，分为垂直分辨率、水平分辨率。,分辨率,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,探地雷达技术参数,分辨率-垂直分辨率,Widess(1973),三层模型，第一与第三层波速相同，第二层为第一层波速的一半,地 质 雷 达 的 基 本
9、原 理,探地雷达技术参数,分辨率-垂直分辨率,Widess(1973),三层模型，第一与第三层波速相同，第二层为第一层波速的一半,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,垂直分辨率Dm：垂直最小可分辨的层的厚度 Dm=0.5 其中， 为雷达波的波长 =V/f V为雷达波的传播速度，f为雷达波的中心频率其中，C为雷达波在真空中的传播速度，因此有：,探地雷达技术参数,分辨率-垂直分辨率Dm的确定,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,介电常数,最小可分辨厚度,中心频率,垂直分辨率,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,金属目标体(经验规则） 深度 最下可探测目标体尺度0 - 3 m 8 cm /m 3 m
10、 50 cm/m 塑料目标体 深度: 25 cm 在湿沙中 6 cm PVC 管难于探测到9 cmPVC管可探测到,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,探地雷达技术参数,分辨率水平分辨率,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,探地雷达技术参数,分辨率水平分辨率,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,雷达波向下传播的区域是一个圆锥体。 主要的反射能量来自其中的第一Fresenel区。 第一Fresenel区的半径可由以下公式计算,第一Fresnel区,其中RF=第一Fresenel区的半径 =波长wavelength r0 = 目标层的深度,探地雷达技术参数,分辨率水平分辨率Hm,地 质 雷 达 的
11、 基 本 原 理,探地雷达技术参数,分辨率水平分辨率,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,探地雷达技术参数,分辨率水平分辨率,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,探地雷达技术参数,探测距离,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,影响勘探深度的因素,不可控制因素: 地下介质的电导率，随电导率升高而下降。 地下介质的含水量，随含水量升高而下降。 地下介质的粘土含量，随含量升高而下降。 地下介质的杂乱程度，越杂乱，越小。 导电成分含量，随含量升高而下降。 可控制因素: 天线的中心频率，频率越低，深度越大。 发射功率，功率越大，深度越大。 信号接收的灵敏度，灵敏度越高，深度越大。,探地雷达技术参数,地
12、质 雷 达 的 基 本 原 理,探地雷达勘探的两个重要的物性参数,介质的电导率 介质电阻率的倒数，反应介质的导电能力。 地下介质的电导率的变化范围为410-9S/m。 主要受地下介质的含水率及粘土含量的影响。 由于电磁波在导电介质中的衰减，电磁波难于在高电导率介质中传播，一般的，如果地下介质的电导率高于0.01S/m时，不宜使用探地雷达。,介质的介电常数 电磁场作用于介质时，介质载荷能力的反映，无单位量。 地下介质的介电常数变化范围为181（空气为1，水为81）。 介质介电常数受含水量的影响，含水量越高，介电常数越大。 电磁波遇到介电常数差异界面是，会发生反射，通过测量反射波的强度及反射时，可
13、得到地下介质的信息。 反射波的强度由介电常数差异决定，当差异为1时即可发生反射。,探地雷达技术参数,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,常见介质的探地雷达勘探应用效果电导率分类,低电导率（小于10-7S/m)，应用效果好： 空气。 干的花岗岩，灰岩。 混凝土、沥青。,中电导率（10-710-2S/m)，应用效果一般： 纯净水、纯净水冰、雪。 砂、泥砂、干粘土、干的玄武岩、海冰。,高电导率（大于10-2S/m)，应用效果较差： 湿粘土，湿页岩。 海水。,探地雷达技术参数,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,电导率对勘探深度的影响,勘探深度米,地下介质电导率的对数mmhos/m,金属板,探地雷达技
14、术参数,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,不同频率天线的应用领域及其勘探深度,中心频率(MHz) 应用领域 勘探深度（M) 采集时窗(ns)80 地质调查 5 - 30 400 - 700MLF 16 - 80 地质调查 5 - 30+ 300 - 800100 环境地质 4 - 25 300 - 500200 环境地质 1 - 10 70 - 300300 浅层工程与环境地质 1 - 9 70 - 300400 浅层工程与环境地质 .5 - 4 20 - 100500 工程与环境、结构物 .5 - 3.5 20 - 80900 混凝土、桥梁结构物 0 - 1 10 - 201000, 15
15、00, 2000 混凝土、路面 0 - .5 10 - 15,探地雷达技术参数,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,不同勘探深度的频率选择,探地雷达技术参数,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,探地雷达技术参数,100mHz天线的探测深度,地 质 雷 达 的 基 本 原 理,子波,探地雷达技术参数,地 质 雷 达 野外工作,目标特性与所处环境分析 1、目标体深度方法选择与天线选择 2、目标体尺寸、走向点距与测线布置 3、目标体的电性方法是不是有足够分辨的异常 4、测区的工作环境干扰 5、围岩的不均一性尺度必须异于目标体尺度可分辨 测网布置 测地根据目标体特性布线 如：管线已知走向（垂直走向）、
16、未知走向方格网有限体积目标大小基岩面等垂直走向、线距分辨率,准备工作,地 质 雷 达 野外工作,探地雷达的主要参数设置,时窗、天线的中心频率、采样率、BITS/SAMPLE、高通与低通滤波的截止频率、增益、POSITION、SCANS/SECOND、天线离介质表面的距离、发射与接收天线间距、天线方向等,注意：仪器记录的是原始数据还是处理以后的数据。,地 质 雷 达 野外工作,探地雷达的主要参数设置,天线中心频率 1、分辨率： 2、深度：,中心频率(MHz) 应用领域 勘探深度（M) 采集时窗(ns)80 地质调查 5 - 30 400 - 700MLF 16 - 80 地质调查 5 - 30+
17、 300 - 800100 环境地质 4 - 25 300 - 500200 环境地质 1 - 10 70 - 300300 浅层工程与环境地质 1 - 9 70 - 300400 浅层工程与环境地质 .5 - 4 20 - 100500 工程与环境、结构物 .5 - 3.5 20 - 80900 混凝土、桥梁结构物 0 - 1 10 - 201000, 1500, 2000 混凝土、路面 0 - .5 10 - 15,地 质 雷 达 野外工作,探地雷达的主要参数设置,时窗,地 质 雷 达 野外工作,探地雷达的主要参数设置,采样率：指记录的反射波采样点之间的时间间隔。 采样率由尼奎特(Nyqu
18、ist)采样定律控制，即采样率至少应达到记录的反射波中最高频率的2倍。一般采用610倍。,ns,地 质 雷 达 野外工作,探地雷达的主要参数设置,点距：取决于天线中心频率与地下介质的介电特性。,地 质 雷 达 野外工作,探地雷达的主要参数设置,天线间距,地 质 雷 达 野外工作,探地雷达的主要参数设置,天线方向,地 质 雷 达 野外工作,经验公式，由该岩层的经验介电常数计算速度。 标定法，由已知深度目标体来标定速度。 几何尺度法。 共深度点法（CDP）,C = 光速 (3 x 108 m/s) r = 介电常数 V = 速度 (m/ns) TT = 每单位深度的双程时 (慢度), ns/m,一
19、、经验公式法,确定雷达波的传播速度,地 质 雷 达 野外工作,二、标定法 1) 垂直已知深度D的目标体走向探测，得到雷达剖面。 2) 在雷达剖面中，读取已知目标体的双程时T。 3) 计算速度V V = 2D/ T 4) 利用该速度计算待测目标体的深度。,确定雷达波的传播速度,地 质 雷 达 野外工作,三、几何尺度法 1)当测线垂直管状目标体时。在目标体的侧上方也能接收到来自目标体的反射波，管状目标体在在雷达剖面上反射波同相轴为拱形。,确定雷达波的传播速度,地 质 雷 达 野外工作,三、几何尺度法 2）在管状目标体正上方时，其反射波双程走时为ty。在地表偏离正上方x处的时反射波双程走时为tz。
20、3)如果管状目标体的埋深远远大于其直径，则管状目标体的埋深可由下式计算。,确定雷达波的传播速度,地 质 雷 达 野外工作,四、共深点法 1）当天线间距为x1时，其双程走时为td。 2）当天线间距为x2时，其双程走时为tx。 3)则电磁波的传播速度为,确定雷达波的传播速度,地 质 雷 达 数据处理,1、水平刻度校正 2、水平背景移除 3、带通滤波 4、偏移,地 质 雷 达 数据处理,水平背景移除,地 质 雷 达 数据处理,3、带通滤波,地 质 雷 达 数据处理,偏移,地 质 雷 达 仪器,各种不同频率的天线,地 质 雷 达 仪器,接地耦合型低频组合天线1680MHz,地 质 雷 达 仪器,地 质
21、 雷 达 仪器,空气耦合型高频天线1G、2GHz,地质雷达数据的记录,单点采集的波形,在剖面上连续采集，形成雷达记录剖面wiggle图,地质雷达数据的记录,灰度扫描图显示LineScan图,彩色扫描图显示LinaScan图,地 质 雷 达在工程中的应用,高等级公路的路面结构如右图所示： 空气层的介电常数1=1.0 公路面层主要采用两种材料：改性沥青、水泥混泥土，面层为混泥土时其介电常数2大约为6，为沥青时其介电常数2大约为4， 基层与底基层的材料有：水泥土、水泥稳定粒料、石灰土、石灰稳定粒料、石灰粉煤土基层、石灰粉煤灰稳定粒料、级配碎（砾）石、填隙碎石（矿渣）等。介电常数3随其采用的材料不同而
22、不同，但由于其湿度较大，且采用土、砾石、粉煤灰、石灰等介电常数相对较大的材料，其介电常数大都3大于8。 高等级公路各层之间都存在介电常数的差异，这为利用雷达技术探测路面厚度提供了地球物理依据。,高速公路路面的检测,地 质 雷 达在工程中的应用,检测装置示意图,地 质 雷 达在工程中的应用,典型的雷达检测波形图,上图为2G空气耦合天线路面测量的典型波形。从图中我们可以看出，第一界面（空气与面层界面）的反射波的强度为A1，第二反射界面（面层与基层反射界面）反射波的强度为A2，第三反射界面（基层与底基层反射界面）反射波的强度为A3。,78,缩缝钢筋 拉杆位置,路面面层底界面位置,快速、无损探测，采样
23、间距为10cm，检测速度达30km/h；与钻探结果对比，探测精度为1.0-6.7mm,地 质 雷 达在工程中的应用,79,补强钢筋 网位置,路面面层底界面位置,快速、无损探测，在采样间距为10cm时，检测速度可达30km/h；与钻探结果对比， 探测精度为1.7-5mm,地 质 雷 达在工程中的应用,80,地 质 雷 达在工程中的应用,81,路面面层厚度,地 质 雷 达在工程中的应用,82,地 质 雷 达在工程中的应用,83,15cm 空洞,7.5cm 空洞,2.5cm 空洞,地 质 雷 达在工程中的应用,隧道衬砌面质量检测,84,地 质 雷 达在工程中的应用,85,空洞,隧道衬砌面,地 质 雷
24、 达在工程中的应用,水底地形地质探测,86,地 质 雷 达在工程中的应用,87,水底地形及浅层地质探测,原始探测数据,滤波后数据,地 质 雷 达在工程中的应用,88,垃圾掩埋调查,垃圾坑,地下水位线,地 质 雷 达在工程中的应用,地下储存罐探测,89,地 质 雷 达在工程中的应用,90,城市地下管线探测,电话线,同一通道中平行 的2根煤气管,PVC管,铁管,地 质 雷 达在工程中的应用,91,混凝土中钢筋配置检测,钢筋,结构物中横梁,混凝土底界面,地 质 雷 达在工程中的应用,基岩面调查,92,地 质 雷 达在工程中的应用,93,基岩面调查,灰岩顶界面,地 质 雷 达在工程中的应用,高速公路路
25、基沿线工程地质勘察与路基病害探测,地质雷达探测溶洞,灰岩层,灰岩层,溶 洞,低液限粘土层,低液限粘土层,岩性分界面,地 质 雷 达在工程中的应用,路基沿线工程地质勘察与路基病害探测,地质雷达探测采煤坑道,采煤坑道及坍塌部位,空气回波层,岩层分界面,地 质 雷 达在工程中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧
26、道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,地 质 雷 达在隧道衬砌检测中的应用,
