第三讲 地质雷达仪器结构与特点

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10-1-10-2ns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。

天线每半极的长度为λ/4，天线总长度为雷达λ/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λ/4，天线总长度为雷达λ/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30m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。

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1/2—2ns，脉冲宽度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, 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λ/2，菲涅尔带半径d
为：
f
d f=(hλ/2+λ2/16)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反射回来，则水平分辨
率可根据下式估算：
R f= (λh+λ/4)1/2
R f :圆柱半径, λ：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
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天线频率100MKZ 600MHZ 900MHZ
----------------------------------------------------------------
空气中(ε=1)λ 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
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水中(ε=81)λ 0.33m 0.05m 0.036m
R f （1m深）0.64m 0.25m 0.2m
R f（2m深）0.86m 0.35m 0.28m
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混凝土(ε=6)λ 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
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砂岩(ε=10)λ 0.95m 0.16m 0.11m
R f （1m深） 1.1m 0.44m 0.37m
R f （2m深） 1.46m 0.6m 0.49m
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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λ/4--λ/8，因而垂向分辨率R V 与工作频率有关：R V=λ/8--λ/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 0<h<3m；
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。