地质雷达原理及应用

周期 1
重复采样原理（取样示波） 2
3
发射机发射的信号
4 5 6
脉冲重复频率！
7 8 1 2 3
接收机接收的信号
4 5 6
每一个采样周期，发射机都发射一个完整的 脉冲信号，接收机记录其中一个点的信号
7 8 [t]
采样频率：最好大于天线中心频率的10倍（一定不要小于6倍）， 一般达到20倍就足够了，再增加采样频率信号也不会改善。
探地雷达是如何工作的？
• 发射天线发射电磁波穿透地下介质
• 穿透深度取决于介质的介电常数和电导率 • 记录反射时间 • 介质中电磁波速度一般在 50 - 150 m/µs • 工作模式: 反射（多数情况下使用） 透射（层析成像、雷达CT,钻孔雷达或对穿探测）
GPR 工作方法 – 反射
• 雷达探测的95% 是用偶极反射模式
二、地下介质的电特性
电特性
• 要探测的介质的电特性, 决定雷达方法是否适用。 • 在用雷达进行地质勘探时, 水是决定电特性的最主要的因素。
• 电导率 (穿透深度…) • 相对介电常数 (对比度, 信号速度, ―足印”…) • 水 (与上面参数有关)
电特性
传导电流: • Jc = s E • s = 电导率(S/m) • s = 1/r (电阻率, W m)
屏蔽天线的内部结构
电特性
反射系数: • 电磁波反射是由地下土壤中电阻抗的变化 产生的。 • 对GPR 频率范围，地下介质的阻抗变化 主要由相对介电常数的变化决定的。
z1 1
z2 2
( z 2 z1 ) r ( z 2 z1 )
j j
此处: z1 = 第 1层的阻抗 z2 = 第2层的阻抗 r = 反射系数
个天线接受来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中
传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电 性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间 （亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断地下介质的 分布情况。
一、基本原理
地质雷达属于高频电磁波，工作原理是基于电磁波的反
射原理。地质雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由 产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线 (Tx)组成 。通过发射天线电磁波以60°～90°的波束角向地下发射电 磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波
No E-field No E-field E-field applied
• 电导率是一个物体传导电流的能力（或电荷在介质中流动 的难易程度。 • 如: - 电子在金属板内 - 水中离子的移动
电特性
GPR信号的穿透深度 与土壤的导电率有关 (低致金属目标体):
120 35 100 30
Depth (feet)
道：在地面上某一点采集的一个完整的波形 道间距/时间间隔：根据探测需要选取 天线中心频率：每个天线都有一个频率范围，它不是单频的
电磁波的频率分布（频谱）
• • n=∞ T(t) = a0 + ∑ ancos(n2t * f + άn) • n=1 = c/f
带宽的定义：
带宽 B : fh – fl, - 10dB 为极限值
• 从原理上将，GPR 类似于声纳设备 • 发射机发射一 “列”电磁脉冲， 该脉冲在介质中传播 • 在地下介质的电特性有变化的地方 发生反射(即散射) • 接收机拾取“背散射”信号，记录它 并将其显示在计算机屏幕中
GPR 方法 - 反射
Depth [m]
Time [ns]
?
Length [m]
GPR工作方法 – 层析成像 (钻孔雷达)
时间窗/样点数：时间窗根据你准备探测的深度确定，最好比你期望 的探测深度大30%。要增大时间窗，最好的办法是增加 样点数，尽量不要降低采样频率。
信号位置/直达波：一般把直达波的起始位置调到30个样点处（通常 自动搜索就够了，不行的话手动调整）
电磁波的传播路径
X
发射机
空气波
接收机
地下直达波 土壤 (εr,σ) 反射波
1. 使用标准速度
材料 空气 水 干沙 饱含水的沙 石灰岩 页岩 淤泥 粘土 花岗岩 混凝土 冰 速度 (m/us) 300 33 150 60 110 90 70 60 130 110 160
• 相对介电常数的值表示将介质中电荷分开的力。 • 如: - 分子偶极子的移动 一些分子的特性 - 金属物体中的电荷 嵌在周围环境内
电特性
相对介电常数和 GPR 信号速度的关系:
v = 介质中GPR 信号的速度 c = 光速 er = 相对介电常数
电特性
相对介电常数和―足印”的关系: ―足印” 定义为探测的 “有效区域 ”
D
目标物
实际雷达图像的直达波
直达波 反射目标体 杂波
单道波形
叠加次数：叠加是通过平均来提高信噪比，噪声水平是叠加次数 平方根的倒数。 两种叠加方式：样点叠加（在点测时使用），优点是采集 时天线不动，效果好；道叠加（时间和距离采集时使用） 优点是方便。
采集模式：测距轮（距离）：最常用方式，结果解释准确可靠 时间：当无法沿确定测线探测时，如果GPS信号有， 可以采用。 键盘（点测）：低频天线做深部探测采用，叠加可以很高
地质雷达理论及应用
1904年，德国的Hulsemeyer首次尝试用电磁波信号来探测远 距离地面金属体，这便是探地雷达的雏形。1910年，G.Letmbach 和H.Lowy在一项德国专利中指出，用埋设在一组钻孔中的偶极天 线探测地下相对高导电性的区域，正式提出了探地雷达的概念。 1926年，德国的Httlsenberg第一个提出应用脉冲技术确定地下结 构的思路，并指出电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生 反射，这个结论也成为了探地雷达研究领域的一条基本理论依据。 1929年Stern进行地质雷达的首次实际应用，他用无线电干涉法测 量冰川的厚度。cook在1960年用脉冲雷达在矿井中做了试验。但 是地下介质比空气对电磁波有更强的衰减特性，其传播规律比在 空气中也要复杂的多，而早期地质雷达频率一般比较低，应用仅 局限于对电磁波吸收很弱的诸如冰层、岩盐等介质中。 随着现代应用电子技术的高速发展和人们对电磁波认识进一 步加深，地质雷达的应用范围从低耗散介质扩展到土层、岩层、 混凝土等有耗散介质中，例如：地质勘查、考古、无损检测、管 线探测以及建筑结构调查等。
80 60 40 20 0 1 10 20 30 40 50 60 70 81 相对介电常数
三、探地雷达常用词汇的含义
样点数、采样频率、时间窗
（以实时采样为例）
振幅 时间窗 Δt
[t]
[t]
原始信号 采集后复制的信号
Δt 采样周期
时间窗 = 样点数 * Δt 采样频率 =
1
Δt
为什么雷达不是实时采样?
t 4H x / v
2 2
当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走
时t，由公式求得目标体的深度H。式中x值即收发距，在剖
面测量中是固定的；v值可用宽角法直接测量，也可以根据 近似计算公式计算：
v
c
r
c为光速；
r 为地下介质的相对介电常数。
常见介质的
介质 水 空气 雪（湿） 石灰岩
中心频率, fc = fl + fh – fl B 2
通常用%表示
分数带宽:
脉冲宽度, W = 1 B
fc
带宽和中心频率决定了探测的效果
下面的例子可以看出带宽的重要性
带宽低的雷达图像被称为“烟圈（震荡）”
天线的方向性在实际使用中的影响：
RTA天线：收发天线顺向排列，
对极浅部物体无法探测。 平行排列天线： 沿X方向移动（屏蔽天线一般 这样用），得到的信息多； 沿Y方向移动：可以更好地穿 透钢筋网，结果可能会好些
j
1
z

2 f magnetic suseptibility dielectric constant
电特性
反射系数: • 对GPR, 反射系数近似等于 ―反射能力” (Pr)
当Pr > 0.01时 就能有足够的反射
电特性
水含量与相对介电常数:
100
% 水含量
• 多数干燥的地下介质， 其相对介电常数值 <10 • 水的相对介电常数是81
非屏蔽天线可应用于：基岩 探测、地质分层、岩熔及空 洞探测、湖(河)底形态调查、 隧道超前探测、坝体深部探 测、古墓及其它未知物探测、 冰川调查、滑坡调查等土木 建筑、地质学及水文地质学 方面。
探地雷达（Ground Penetrating Radar ）是一种高科
技的地球物理探测仪器，目前已经广泛的应用于高速公路 ，机场的路面质量检测；隧道，桥梁，水库大坝检测；地 下管线，地下建筑的检测等诸多的工程领域。 探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一
80 60 40 20 0
25
20 15 10 5 0
0,5
1
2
4
8
16
32
土壤导电率 mS/m
Depth (meter)
电特性
土壤中的水含量与电导率
水含量 (水的重量/土壤重量)
0 0 -1 5 10 15 20 25 30
电导率的对数 (mS/m)
-2 -3
-4
-5 -6 -7 -8
电特性
关于电导率和GPR 探测的有用建议:
雷达分辨率
分辨率决定了地球物理方法分辨最小异常介质的能力。雷达分辨率可 以分为垂直分辨率与水平分辨率。 1、垂直分辨率 我们将探地雷达剖面中能够区分一个以上反射界面的能力称为垂直 分辨率。
水平分辨率随深度的增加而降低
例: 800MHz 天线,介质速度 100m/us -> λc = 12.5cm δr = 3cm 在深度 10cm时 δl = 8cm 在深度 50cm 时δl = 18cm 在深度 100cm时 δl = 25cm
' 和
V
电磁波速度V（m/ns) 0.033 0.3 0 .09—0.15 0.11(0.12)
相对介电常数 ' 81 1 4—12 7(6)
土壤(干)
土壤（含水20%） 冰
4(3—5)
10(4—40) 3.2
0.15(0.13—0.18)
0.095(0.05—0.15) 0.17
铜或铁
1
----
其衰减的速度非常快，这构成了雷达应用的主要障碍，即探测 的深度有限。电磁波的电场强度随着距离的衰减规律是：
E E0e
数的减小而增大。
趋肤深度
r
其中为 r 介质的吸收系数，它随电导率的增大和介电常
ຫໍສະໝຸດ Baidu

2

探地雷达是如何工作的？
• 发射天线发射电磁波穿透地下介质
• 穿透深度取决于介质的介电常数和电导率 • 记录反射时间 • 介质中电磁波速度一般在 50 - 150 m/µs • 工作模式: 反射（多数情况下使用） 透射（层析成像、雷达CT,钻孔雷达或对穿探测）
雷达的分辨率：
注意：雷达天线是宽频的，它有各种频率成分，因此用800兆天线达到2.1厘米的 分辨率是可能的！不要过分拘泥于理论细节，电磁波太复杂！
四、电磁波速度的确定
当有反射体存在时，雷达只记录电磁波走的时间。为了准确了解反射体的埋深，我们 必须知道电磁波在该介质中的传播速度。
确定电磁波速度有以下方法: 1. 使用标准速度 2. 通过已知深度的目标体进行校正 3. 双曲线拟合 4. 偏移处理 5. 共中心点探测 6. 实验室方法
波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确
定。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正
负峰分别以黑色和白色表示，或以灰阶或彩色表示。这样 ，同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射 界面。在波形记录上，各测点均以测线的铅垂方向记录波 形，构成雷达剖面。
由于探地雷达的电磁波主要是在非理想介质中传播的所以
当地下介质的电导率小于 10 mS/m (或大于100 Ohmm), GPR 方法通常会得到好的结果 当地下介质的电阻率小于30 Ohmm), GPR 方法无法应用
电特性
极化电流: • D=
No E-field
e
E
•
•
e = 介电常数 (F/m)
er = e/ e 自由空间
(标量)
E-field applied No E-field
被设臵在某一固定位臵的接收天线（Rx）接收，与此同时接
收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波 同时被接收机记录或在终端将两种显示出来。
图1 地质雷达探测原理示意图
4H x 2 t 2 2 v v
2
2
t 4z x
2
2
v
图中T为发射天线, R为接收天线, 两者间距为X, H 为反射点的埋深。波从T出发, 按几何光学原理经。 返回地面到达 的时间为。设电磁波在介质中的传播 速度为。由简单的几何关系可得出