地质雷达原理及应用

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
速度太低
速度太高 速度合适
5.共中心点法 – 速度探测 (WARR)
• 速度探测是估计介质中信号速度的方法
• 宽角反射折射 (WARR)和共中心点 (CMP) 是两种速度探测的最常用的方法。这两种方
法都需要分离的发射机和接收机
• WARR 法采集数据时，需要一个平坦的水 平的反射体
但采集时很快速和容易
0.17 ----
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 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：
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
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。
振幅
时间窗 Δt
[t]
[t]
原始信号 采集后复制的信号
时间窗 = 样点数 * Δt
1
Δt
采样周期
采样频率 =
Δt
为什么雷达不是实时采样?
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
7
脉冲信号，接收机记录其中一个点的信号
电特性
极化电流:
• D= e E
• e = 介电常数 (F/m)
• er = e/ e 自由空间 (标量)
• 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
No E-field
电特性
相对介电常数和 GPR 信号速度的关系:
t2
4H 2 v2
x2 v2
图1 地质雷达探测原理示意图
t
4z2 x2 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
t 4H2x2 /v
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：
二、雷达仪器介绍
•水 (与上面参数有关)
No E-field
电特性
传导电流:
• Jc = s E • s = 电导率(S/m)
• s = 1/r (电阻率, W m)
• 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
E-field applied
No E-field
•
• 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
中心频率, fc = fl + fh – fl
2
B
分数带宽:
通常用%表示
fc
脉冲宽度, W = 1 B
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）”
探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个 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。反射波被 设置在某一固定位置的接收天线（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。
速度＝地表波斜率的倒数 ＝dx/dt
速度探测 (CMP)
• CMP 采集时比较麻烦 但只需要一个点状反射体
Z x12t22 x22t12 t22 t12
V
(t412)x12
x12t22 t22
tx1222t12
6. 实验室法
可以得到非常精确的速度值（测出介质介电常数），但很少使用 :
-选择有代表性的样本非常困难 -实验室设备很昂贵 -需要耗费很多时间 -最贵的方法
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。
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
发射机
土壤 (εr,σ)
X 空气波
接收机
地下直达波 D
反射波
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。
z1 1
z2 2
r (z2 z1) (z2 z1)
z
Βιβλιοθήκη Baidu
j
j
此处:
z1 = 第 1层的阻抗 z2 = 第2层的阻抗 r = 反射系数
j 1 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)
EE0er
其中为 r 介质的吸收系数，它随电导率的增大和介电常
数的减小而增大。
趋肤深度
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）
GPR 工作方法 – 反射
• 雷达探测的95% 是用偶极反射模式
• 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
Time [ns]
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
结合你在这一地区使用雷达的经验确定电磁波速度，这是最简单也是最经常使用的方法。 不过电磁波速度和含水量有很大的关系。
Depth (feet) Depth (meter)
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
100
80
60
40
20
0
0,5
1
2
4
8
土壤导电率 mS/m
35
30
25
20
15
10
5
0
16
32
电特性
土壤中的水含量与电导率
电导率的对数 (mS/m)
0
5
0
-1
-2
-3
-4
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
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）
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: • 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
% 水含量
100 80 60 40 20
0 1
10
20
30
40
50
60
相对介电常数
70 81
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）
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 和' V
介质
水 空气 雪（湿） 石灰岩 土壤(干) 土壤（含水20%）
冰 铜或铁
相对介电常数 '
81 1 4—12 7(6) 4(3—5) 10(4—40) 3.2 1
电磁波速度V（m/ns)
0.033 0.3
0 .09—0.15 0.11(0.12) 0.15(0.13—0.18) 0.095(0.05—0.15)
透射（层析成像、雷达CT,钻孔雷达或对穿探测）
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）
2. 根据已知深度的目标物进行校正
实际使用时，最常用的方法是做一条剖面 在剖面中寻找一个已知点（如管线、钻孔
等），通过已知目标物的深度计算出速度， 然后得出其它地下物体的速度。
V=2d/t
3. 抛物线拟合
对管线探测较方便，知道某根管子的直径，就可以拟合出速度来
4. 偏移处理 把不同的速度用到雷达图像上, 可以找到真正的速度
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
-5
-6
-7
-8
水含量 (水的重量/土壤重量)
10
15
20
25
30
电特性
关于电导率和GPR 探测的有用建议:
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
No E-field
E-field applied
?
Length [m]
Depth [m]
GPR工作方法 – 层析成像 (钻孔雷达)
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”…)
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 ”
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。
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。