第三章 地质雷达 2003

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波动方程:
相位系数:
地质雷达的基本原理
电磁场波动方程
无场源区电磁场麦克斯韦方程 各向同性
无场谐变
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
5 - 30
5 - 30+ 4 - 25 1 - 10 1-9 .5 - 4 .5 - 3.5 0-1 0 - .5
400 - 700
300 - 800 300 - 500 70 - 300 70 - 300 20 - 100 20 - 80 10 - 20 10 - 15
地质雷达的基本原理
探地雷达技术参数
导磁率 介电系数
由于地质雷达频率高,一般有σ<<ωε,故反射系数可简化为
r
1 2 1 2
地质雷达的基本原理
电磁波的反射与折射
影响介质介电常数的几个因素
a w s n s = 沉积地层的介电常数 = 空气的介电常数 = 水的介电常数 = 土壤颗粒的介电常数 = 孔隙率 (%) = 水的饱和程度
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
分辨率
分辨最小异常体的能力,分为垂直分辨率、 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--垂直分辨率
Widess(197 3),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
脉冲时间域探地雷达
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。
存储处理
采集单元
3、电磁波向下传递,遇到界 面后返回天线单元。
控制单元
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。
地质雷达的基本原理
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。 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
0-3m >3m
8 cm /m 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
探地雷达技术参数
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
R12 E r / Ei , T12 Et / Ei
折射率
* * n 2 2 / 1 1
R12 (cos i n 2 sin 2 i ) /(cos i n 2 sin 2 i ) 2 2 T12 2 cos i /(cos i n sin i )
V C

其中,C为雷达波在真空中的传播速度,因此有:
Dm C 2 f
地质雷达的基本原理
垂直分辨率
3
最 小 可 分 辨 厚 度
中心频率
2.5
25
50
2
75 100
1.5
150
200
1
wk.baidu.com250
300
0.5
500 1000
0
介电常数
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
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。)
中心频率(MHz) 应用领域 勘探深度(M) 采集时窗(ns)
80
MLF 16 - 80 100 200 300 400 500 900 1000, 1500, 2000
地质调查
地质调查 环境地质 环境地质 浅层工程与环境地质 浅层工程与环境地质 工程与环境、结构物 混凝土、桥梁结构物 混凝土、路面
0 - >20 m (0 - >60ft)
100 MHz
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
探地雷达技术参数
子波
地 质 雷 达 野外工作
准备工作
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)、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
绪论
工作频率:MHz~GHz。
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。
历史:
绪论
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。
分辨率—水平分辨率Hm
•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
其中 RF=第一Fresenel区的半径 λ =波长wavelength r0 =目标层的深度
RF ( r0
1 4
)
1 2 2
第一Fresnel区
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
Ei E r Et
H i cos i H r cos r H t cos t
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
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
探地雷达技术参数
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。
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
地质雷达的基本原理
探地雷达技术参数
分辨率--垂直分辨率Dm的确定
垂直分辨率Dm:垂直最小可分辨的层的厚度 Dm=0.5λ 其中, λ为雷达波的波长 λ =V/f V为雷达波的传播速度,f为雷达波的中心频率
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。
n(1 s) a ns w (1 n) s
地质雷达的基本原理
电磁波的反射与折射
反射系数的计算
反 射 系 数
ε1
探地雷达方法技术
(1)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。
地质雷达的基本原理
探地雷达技术参数
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(10-7~10-2S/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:
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
电磁波的反射与折射
反射系数的计算
r

( z 2 z1 ) ( z 2 z1 )
z1 =第一层的阻抗 z2 =第一层的阻抗 r = 反射系数
z1 1
z2 2
z
j j
j 1 2f
不同勘探深度的频率选择
DEPTH RANGE OF INTEREST 0 - 0.5 m (0 - 1.5 ft) 0 - 1 m (0 - 3 ft) 0 - 2.5 m (0 - 8 ft) 0 - 9 m (0 - 30 ft) 0 - 20 m (0 - 60 ft) PRIMARY ANTENNA 1000 MHz 900 MHz 500 MHz 300 MHz MLF (80, 40, 32, 20, 16 MHz) MLF (80, 40, 32, 20, 16 MHz) SECOND CHOICES 900 MHz 500 MHz 300 MHz 120, 100 MHz 100 MHz
地质雷达的基本原理
探地雷达技术参数
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4~10-9S/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1~81(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。
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、短脉冲。 螺旋天线:脉冲响应宽、非线性。
绪论
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。
地质雷达的基本原理
湿粘土,湿页岩。 海水。
地质雷达的基本原理
探地雷达技术参数
电导率对勘探深度的影响
120
金属板
勘 探 深 度 米 [ ]
100 80 60 40 20 0 0.5 1 2 4 8 16 32
地下介质电导率的对数[mmhos/m]
地质雷达的基本原理
探地雷达技术参数
不同频率天线的应用领域及其勘探深度
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。
历史(国内):
绪论
1980~1990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。
脉冲调幅波、振子天线
绪论
发射波形式: 调幅波、调频连续波、
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