第3篇探地雷达要点

介质 2 中“滑行”，并折向第 1 介质，而无向下传
播的波。这时的入射角称为临界角 c 。
目前常用的时域探地雷达测量方式有剖面法 和宽角法两种。
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l．剖面法与多次覆盖
（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。
（2）多次覆盖
1 ． i 0 ， 即 垂 直 向 射 ， 此 时
R12 (1 n) /(1 n); T12 2 /(1 n) 。当 n 1 时，R12 0 ，
； 与 T12 1
Er
Ei
反向， H r 与Hi
同向。当n 1
时，则与
上述情况相反。
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2． sin i n, t 90 。于是折射波沿界面在
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4.5.2.2 探地雷达的技术参数
1．分辨率 分辨率是方法分辨最小异常体的能力。分辨 率可分为垂向分辨率与横wk.baidu.com分辨率。 （1） 垂向分辨率 一般把地层厚度b=λ／4作为垂直分辨率的下限。 （2）横向分辨率
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rf h / 2
（2.4-37）
2．探测距离与探距方程
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。
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2．宽角法或共中心点法
t 2 x 2 4h2 v2 v2
（2.4-36）
利用宽角法或共中心点法测量所得到的地下 界面反射波双程走时t ，由公式（2.4-36）就可求得 到地层的电磁波速度。
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 Er Et
H i cos i H r
cos r
Ht
cos t
（2.4-30）
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令 R12 Er / Ei ,T12 Et / Ei ，分别表示波从介质 1 入射 到介质 2 时界面的反射系数和折射系数。
媒质
空气 淡水 海水 干砂 饱和砂 石灰岩 泥岩 粉砂 粘土 花岗岩 岩盐
冰
r
1 80 80 3~5 20~30 4~8 5~15 5~30 5~40 4~6 5~6 3~4
(mS/m)
0 0.5 3104 0.01 0.1~1.0 0.5~2 1~100 1~100 2~1000 0.01~1 0.01~1 0.01
(m/ns)
0.3 0.033 0.01 0.15 0.06 0.12 0.09 0.07 0.06 0.13 0.13 0.16
(dB/m)
0 0.1 103 0.01 0.03~0.3 0.4~1 1~100 1~100 1~300 0.01~1 0.01~1 0.01
垂直极化波（电场矢量垂直入射面）在界面的 反射与折射：
4.5.1.1 电偶极源的电磁场
1、 均匀介质中的电磁场
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水平电偶极子源在主剖面中的辐射场为
Ey
2 p 4
e ikr r
Hx
k p eikr 4 r
z
r
Hy
k p 4
e ikr r
x r
（2.4-25）
特点：在主剖面中，电场和发射天线（偶极子轴） 方向平行，而磁场与圆心位于原点的同心圆的切线 方向一致。
足
1，于是可得
v c
r
（2.4-28）
式中c 为真空中电磁波传播速度， c 0.3m/ns; r 为相 对介电常数。上式表明对大多数非导电、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。
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2．电磁波在介质中的吸收特性
吸收系数 决定了场强在传播过程中的衰减速率， 探地雷达工作频率高，在地下介质中以位移电流为 主，即 / 1 ，这时 的近似值为
Qs
10 lg[Wmin WT
]
（2.4-38）
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雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗 Q 可由 雷达探距方程来描述。
Q 10 lg(tr Gt Gr g2 e 4r ) 64 3r 4
（2.4-39）
满足 Qs+Q>0 的距离r ，称为探地雷达的探测距 离，亦即处在距离 r 范围内的目的体的反射信号可 以为雷达系统所探测。
R12 (cos i n 2 sin 2 i ) /(cos i n 2 sin 2 i )
T12 2 cos i /(cos i n 2 sin 2 i )
（2.4-31）
其中n 表示折射率， n
2
* 2
/
1
* 1
。
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下面讨论不同入射角时，反射系数R12 与折射系数T12 的变化规律。
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1．电磁波在介质中的传播速度
探地雷达测量的是地下界面的反射波的走时，为了 获取地下界面的深度，必须要有介质的电磁波传播速度 v ，其值为
v [ ( 1 ( ) 2 1)]1/ 2
2
（2.4-27）
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绝大多数岩石介质属非磁性、非导电介质，常常满
2
（2.4-29）
即 与导电率成正比，与介电常数的平方根成正 比。
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表 2.4.2 列出了一些常见介质的相对介电常数、导 电率、传播速度与吸收系数。注意高阻与低阻介质
的 r 、 、 、 的不同。
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表 2.4.2 介质相对介电常数 r 、导电率 、速度 与吸收系数
4.5 探地雷达
探地雷达（Ground Penetrating Radar简 称GPR）是用频率介于106～109Hz的无线电 波来确定地下介质分布的一种方法。
对称振子型调幅脉冲时域探地雷达输出 功率大，能实时监测测量结果，设备可做成 便携式等优点，在商用地面探地雷达中，已 得到广泛应用。下面主要介绍这种探地雷达。
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4.5.1 脉冲时间域探地雷达的基本原理
脉冲时间域探地雷达利用超高频短脉冲电 磁波在地下介质中的传播规律来探测地下介质 的分布。因为①任何脉冲波都可以分解成不同 频率的单谐波；②对称振子型、发射和接受天 线间距离很小。因此电偶极源产生的单谐电磁 波场及传播特征是探地雷达的理论基础。