第五章 探地雷达技术

§3 探地雷达的剖面测量方法
目前常用的时域GPR有剖面法、宽角法、环形法和多天线法等
剖面法结合多次覆盖技术应用最为广泛 发射天线T和接 收天线R以固定 间距，沿测线同 步移动。
双天线
单天线
雷达常用的两种处理技术
偏移绕射处理技术 核心：将视倾角x 变为真倾角mx。
射线理论的偏移绕射处理
波动方程偏移法 射线理论基础上：地下界面的 每一个反射点都可以认为是一 个子波源，这些子波源的电磁 波都可以到达地表，并被接收 天线接收，并假设其时距曲线 为双曲线。
1 t 2 f max
采样时间间隔：纳秒ns
频率滤波
对探地雷达记录道x(t)进行频谱分析，以确定有效的频率 范围1~2与干扰频率3~4，其次设计一个频率器保留有 效波的频率成份，虑掉干扰波的频率成份，即：
1, 1 2 H ( w) 0, other
对 GPR 的记录通道下 x （ t ）进行滤波，若 x （ t ）的频谱为 x （），则滤波后GPR的x（t）的频谱为x（）H（ ），再 对滤波后的信号谱进行傅立叶变换，得到滤波后的输出为：
An Q( Am )
B. 多次叠加技术：多天线、多次覆盖技术局部亮点技术
Am
GPR发展沿革（1900～1955年代）
• 1904 年, Hü smeyer 首次采用电磁波探测了地面上 远程金属目标； • 1910年，德国Leibach和Lowy在一份德国专利中 首次阐明了GPR的基本概念； • 1926年，Hulsenbeck首次利用电磁脉冲技术研究 地下岩性构造并获得成功； • 1929 年Stern 在奥地利通过GPR 探测了冰河的厚 度； • 20 世纪50 年代初, El Said 用GPR 实现了沙漠地 下水调查。
B.工作效率高；
C.无损性; D.抗干扰能力强； SSI加拿大探头与软件公司 美国地球物理公司GSSI的SRI系列 日本应用地质株 式会社（OYO） 的GEORADAR
NOGGIN.puls SSI公司
监测范围:地下7米 探地雷达总重量8公斤 长75厘米,高20厘米,宽50厘米 数据可以刻录成光盘, 探地雷达价格： 100多万元每台 最快速度可以达到每小时80公里
因此有：
(t ) a(t )b(t ) (t )
得到：
a (t )b(t ) 1
(t ) a( ) x(t )
a(t)为反子波，已知雷达 子 波 b(t) ， 求 出 反 子 波 a(t) ，把反子波 a(t) 与雷 达记录x(t)进行褶积，即 可求得反射系数：
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土木领域中GPR的信息的再认识
(i 1,2,3,, m)
ai
a
j 1
m


ij
把记录道 Sj 上 tij 的振幅值 aij 与 P 点的振幅叠加起来，作为 P 点的总 振幅值ai
波动方程偏移法
基本原理：电磁波波动方程克希霍夫解的基础上进行
其核心思想还是: 网格法＋电磁场有限元方法＋边界条件限定
反射波增强处理技术图象增强处理 A. 反射回波幅度的变换技术 An
被检测对象的几何尺寸决 定雷达系统可能的分辨率， 关系到天线中心频率的选 择 在检测区域不应存在大 范围的金属构件和无线 射频源
测网布置原则
检测工作之前，首先建立测区坐标，确定测线的平面位置， 一般的规则如下：
A. 检测对象已知时，测线垂直于检测对象长轴方向； B. 检测对象未知时，测线布置成网格形式； C. 检测对象体积有限时，先用大网格测线布置，初查物体范 围，然后用小网格进行祥查，网格大小最好接近对象尺寸；
应用射线定理，根据网格法，把每个网格看成一个反射点，根据反 射点P的深度H，反射点的记录通道Si（其地表水平位置xi），扫描 点P对应任意记录通道Sj（其地表位置xj）的反射波走时为：
2 tij H 2 ( x j xi ) 2 v
m- 参 与 偏 移 叠加的记录 通道； v- 电磁 波传播速度 S
GPR发展沿革（1965～1980年代）
• 美国军队在60 年代中期，委托Cal span 公司率先采用 GPR 进行了非金属地雷的探测及相关的研究； • 在此期间,阿波罗登月计划启动,研究人员认为月球表层物 资的电磁特性与冰相似,因而决定采用GPR 作为探测工具, 并针对性地设计了几种方案,最终由阿波罗17 号于1974年， 由Procello 携带GPR 在月球表面完成了实地勘测，用 GPR在月球表面上研究了土的结构； • 60 年代末期,丹麦与英国基于冰河调查的目的，研制了由 飞机搭载的GPR (机载GPR) ； • 但机载GPR 投入真正的商业运作始于1979 年,美国SRI International 用机载GPR 进行了为期七年的热带森林调 查。
2 h(t ) sin t cos t t
相应时间域特性
理想高通滤波器的响应特征为：
1, H ( ) 0, sin t h(t ) (t ) t
相应时间域特性
反褶积 理想GRP是一个尖脉冲，由于天线的限制，这种尖脉冲实 际是一个具有一定时间连续的波形b(t)，雷达记录因此可 以看成是雷达子波与反射系数的褶积
剖面法的测量结果： GPR的时间剖面来表达
横坐标：天线在地表的位置 纵坐标：反射波在双程走时， 表示脉冲从发射天线出发经 过地下界面发射回接收天线 所需要的时间。 由于噪声过大，解决办法 （1）不同的天线距离 （2）在相同测点位置进行叠加
§5 GPR现场检测技术
检测深度：如果对象赋存深度>GPR探测距离的50％ 得不到有效的检测结果 被检测对象的导电率和介 电常数，将影响反射波能 量及其散射波性态的识别。 对于岩石检测，围岩的不均匀性态 应该限制在一定的范围内，以免检 测对象的响应被淹没在围岩性态变 化之中而无法识别。
在实际工程中，应用较多的是理想低通、带通和高通滤波器， 理想的滤波器特性为：
1, H ( ) 0, sin t h(t ) t
相应时间域特性
理想带通滤波器的响应特征为：
1 H ( ) 0
0 0
r
C为真空中电磁波传 播速度，C≈0.3m/ns； r为相对介电常数
用宽角法确定速度：
v ( D xD) /(t t )
2 2 2 2 1
式中，D为天线两 侧移动距离； t1 为 天线移动前电磁 波单程进行时间； t2 为天线移动后电 磁波单程进行时 间
宽角法（共中心点法）。其目的主要是获取地下介质中 传播速度，测试时保持两天线中心点位置不变，反向等 距离移动发射天线和接收天线。 此法一般用于地 下介质均匀且水 平的检测场合， 方可获得较好的 效果。
ˆ(t ) F ( x ˆ()) F ( x() H ()) x
时间域滤波 设滤波器的特性为为H（），其逆变换为h(t)，h(t)为滤波器的 时间特性，如果输入为x(t)，则滤波后输出的为：

ˆ (t ) x

h( ) x(t )d
时间域滤波在过去也叫“褶积”。 频率域滤波从滤波的振幅H()中可以直接观看信号 的频率成份。 褶积滤波通常用单位脉冲通过滤波器，观看响应脉 冲特征来表示， GPR 的 x(t) 可分解为时间、极性、 幅度各不相同的脉冲序列，按照时间顺序，依次通 过滤波器，于是滤波器的输出端就得到输入的脉冲 序列脉冲响应，x(t)的褶积就是这些脉冲的叠加。
GPR发展沿革（1956～1965年代）
• 50 年代末期,一架美国空军飞机准备在格陵兰 冰面上降落时,雷达高度表指示有误,导致飞机坠 毁。这一事件后,人们深刻认识到电磁波穿透冰层 的能力,出现了用电磁波探测冰山的研究热潮,诸多 极地考察队应运而生,获取了很多新发现； • 1963年，Evans S用GPR测量了极地冰层的厚度； • Unbterberger 等 探 测 了 冰 川 和 冰 山 的 厚 度 ， Annan A P做了大量的理论及试验研究；
GPR发展沿革（1980～1990年代）
• 在此期间日本OYO 公司开发了一种称作Geo-radar 的探地雷达,初步 取得了商业成功; • 加拿大A-Cubed 公司于1981 年成立并开始开发GPR ,随后于1988 年 创建了探头及软件公司(SSI) ,致力于pulseEKKO系列GPR的商业推广； • 80 年代初, GPR 开始用于道路和公共设施调查,并取得了初步成果,如 Ulriksen 在检测有沥青混凝土罩面的桥面板时,发现水泥混凝土的含氯 量的变化会导致反射波波幅的变化； • 从1984 年开始,前苏联开始研制机载GPR 用于地质和自然资源调查； • 美国环保部门开始调查和清理被污染的土地 ,GPR 成为高分辨率地下 测绘的工具,并且显示出巨大的商业价值； • 此外GPR 还首次应用于农业和考古； • 80 年代全数字化的GPR的问世,具有划时代的意义。数字化GPR 不仅 提供了大量数据存储的解决方案 ,增强了实时和现场数据处理的能力 , 为数据的深层次后处理带来方便 ,更重要的是 GPR 因此显露出更大的 潜力,应用领域得以向纵深拓展。
D. 检测二维体时，测区应该垂直于二维体走向，线距取决于 检测对象走向方向的变化程度。
GPR数字处理技术
数字滤波 频率滤波和时域滤波 在GPR中，为了保持更多的反射特征，通常利用宽频带 进行记录，因此带入了大量的噪声，GPR的核心工作就 是利用各种先进的滤波技术来压制噪声，提高SNR，以 提高有效波的性态。 数值滤波就是对采样后的离散数据进行一种数学上的 处理，从而按照设定的要求获得一个新序列的过程。 首先，满足采样定律：
第五章 探地雷达技术在地基基 础工程中的应用
§1
概述
瑞典地质公司（SGAB)的RAMAC系列
探地雷达也称作透地雷达（ Ground Penetration Radar ）或地 下界面雷达（Subsurface Interface Radar）。 是一种对地下的或物体内 不可见的目标或界面进行 定位的电磁波技术。 A.分辨率高；
GPR发展沿革（1965～1980年代）
• 1970 年,首家生产和销售商用GPR 的公司问世,即Rexorey 和Art Drake 成立的美国地球物理测量系统公司( GSSI) ； • 此期间GPR 的进展表现在,人们对地表附近偶极天线的辐 射场以及电磁波与各种地质材料相互作用的关系有了深刻 的认识； • 特别是Morey 在1974 年设计出超宽带GPR并通过GSSI 迅 速实现了商品化,为GPR 开创了新的发展方向； • 从70 年代开始,GPR 在检测地下管道、坑道方面大显身手 , 特别是在检测地下非金属管道时表现出无可替代的优越性, 基于类似的原因，GPR 开始协助刑事勘察。加拿大地质 调查部门还充分利用GPR 探测了北极永久冻土及加拿大 西部碳酸钾矿。 • 钻孔探地雷达在偏远地区使用时暴露了设备笨重、体积大 和耗能多的缺点,此外,由于当时的石油地震勘探业已经开 始采用数字处理技术,因此GPR 数据的数字化成为人们迫 切的期望。
GPR
§2
工作原理和基本组成
地质雷达工作时，在雷达主机控制下，脉冲源 产生周期性的毫微秒信号，并直接馈给发射天 线，经由发射天线耦合后发射到地下，信号在 传播路径上遇到介质的非均匀体（面）时，产 生反射信号。位于地面上的接收天线在接收到 地下回波后，直接传输到接收机，信号在接收 机经过整形和放大等处理后，经电缆传输到雷 达主机，经处理后，传输到微机。在微机中对 信号依照幅度大小进行编码，并以伪彩色电平 图/灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来， 经事后处理，可用来判断地下目标的深度、大 小和方位等特性参数。
x(t ) b(t ) (t )
在雷达记录中，一个界面的反射一般要延续1～20ns，因此相距 0.5m的两个反射界面其到达的时间差仅为几个ns，这样短的时 间间隔，很难直接在雷达反射剖面图中区分开来，反褶积的目 的就是要把雷达记录x(t)变成反射系数，即：
( ) a(t ) x(t )
t-电磁波反射信号 双程走时 z-目的体埋深 x-天线距
v-电磁波在介质中 传播速度
t 4z x / v
2 2
2 v 1 ( ) 1 2

1 2
vc
式中-介质磁导率；-介电常数；-电 导率-电磁波角频率。对于岩土介质， 一般为非磁性非导电介质，因此常常满 足[ / ( )] 1，因此，有：