雷达基本理论

GPR 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
L E T ’S
M A K E
• 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)
80 60 40 20 0
25
20 15 10 5 0
0,5
1
I T
V I S I B L E
GPR 方法 - 反射
Depth [m]
Time [ns]
?
Length [m]
L E T ’S M A K E I T V I S I B L E
基本原理 – 反射 (孔中雷达)
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M A K E
I T
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基本原理 – 速度 (地面雷达)
e
E
•
•
e = 介电常数 (F/m)
er = e/ e 自由空间
(标量)
E-field applied L E T ’S M A K E I T V I S I B L E No E-field
• 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
RAMAC/GPR 系统示意图
测量轮
控制单元
触发信 号 触发
数据
发射
L E T ’S
接收
M A K E I T V I S I B L E
RAMAC/GPR 屏蔽配置
1GHz ,1.2GHz 或1.6GHz独立系统
100-800Mhz 屏蔽天线
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基本原理 – 层析成像 (钻孔雷达)
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RAMAC/GPR 在野外的应用
一套系统 单人操作 许多应用
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Control Unit II, CUII
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
地下介质的电特性
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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)
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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
80 60 40 20 0 1 10 20 30 40 50 60 70 81 相对介电常数
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解释者的经验非常重要.
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不同天线的穿透深度
天线 (MHz) 25 50 100 土壤中 (m) 25 20 12 岩石中 (m) 40 30 20
wenku.baidu.com200
250 500 800 1000
8
5 3.5 2 1.5
15
10 5 3.5 3
上述穿透深度是理想条件下的数值.
屏蔽 天线 100 MHz 250 MHz 500 MHz 800 MHz 1000 MHz
L E T ’S M A K E I T
非屏蔽 天线 25 MHz 50 MHz 100 MHz 200 MHz
孔中 天线
100 MHz 250 MHz
+ 用绞车和电缆 可测2500 m.
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j
1
z

2 f magnetic suseptibility dielectric constant
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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
• CMP, common midpoint measurement（共中心点） • WARR, wide angle reflection refraction（宽角反射折射） • 给出速度剖面用于把时间记录转换成深度 • 需要可分离天线(Tx发射/Rx接收) • RAMAC/GPR比竞争对手的优势
2
4
8
16
32
土壤导电率 mS/m
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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
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电特性
传导电流: • Jc = s E • s = 电导率(S/m) • s = 1/r (电阻率, W m)
No E-field L E T ’S M A K E I T V I S I B L E No E-field E-field applied
RAMAC/GPR 不屏蔽配置
25, 50, 100 和 200 MHz 不屏蔽天线.
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RAMAC/GPR 钻孔配置
100 MHZ 和250 MHz
反射或层析成像模式 电缆或绞车+1000m
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电特性
关于电导率和GPR 探测的有用建议:
“当地下介质(寄主)的电导率大于 10 mS/m (或小于100 Ohmm), GPR 不是一个合适的方法”
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电特性
极化电流: • D=
No E-field
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End!
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雷达最初是用于军事目的 探测空中目标体.
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什么是探地雷达(GPR) ?
• 采用无线电波探测的一种技术, 频率一般在5 - 2000MHz, 对地下结构和埋藏物以及人造结构成像.
• 它不是所谓的“黑匣子”, 直接告诉你地下异常体的位置. • 最早的脉冲雷达系统是Melton 于 1937年提出的。 • 三种基本模式: 反射, 速度探测, 层析成像.
雷达基本理论
探地雷达 基础
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目的:
了解探地雷达的基本知识, 如何使用雷达，什么情况下使用雷达.
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什么是雷达?
RADIO DETECTION AND RANGING
（无线电探向和测距）
RAMAC/GPR 多道配置
多达16 个记录通道
连接 4 个发射机和 4 个接收机 与所有的RAMAC/GPR 天线兼容
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GPR 应用
民用/结构工程 公用事业领域 (管线, 电缆), 钢筋和空洞. 水平定向钻 前期勘探 (HDD) 交通: 公路和铁路检测, 冰层厚度, 桥面检测和桥基础研究. 环境 危险废弃物成图, 地下埋藏罐 (UST), 沉积岩研究, 深度测量. 地球物理技术 地层成图, 空洞和下沉孔, 地下水, 矿井探测, 裂隙探测, 大坝研究, 基础研究, 隧道调查.
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
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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 ”
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GPR 的优点
携带方便 GPR 是无损探测技术 与其它地球物理方法相比， 数据采集速度非常快
水平和垂直位置精度高
高分辨率地下图像
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GPR 的局限性
• 探测深度和目标体的分辨能力依赖于土壤（或地下介质 ）特性 . 高导电率介质会使 GPR方法无效（如海水、盐 碱地、金属矿、粘土层等）. • 目标体和周围介质要有足够的电性差异（介电常数和电 阻率） • GPR数据的解释 因人而异，
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GPR 方法 – 速度探测
• 不过，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
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军事
道路完整性探测, 战壕路线探测，地雷、炮弹等埋藏物 考古 场地成图, 古墓探测, 人工制品探测
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对雷达来说，最重要的市场
是…
• 公用事业探测 • 管线和阀门探测 • 混凝土检测 • 路面和桥面探测 • 地质勘探 • 冰, 雪和冰川 • 钻孔雷达
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基本原理
• 用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 • 速度一般在 50 - 150 m/µs • 三种模式: 反射, 速度, 层析成像
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