第三章 探地雷达

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*scan/second>20
3.参数设置
• 3.2探地雷达的主要参数设置
天线间距: S 2dmax
r
(1)天线间距大—工作不方便; (2)间距大—垂向分辨率低。
常取目标体最大深度的1/5。
3.参数设置
• 3.2探地雷达的主要参数设置
高通与低通滤波的截止频率: 低通>6f; 高通<f/2。
3.参数设置
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。
什么是探地雷达
脉冲时间域探地雷达
存储处理 控制单元
采集单元 天线单元
1. 发展历史
国外
• 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。
4)
利用该速度计算待测目标体的深度。
3.参数设置
3.3确定雷达波的传播速度
三、几何尺度法
1)当测线垂直管状目标体时。在 目标体的侧上方也能接收到来自 目标体的反射波,管状目标体在 在雷达剖面上反射波同相轴为拱 形。
3.参数设置
3.3确定雷达波的传播速度
三、几何尺度法
2)在管状目标体正上方时,其反射波 双程走时为ty。在地表偏离正上方x处 的时反射波双程走时为tz。
•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。
探地雷达
主讲:张志勇 东华理工大学
内容提要
• 1. 发展历史 • 2. 基本原理 • 3. 参数设置 • 4. 野外工作方法 • 5. 数据处理方法 • 6. 应用实例
什么是探地雷达
• 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。
Dm C 2 f
2. 基本原理
• 2.4探地雷达的分辨率
水平分辨率
2. 基本原理
• 2.4探地雷达的分辨率 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
RF
( r0
1 4
2
)
1 2
其中 RF=第一Fresenel区的半径 λ =波长wavelength r0 = 目标层的深度
第一Fresnel区
2. 基本原理
• 2.4探地雷达的分辨率 水平分辨率Hm
2. 基本原理
• 2.5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。
3)
计算速度V
V = 2×D/ T
4)
利用该速度计算待测目标体的深度。
3.参数设置
3.3确定雷达波的传播速度
•经验公式,由该岩层的经验介电常数计算速度。 •标定法,由已知深度目标体来标定速度。 •几何尺度法。 •共深度点法(CDP)
一、经验公式法
V C/ r
TT 1/V /C C = 光速 (3 x 108 m/s)
2. 基本原理
• 2.1有源Maxwell方程组
H E je E , H 0,
t
E H ,
t
q qe
E
,
H E je E ,
E H ,
t
t
H
2H t 2
H t
je ,
E 2E E je ,
t 2
t
t
2. 基本原理
• 2.1有源Maxwell方程组
2
1
/ 2
2. 基本原理
• 2.1有源Maxwell方程组 • 均匀介质
E(r, t) E0eitkr E0eitr er
2. 基本原理
• 2.1有源Maxwell方程组 • 均匀介质
E(r, t) E0eitkr E0eitr er
2. 基本原理
• 2.2雷达波的特点
相位系数:
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
5.2偏移
5.数据处理
6.地 质 雷 达 仪器
各种不同频率的天线
6.地 质 雷 达 仪器
接地耦合型低频组合天线16~80MHz
6.地 质 雷 达 仪器
6.地 质 雷 达 仪器
空气耦合型高频天线1G、2GHz
7.地 质 雷 达在工程中的应用
7.1高速公路路面的检测
高等级公路的路面结构如右图所示:
2. 基本原理
• 2.4探地雷达的分辨率
垂直分辨率Dm的确定
2. 基本原理
• 2.4探地雷达的分辨率
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
V C
其中,C为雷达波在真空中的传播速度,因此有:
• 3.2探地雷达的主要参数设置
天线方向:
一般电场的极化方向平行目标体的长轴或 走向。 ??钢筋下的界面???
3.参数设置
• 3.2探地雷达的主要参数设置
增益: 与滤波及天线初始位置一起。
3.参数设置
3.3确定雷达波的传播速度
二、标定法
1)
垂直已知深度D的目标体走向探测,得到雷达剖面。
2)
在雷达剖面中,读取已知目标体的双程时T。
2. 基本原理
• 2.6子波与主频
2. 基本原理
• 2.7观测方式
(1)剖面法 (2)多次覆盖
(3)宽角法或共中心点法
2. 基本原理
• 2.7观测方式
(1)剖面法
2. 基本原理
• 2.7观测方式
(2)多次覆盖
2. 基本原理
• 2.7观测方式
(3) 宽角 法或 共中 心点 法
3.参数设置
• 3.1准备工作
• 3.2探地雷达的主要参数设置
天线的中心频率: (1)深度与精度之间平衡; (2)几种频率天线组合。
时窗:w=2h/v*1.3~1.5
3.参数设置
• 3.2探地雷达的主要参数设置 采样率:满足采集定律。 >2f; 6f;时窗/脉冲宽度X10
点距:空间采样率。 波长的1/4; (目标体大小+天线宽度)/天线的移动速度
•空气层的介电常数ε1=1.0
•公路面层主要采用两种材料:改性沥 青、水泥混泥土,面层为混泥土时其介 电常数ε2大约为6,为沥青时其介电常 数ε2大约为4,
•基层与底基层的材料有:水泥土、水 泥稳定粒料、石灰土、石灰稳定粒料、 石灰粉煤土基层、石灰粉煤灰稳定粒料、 级配碎(砾)石、填隙碎石(矿渣)等。 介电常数ε3随其采用的材料不同而不同, 但由于其湿度较大,且采用土、砾石、 粉煤灰、石灰等介电常数相对较大的材 料,其介电常数大都ε3大于8。
x
d
5.数据处理
水平刻度校正 水平背景移除 滤波 偏移
5.数据处理
5.1数据显示
单点采集的波形
在剖面上连续采集,形成雷达记录剖面——wiggle图
5.数据处理
5.1数据显示
灰度扫描图显示——LineScan图
彩色扫描图显示——LinaScan图
5.数据处理
5.2水平背景移除
5.数据处理
5.2垂向滤波
• 2.3雷达波的反射
a = 空气的介电常数 w = 水的介电常数
s = 土壤颗粒的介电常数
影响介质介电常数的几个因素
n = 孔隙率 (%) s = 水的饱和程度
n(1 s) ans w(1 n) s
2. 基本原理
• 2.3雷达波的反射
r 1 2 1 2
2. 基本原理
• 2.3雷达波反射
• 频率域方程 E E0eit
~
1
~
H
~~H
~
1
~
je
,
~
1
~
E
~~E
~j e
,
~ i
k2 ~~ i i i 2
~ i
2. 基本原理
• 2.1有源Maxwell方程组
• 频率域方程
1
2
1
2
1
1
2
1
2
1
1
/
3)如果管状目标体的埋深远远大于其 直径,则管状目标体的埋深可由下式 计算。
d
x (tz ty)2 1
3.参数设置
3.3确定雷达波的传播速度
四、共深点法
1)当天线间距为x1时,其双程走时为td。 2)当天线间距为x2时,其双程走时为tx。 3)则电磁波的传播速度为
v
x x 2 2
2
1
t t 2 2
• 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。
• 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。
1. 发展历史
国内: • 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。
2. 基本原理
2.3雷达波的反射
反射系数的计算
r z2 z1 z2 z1
z
i i 1 i 2f
wenku.baidu.com导磁率
z1 =第一层的阻抗 z2 =第一层的阻抗 r = 反射系数
z1 1
z2 2
介电系数
σ<<ωε,故反射系数可简化为
r 1 2 1 2
2. 基本原理
= 沉积地层的介电常数
1. 发展历史
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
2. 基本原理
• 2.1有源Maxwell方程组
H j je D , t
E B , t
B 0,
D q qe,
本构方程
D E
B H
j E
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。)
2. 基本原理
• 2.2雷达波的特点
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。
有限体积目标—大小 基岩面等—垂直走向、线距分辨率
3.参数设置
• 3.2探地雷达的主要参数设置
时窗、天线的中心频率、采样率、 BITS/SAMPLE、高通与低通滤波的 截止频率、增益、POSITION、 SCANS/SECOND、天线离介质表 面的距离、发射与接收天线间距、 天线方向等
3.参数设置
高等级公路各层之间都存在介电常数的 差异,这为利用雷达技术探测路面厚度 提供了地球物理依据。
空气层 ε1=1
路面面层 ε2 路面基层 ε3 路面底基层 ε4
7.地 质 雷 达在工程中的应用
7.1高速公路路面的检测
7.地 质 雷 达在工程中的应用
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。
2. 基本原理
• 2.5影响勘探深度的因素
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。
r 1 2 1 2
雷达波由水泥(9)进入水(81):-0.5
雷达波由水泥(9)进入空气(1):0.5 金属的反射相当于电磁波由高速层进入低速层
2. 基本原理
• 2.3雷达波反射
r 1 2 1 2
雷达波由水泥(9)进入水(81):-0.5
雷达波由水泥(9)进入空气(1):0.5 金属的反射相当于电磁波由高速层进入低速层
r
εr = 介电常数
V = 速度 (m/ns)
TT (ns/m) 6.6 r
TT = 每单位深度的双程时 (慢度), ns/m
3.参数设置
3.3确定雷达波的传播速度
二、标定法
1)
垂直已知深度D的目标体走向探测,得到雷达剖面。
2)
在雷达剖面中,读取已知目标体的双程时T。
3)
计算速度V
V = 2×D/ T
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