第三章 探地雷达

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
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。
• 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
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。
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
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。
• 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。
• 2.3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
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
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
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
*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
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
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：
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
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。
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
• 2.4探地雷达的分辨率
垂直分辨率D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：
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
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
•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