工程雷达检测技术
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中等导电介质，其电导率满足10-4mS/m<σ<10mS/m， 在此类介质中，电磁波衰减大，雷达勉强能工作。例如： 淡水、淡水冰、雪、沙、淤泥、干黏土、含水玄武岩、 湿花岗岩、土壤、冻土、砂岩、黏土岩、页岩等。
高导电介质的电导率σ >l0mS/m，在此类介质中，电磁 波衰减极大，雷达难于工作。例如：湿粘土、湿页岩、 海水、海水冰、湿沃土、含水砂岩、含水灰岩、金属等。
1. 介电常数ε是表征物质在外加电场中储存极化电荷的 能力的物理量。介电常数最大的物质是水，其相对介 电常数是81；最小的是空气，相对介电常数为l。 工 程介质的介电常数一般为中等值，如岩石、土、混凝 土等常见的工程介质的相对介电常数在4到9之间，其 介电常数的差异主要取决于介质中的含水量大小，例 如干砂的相对介电常数为2. 6，充水后其相对介电常 数可升高到25，提高了10倍。
2
即 与导电率成正比，与介电常数的平方根成反比。在空气中，σ=0，则
β=0
当 /1时(导电介质，传导电流 主)为 ，
/ 2
与、f有关，但与 无关。可见在高导介质
或使用高频时 工程雷， 将达检增 测技术大
12
1.2.4 工程介质的电磁学特性
• 介质的电磁学性质可用介电常数ε、电导率σ、 磁导率μ来表征：
工程结构或构件介质分布的一种电磁波方法。
• 雷达天线由接收、发射两部分组成，电磁波
在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波
形将随通过介质的电性和几何形态而变化，
根据反射波的时间、幅度与波形资料推断工
程介质的结构和分工布程雷。达检测技术
2
1.1.1 工程雷达检测特点
• 同为利用电磁波的反射原理探测目标的雷达 技术，工程雷达区别于探空雷达的主要特点：
工程雷达检测技术
7
吸收系数β
2
1
2
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式中：ω—电磁波角频率（2πf）； ε ---介电常数； σ----介质电导率； μ-----介质导磁率。
相位系数α
12
2 121
工程雷达检测技术
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1.2.2 电磁波在介质中的传播速度
• 探地雷达测量的是介质界面的反射波的走时， 为了获取界面的深度，必须要有介质的电磁 波传播速度 ，其值为：
• 桥梁或混凝土建筑中的钢筋分布，孔洞、疏 松、裂缝、剥离层等缺陷的位置与范围。
工程雷达检测技术
5
1.2 工程雷达检测原理
1.2.1 工程介质中电磁波的传播
• 麦克斯韦（Maxwell）方程是研究电磁波传播 的基础。大多数复杂形式的电磁波都可以近 似成平面波的叠加。有耗介质中，电磁波传 播的一维波动方程（假设沿z轴方向传播）：
5. 可探测钢筋等金属体分布，也可探测孔洞裂隙 等非金属介质差异；
6. 雷达检测结果可二工维程雷切达检片测技图术或三维立体显示。 4
1.1.2 工程雷达检测技术在工程中的应用
• 探测地下管网（水、电、油气、热）；
• 路面、机场跑道分层厚度，地基脱空、回填 欠实，地下水渗漏；
• 隧道衬砌厚度、围岩扰动、脱空与空洞；
v [2( 1( )21) ]1/2
α--为相位系数；
σ--为导电率（1/ρ）；
ε--为介电系数，ε=ε0εr，空气介电常数与相对介电常数成积； μ--为磁导率，μ=μ0μr，空气导磁率与相对导磁率成积。
工程雷达检测技术
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相位系数α是波速决定因素，讨论二种极限情况：
1．当
1，绝大多数岩石混凝土介质属非磁性、
工程雷达检测技术
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2. 电导率σ(电阻率的倒数)表征介质的导电能力。介质的 电导率越高，则电磁波衰减越大，即电磁波传播距离越 短。
低电导介质的σ <10-4mS/m(S称西门子，Ω-1),满足 σ/ωε<<1。在此类介质中，电磁波衰减小，适合雷达工 作。例如：空气、干燥花岗岩、干燥灰岩、混凝土、沥 青、橡胶、玻璃、陶瓷等。
质分层厚度及隐患）
工程雷达检测技术
3
相对于工程中常用的其它无损检测方法， 具独特的技术特点：
1. 使用不同天线频率，可实现几厘米到几米的不 同探测深度；
2. 改变天线中心频率和频带宽度，可实现不同分 辨率的检测；
3. 无接触式扫描检测，速度快，可进行大面积快 速连续检测；
4. 可穿透介质中的空隙探测到内部质量情况，可 对有装修层的结构和构件进行检测；
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2．当
1，这对应于σ很大或
f
很小，此时
v 2 f
说明 v 主要受介质的电导率σ影响，而与介质的介 电常数ε关系不大。
工程雷达检测技术
11
1.2.3 电磁波在介质中的吸收特性
吸收系数β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β的ห้องสมุดไป่ตู้似值为：
非导电介质，满足
1的条件，对应于σ很小或
f、
ε很大，此时
v 1 c
r r
对于非磁性介质，μr=1
v c
r
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 v 主要取决于介质的相对 介电常数。
工程雷达检测技术
岩土工程测试专题 之三
工程雷达检测技术
工程雷达检测技术
1.1 概述
• 工程检测中的雷达检测技术是一项新兴检测
技术，属于脉冲时域探地雷达技术领域 （ Ground-Penetrating-Radar ，GPR），正
弦电磁波的传播特征是工程雷达的理论基础。 用频率10～2000MHz的宽频脉冲电磁波来确定
2E z2
2E t2
式中：E—电场强度
ε----介质绝对介电常数
μ----介质绝对磁导率
工程雷达检测技术
6
• 水平极化电磁波，电场强度E、磁场强度H和 波矢量K三者互相垂直。介质中传播的电磁波 在数学上可表示为：
E E0e jkr
H H 0e jkr
• 其中，E0、H0为场源电场强度和磁场强度；E、H为 距场源距r点的电场强度和磁场强度，ejkr称为基本波 函数；传播常数k是一个复数，k=α+jβ；α、β为相位 系数和吸收系数。
• 探空雷达是在无耗介质中传播，探地雷达探测的是在 有耗介质中传播；
• 探空雷达目标体一般为金属体，目标回波能量大，工 程雷达目标体大多为非金属体，与周围介质差异小， 回波能量小。
• 工程雷达与通用探地雷达也有所区别，要求探测深度
相对较浅、精度和分辨率相对较高，探测目标一类为
金属体（钢筋、管线等）；一类为非金属体（工程介
高导电介质的电导率σ >l0mS/m，在此类介质中，电磁 波衰减极大，雷达难于工作。例如：湿粘土、湿页岩、 海水、海水冰、湿沃土、含水砂岩、含水灰岩、金属等。
1. 介电常数ε是表征物质在外加电场中储存极化电荷的 能力的物理量。介电常数最大的物质是水，其相对介 电常数是81；最小的是空气，相对介电常数为l。 工 程介质的介电常数一般为中等值，如岩石、土、混凝 土等常见的工程介质的相对介电常数在4到9之间，其 介电常数的差异主要取决于介质中的含水量大小，例 如干砂的相对介电常数为2. 6，充水后其相对介电常 数可升高到25，提高了10倍。
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即 与导电率成正比，与介电常数的平方根成反比。在空气中，σ=0，则
β=0
当 /1时(导电介质，传导电流 主)为 ，
/ 2
与、f有关，但与 无关。可见在高导介质
或使用高频时 工程雷， 将达检增 测技术大
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1.2.4 工程介质的电磁学特性
• 介质的电磁学性质可用介电常数ε、电导率σ、 磁导率μ来表征：
工程结构或构件介质分布的一种电磁波方法。
• 雷达天线由接收、发射两部分组成，电磁波
在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波
形将随通过介质的电性和几何形态而变化，
根据反射波的时间、幅度与波形资料推断工
程介质的结构和分工布程雷。达检测技术
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1.1.1 工程雷达检测特点
• 同为利用电磁波的反射原理探测目标的雷达 技术，工程雷达区别于探空雷达的主要特点：
工程雷达检测技术
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吸收系数β
2
1
2
112
式中：ω—电磁波角频率（2πf）； ε ---介电常数； σ----介质电导率； μ-----介质导磁率。
相位系数α
12
2 121
工程雷达检测技术
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1.2.2 电磁波在介质中的传播速度
• 探地雷达测量的是介质界面的反射波的走时， 为了获取界面的深度，必须要有介质的电磁 波传播速度 ，其值为：
• 桥梁或混凝土建筑中的钢筋分布，孔洞、疏 松、裂缝、剥离层等缺陷的位置与范围。
工程雷达检测技术
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1.2 工程雷达检测原理
1.2.1 工程介质中电磁波的传播
• 麦克斯韦（Maxwell）方程是研究电磁波传播 的基础。大多数复杂形式的电磁波都可以近 似成平面波的叠加。有耗介质中，电磁波传 播的一维波动方程（假设沿z轴方向传播）：
5. 可探测钢筋等金属体分布，也可探测孔洞裂隙 等非金属介质差异；
6. 雷达检测结果可二工维程雷切达检片测技图术或三维立体显示。 4
1.1.2 工程雷达检测技术在工程中的应用
• 探测地下管网（水、电、油气、热）；
• 路面、机场跑道分层厚度，地基脱空、回填 欠实，地下水渗漏；
• 隧道衬砌厚度、围岩扰动、脱空与空洞；
v [2( 1( )21) ]1/2
α--为相位系数；
σ--为导电率（1/ρ）；
ε--为介电系数，ε=ε0εr，空气介电常数与相对介电常数成积； μ--为磁导率，μ=μ0μr，空气导磁率与相对导磁率成积。
工程雷达检测技术
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相位系数α是波速决定因素，讨论二种极限情况：
1．当
1，绝大多数岩石混凝土介质属非磁性、
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2. 电导率σ(电阻率的倒数)表征介质的导电能力。介质的 电导率越高，则电磁波衰减越大，即电磁波传播距离越 短。
低电导介质的σ <10-4mS/m(S称西门子，Ω-1),满足 σ/ωε<<1。在此类介质中，电磁波衰减小，适合雷达工 作。例如：空气、干燥花岗岩、干燥灰岩、混凝土、沥 青、橡胶、玻璃、陶瓷等。
质分层厚度及隐患）
工程雷达检测技术
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相对于工程中常用的其它无损检测方法， 具独特的技术特点：
1. 使用不同天线频率，可实现几厘米到几米的不 同探测深度；
2. 改变天线中心频率和频带宽度，可实现不同分 辨率的检测；
3. 无接触式扫描检测，速度快，可进行大面积快 速连续检测；
4. 可穿透介质中的空隙探测到内部质量情况，可 对有装修层的结构和构件进行检测；
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2．当
1，这对应于σ很大或
f
很小，此时
v 2 f
说明 v 主要受介质的电导率σ影响，而与介质的介 电常数ε关系不大。
工程雷达检测技术
11
1.2.3 电磁波在介质中的吸收特性
吸收系数β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β的ห้องสมุดไป่ตู้似值为：
非导电介质，满足
1的条件，对应于σ很小或
f、
ε很大，此时
v 1 c
r r
对于非磁性介质，μr=1
v c
r
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 v 主要取决于介质的相对 介电常数。
工程雷达检测技术
岩土工程测试专题 之三
工程雷达检测技术
工程雷达检测技术
1.1 概述
• 工程检测中的雷达检测技术是一项新兴检测
技术，属于脉冲时域探地雷达技术领域 （ Ground-Penetrating-Radar ，GPR），正
弦电磁波的传播特征是工程雷达的理论基础。 用频率10～2000MHz的宽频脉冲电磁波来确定
2E z2
2E t2
式中：E—电场强度
ε----介质绝对介电常数
μ----介质绝对磁导率
工程雷达检测技术
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• 水平极化电磁波，电场强度E、磁场强度H和 波矢量K三者互相垂直。介质中传播的电磁波 在数学上可表示为：
E E0e jkr
H H 0e jkr
• 其中，E0、H0为场源电场强度和磁场强度；E、H为 距场源距r点的电场强度和磁场强度，ejkr称为基本波 函数；传播常数k是一个复数，k=α+jβ；α、β为相位 系数和吸收系数。
• 探空雷达是在无耗介质中传播，探地雷达探测的是在 有耗介质中传播；
• 探空雷达目标体一般为金属体，目标回波能量大，工 程雷达目标体大多为非金属体，与周围介质差异小， 回波能量小。
• 工程雷达与通用探地雷达也有所区别，要求探测深度
相对较浅、精度和分辨率相对较高，探测目标一类为
金属体（钢筋、管线等）；一类为非金属体（工程介