探地雷达基本原理A

单击此处编辑母版标题样式,北京鑫衡运科贸有限责任公司,L E T S M A K E I T V I S I B L E,单击此处编辑母版标题样式,1,北京鑫衡运,科贸有限责任公司,联系电话：,010,82250916,，,82251763,传 真：,010,82250815,公司网址：,探地雷达基本原理,（,A,部分）,手机号码：,QQ,号码：,77055062,邮箱地址：,张国峰,主 要 内 容,1.,什么是雷达,2.,什么是探地雷达,(GPR),3.GPR,的优点及局限性,4.GPR,基本方法原理,5.RAMAC/GPR,系统示意图,6.,地下介质电特性,1.,什么是雷达,RA,DIO,D,ETECTION,A,ND,R,ANGING,（无线电探向和测距）,雷达最初是用于军事目的,探测空中目标体.,RADAR,2,.,什么是探地雷达,采用电磁波探测的一种技术，频率一般在,5,-,30,00,MHz,，用于对地下结构，埋藏物以及人造结构成像。,地下不同物体或介质的差异，会对电磁波进行反射，使用者根据反射图像判断地下异常体的位置。,采用脉冲雷达体制，最早的脉冲雷达系统是,Melton,于1937年提出的。,基本工作模式：反射，速度探测，层析成像（雷达,CT),。,GPR,(ground penetrating radar),3,.,GPR,的,优点,及局限性,设备轻便,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,水平和垂直精度高,图像比较直观,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、含水粘土层等）,.,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,解释者的经验非常重要,.,3,.,GPR,的优点及,局限性,4,.,GPR,基本方法原理,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/s,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,4,.,GPR,基本方法原理,Time ns,Depth m,?,Length m,4,.,GPR,基本方法原理,孔,中,雷,达,4,.,GPR,基本方法原理,4,.,GPR,基本方法原理,速度,(,地面雷达,),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,4,.,GPR,基本方法原理,层析成像,(,钻孔雷达,),4,.,GPR,基本方法原理,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,速度探测,5,.,RAMAC/GPR,系统示意图,控 制 单 元,发 射,接 收,测量轮,触,发,信,号,触,发,信,号,数,据,6,.,地下介质的电特性,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,),传导电流,:,J,c,=s E,s=,电导率,(S/m),s=1/r(,电阻率,Wm),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,No E-field,E-field,applied,6,.,地下介质的电特性,No E-field,6,.,地下介质的电特性,GPR,信号的穿透深度 与土壤的电导率有关,(,低致金属目标体,):,0,20,40,60,80,100,120,0,5,1,2,4,8,16,32,土壤电导率,mS/m,Depth (feet),0,10,20,30,25,5,15,35,Depth (meter),6,.,地下介质的电特性,土壤中的水含量与电导率,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,0,5,10,15,20,25,30,水含量,(,水的重量,/,土壤重量,),电导率的对数,(mS/m),6,.,地下介质的电特性,频率,MHz,用途,探测深度,m,10,地质,土工,采矿,.,50-60,25,地质,土工,采矿,.,40-50,50,地质,土工,河流,湖泊,环境,.,30-40,100,地质,土工,河流,湖泊,环境,土壤,.,20-30,200-250,浅层地质,土木工程,公用事业,考古,河流,湖泊,土壤,环境,10-15,350-500,土木工程,公用事业,考古,空洞,管线探测,雪和冰的厚度,可达,7.5,800,混凝土,空洞,路面,桥梁,公用事业,未知物体,管线探测,雪和冰的厚度,可达,2.5,6,.,地下介质的电特性,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,”,从好的低电导率土壤,(,石英沙,),中得到的雷达剖面,从高电导率土壤（粘土）中得到的雷达剖面。可见信号衰减较大。,6,.,地下介质的电特性,6,.,地下介质的电特性,极化电流,:,D=e E,e=,介电常数,(F/m),e,r,=e/e,自由空间,(,标量,),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,No,E-field,E-field,applied,No,E-field,6,.,地下介质的电特性,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,e,r,=,相对介电常数,6,.,地下介质的电特性,相对介电常数和,“,足印”的关系,:,“,足印”定义为探测的,“,有效区域,”,6,.,地下介质的电特性,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。,此处,:,z,1,=,第,1,层的阻抗,z,2,=,第,2,层的阻抗,r =,反射系数,6,.,地下介质的电特性,当,Pr 0.01,时 就能有足够的反射,反射系数,:,对,GPR,反射系数近似等于,“,反射能力”,(Pr),列表值,:,取自科学文献,列表中的值可以给出有用信息，,得出雷达方法是否适用,6,.,地下介质的电特性,6,.,地下介质的电特性,0,20,40,60,80,100,1,10,20,30,40,50,60,70,81,%,水含量,相对介电常数,水含量与相对介电常数,:,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,81,6,.,地下介质的电特性,介质,电导率S/m,相对介电常数,速度,(m/s),空气,0,1,300,干沥青,0.01-0.1,2-4,212-150,湿沥青,0.001-0.1,6-12,122-86,干粘土,0.1-1,2-6,212-122,湿粘土,0.1-1,5-40,134-47,干煤,0.001-0.01,3.5,160,湿煤,0.001-0.1,8,106,干混凝土,0.001-0.01,4-40,150-47,湿混凝土,0.01-0.1,10-20,95-67,淡水,10-0.01,81,33,淡水冰,10-10,4,150,干花岗岩,10-10,5,134,湿花岗岩,0.001-0.01,7,113,干灰岩,10-10,7,113,湿灰岩,0.01-0.1,8,106,永久冻土,10-0.01,4-8,150-106,典型介质的相对介电常数,电导率和电磁波速度的列表,介质,电导率S/m,相对介电常数,速度,(m/s),干结晶盐,10-0.01,4-7,150-113,干沙,10-0.001,2-6,212-122,湿沙,0.001-0.01,10-30,95-54,干砂岩,10-10,2-5,212-134,湿砂岩,10-0.01,5-10,134-95,海水,100,81,33,海水冰,0.01-0.1,4-8,150-106,干页岩,0.001-0.01,4-9,150-100,饱和页岩,0.001-0.1,9-16,100-75,硬雪,10-10,6-12,122-86,粘性干土,0.01-0.1,4-10,150-95,粘性湿土,0.001-1,10-30,95-54,干壤土,10-10,4-10,150-95,湿壤土,0.01-0.1,10-30,95-54,干沙土,10-0.01,4-10,150-95,湿沙土,0.01-0.1,10-30,95-54,典型介质的相对介电常数,电导率和电磁波速度的列表,6,.,地下介质的电特性,END,