探地雷达概论(孙)课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,探地雷达概论,Ground Penetrating RadarGPR,Phone:,Email,：,返回,结束,1,探地雷达原理,探地雷达：,是一种浅层工程勘探方法,（通过天线发射高频电磁波，当高频电磁波遇到介电常数不同的界面时，产生反射回波；根据接收天线接收到反射回波的时间确定反射界面的距离和根据反射回波形态判定反射体的性质）,。,特点,自激自收,采集工作效率高；,数据直接拼接成像；,高分辨率。,探测距离小。,返回,结束,2,实际检测时，雷达天线沿测线从左向右移动，如左图；发射天线不断发射雷达电磁波，接收天线接收到一条条雷达回波。将雷达回波按顺序排列展开，便可准确、形象地反映出地下探测目的体及反射界面的位置（见右图所示）。,探地雷达工作方式,返回,结束,3,探地雷达,是一种较新的地球物理方法,利用脉冲形式的宽带电磁波，用频率介于,10,6,10,9,Hz,的无线电波来确定地下介质分布；探测地表之下或确定不可视物体的内部结构。,经过几十年的发展，探地雷达逐渐趋于成熟，由于具有,高分辨率,、,高效率,等优点，因而广泛应用于工程与环境和资源等浅部地球物理领域，并取得了很好的效果。,工程地质工作者的评价,返回,结束,4,返回,结束,探地雷达应用实例,5,返回,结束,探地雷达应用实例,6,返回,结束,7,与探空或通讯雷达技术相类似，,探地雷达利用高频电磁脉冲波的反射探测目的体及地质现象。,从地面向地下发射电磁波来实现探测,。,故亦称之为,地质雷达,。,1.,概述,返回,结束,8,将雷达原理用于探地，早在,1910,年就已提出，当时德国的,G.Leimback,和,Lowy,曾以专利形式阐明这一问题。以后,J.C.Cook,在,1960,年用脉冲雷达，在矿井中做了试验。,早期,由于地下介质比空气具有强得多的电磁波衰减特性，加之地下介质情况的多样性，波在地中的传播特性比在空气中要复杂得多。因此，探地雷达的初期应用仅限于波吸收很弱的冰层、岩盐矿等介质中。如,s.Evans1963,年用雷达,测量极地冰层的厚度,；,Harrison 1970,年在,南极冰面上取得了穿透,800,2200m,的资料,；,1974,年,L.T.Procello,用雷达研究月球表面结构；,Unbterberger,探测冰川和冰山的厚度等。,探地雷达发展历史,返回,结束,9,随着仪器信噪比的大大提高和数据处理技术的应用，,70,年代以后，探地雷达的实际应用范围迅速扩大，其中：,石灰岩地区采石场的探测,(1971,年,Takazi,；,1973,年,Kitahra),二程地质探测,(1974,年,R.M.Morey,；,1976,年，,1977,年,A.P.Annan,和,J.L.Davis,，,1978,年,01hoeft,，,Dolphin,等，,1979,年,Benson,等,),煤矿井探测,(1975,年,J,，,C.Cook),、泥炭调查,(1982,年,C.P.F.Ulri ksen),放射性废弃物处理调查,(1982,年,D.L.wright,，,R.D.Watts,；,1985,年,0.Olsson),地面和钻孔雷达用于地质构造填图、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测和水坝、隧道、堤岸、古墓遗迹探查等,(1982,1987,年加拿大、日本、美国、瑞典等报道,),。,探地雷达发展历史（续）,返回,结束,10,随着微电子技术的迅速发展，现在的探地雷达设备已由庞大、笨重的结构改进为现场适用的轻便工具。目前，已推出的商用探地雷达有：,美国地球物理探测设备公司,(GSSI),的,SIR,系列,微波联合公司,(M/ACom,，,Inc.),的,Terrascan MK,系列,日本应用地质株式会社,(0Y0,公司,),的,GEORADAR,系列,加拿大探头及软件公司,(SSI),的,PulseEKKO,系列,瑞典地质公司,(SGAB),的,RAMAC,钻孔雷达系统,大量的国产仪器等。,这些商用的探地雷达所使用的中心工作频率在,10,1000MHz,范围，时窗在,O,20000ns,。根据不同的地质条件，地面系列的,探测深度约在,30,50m,，分辨率可达数厘米，,深度符合率小于,5cm,。探地雷达由于采用了宽频短脉冲和高采样率，使其探测的分辨率高于所有其它地球物理探测手段，采用可程控高次叠加,(,多达,4000,次,),和多波形处理等信号恢复技术，大大改善了信噪比和图像显示性能。今后的,趋势,是,向多天线高速扫描接收和进一步改善天线对各种目的体的回波响应性能,，以实现更精确、小尺寸、高工效、低成本以及图像联系真实地质情况等总的要求。,探地雷达仪器进展,返回,结束,11,由于探地雷达所接收到的信号十分复杂，脉冲在通过地下介质的过程中，,波形和波幅将发生较大的变化，而脉冲余振、系统内部干扰、地表不光滑或地下介质不均匀等引起的散射以及剖面旁侧的绕射等干扰,，均使得实时记录图像多变和不易分辨,当前的,信号处理,还只限于时问波形处理，如从单次测量结果中减去平均波形以压低噪声和杂乱回波、采用时变增益以补偿介质吸收和抑制深部噪声、用频率滤波以剔除不必要的干扰频率等。,研究采用,聚焦技术,，以集中目的体的空间响应：采用讯号增强以及预反褶积等数值处理技术，以加强近地表被强初至模糊了的反射体波形特征等。,为了,识别,图像或对图像进行,地质解释,，除了在简单形体正演基础上大多采用人工判读方法外，正在开展专家系统技术的有关研究。,和地震勘探工作相似，探地雷达探测体的,正反演研究,也正在进行之中。,理论研究方面,返回,结束,12,探地雷达的下列技术特性,返回,结束,探地雷达是一种,非破坏性,的探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场。工作场地条件宽松，适应性强,(,对于轻便类的仪器,),；,抗,电磁,干扰,能力强，可在城市内各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；,具有工程上较满意的,探测深度和分辨率,.,现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观；,便携微机控制数字采集、记录、存储和处理。轻便类仪器现场仅需,3,人或更少人员即可工作，,工作效率高,。,13,2.,方法原理,返回,结束,探地雷达,利用高频电磁波,(,主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫,),以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线,T,送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线,R,所接收,(,图,1,),。,脉冲波行程,需时：,当地下介质中的波速,v,为已知时，可根据测到的精确的,t,值,(ns,，,1ns=lO,-9,s),。由上式求出反射体的深度,(m),。式中,x(m),值在剖面探测中是固定的：,v,值,(m/ns),可以用宽角方式直接测量，也可以根据,近似算出,(,当介质的导电率很低时,),4,，其中,c,为光速,(c=0.3m/ns),，为地下介质的相对介电常数值，后者可利用现成数据或测定获得。,14,方法原理,返回,结束,雷达图形,常以脉冲反射波的,波形,形式记录。波形的正负峰分别以黑、白色表示，或者以,灰阶,或,彩色,表示。这样，,同相轴,或等灰度、等色线即可,形象地表征出地下反射面,。上图为波形记录的示意图。图上对照一个简单的地质模型,.,，画出了波形的记录。在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。与反射地震剖面相似，雷达剖面亦同样存在反射波的,偏移与绕射波的归位问题,。故雷达图形也需作偏移处理。反射脉冲信号的,强度,，与界面的波反射系数和穿透介质的波吸收程度有关,15,脉冲时间域探地雷达利用超高频短脉冲电磁波在地下介质中的传播规律来探测地下介质的分布。因为任何脉冲波都可以分解成不同频率的单谐波；对称振子型、发射和接受天线间距离很小。因此,电偶极源产生的单谐电磁波场及传播特征是探地雷达的理论基础。,均匀介质中的电磁场,脉冲时间域探地雷达的基本原理,电偶极源的电磁场,返回,结束,16,原理,1,返回,结束,17,原理,2,返回,结束,18,原理,3,返回,结束,19,原理,4,返回,结束,20,原理,5,返回,结束,21,原理,6,返回,结束,22,原理,7,返回,结束,23,原理,8,返回,结束,24,讨论,返回,结束,u,、,、,分别为介质的导磁系数、相对介电常数和电导率。,角标,1,和,2,分别代表入射介质和透射介质。,由关系式可以看出，,反射系数,与界面两边介质的电磁性质和频率有关。很明显，电磁参数差别大者，反射系数也大，因而反射波的能量也大。,25,原理,9,返回,结束,26,原理,10,返回,结束,27,讨论,返回,结束,对于,斜入射情况,，反射系数将因波极化性质而变，,反射系数还与入射角大小有关,。,介质的含水量一般也会对,、,值有所影响，含水多者,、,值变大，相应地，反射系数也会不同,。,波的吸收程度与衰减因子有关,。,28,原理,11,返回,结束,l,剖面法与多次覆盖,（,1,）剖面法,剖面法是发射天线（,T,）和接收天线（,R,）以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。,（,2,）多次覆盖,应用不同天线距的发射,接收天线在同一测线上进行重复测量然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。,29,原理,12,返回,结束,30,1,分辨率,分辨率是方法分辨最小异常体的能力。分辨率可分为垂向分辨率与横向分辨率。,（,1,）,垂向分辨率,一般把地层厚度,b,=,4,作为垂直分辨率的,下限。,（,2,）,横向分辨率,探地雷达的技术参数,返回,结束,31,探测的分辨率问题,返回,结束,指对多个目的体的区分或小目的体的识别能力,。概括地说，这个问题决定于脉冲的宽度，即与脉冲频带的设计有关。频带越宽，时域脉冲越窄，它在射线方向上的时域空间分辨能力就越强，或可近似地认为深度方向的分辨率高，其关系式为：。式中,B,eff,有效频带宽度，为分辨界面的有效波形之间的时间间隔。若从波长的角度来考虑，则工作主频率越高,(,即波长短,),，雷达反射波的脉冲波形就越窄，其分辨率越高。实际应用中可以半波长为尺度来表明,纵向分辨率,。,例如，对于,100MHZ,的中心频率，在粘土中，波长,=0.6m(,以,v=0.06m/ns,计,),，其分辨能力为,0.3m,。,32,探测的分辨率问题,返回,结束,水平空间方向上的分辨能力,，在很大程度上决定于介质的,吸收特性,。介质吸收越强，目的体中心部位与、边缘部位的反射能量相对差别也越大，水平方向的分辨能力相对也就较强。,分辨率还与地下各个方向上脉冲波的能量分布情况，即天线的,方向图,有关。,33,原理,13,返回,结束,34,原理,14,返回,结束,35,目的体特性与所处环境分析,（,1,）天线中心频率选择,（,2,）时窗选择,（,3,）采样率选择,（,4,）测点点距选择,（,5,）天线间距选择,探地雷达测量的设计,v,返回,结束,36,现场测量工作,返回,结束,剖面法,(CDP),：,发射天线和接收天线以固定间距,(TR=z=D),沿探测线同步移动，记录点位于,TR,的中点。测量中测点间距应小于波长的,l/4,。,宽角法,(WARR),：,采用一个天线固定，移动另一个天线的方式，或者两天线同时由一中心点向两侧反方向移动。此时记录的是电磁波脉冲通过地下各个不同介质层的双程传播时间，它反映地下成层介质的速度分布。,多天线法,(MAM),：,这种测量方式是,利用多个接收天线，同时实现多点测量。但这种方法必须考虑天线的屏蔽，以避免直达波或泄漏波在天线之间多次反射造成的干扰,。,透射法：,做电磁波,CT,时使用。但用得较少。,37,3.,解释原理,返回,结束,地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅被减小，波形变得与原始发射波形有较大的差别。此外，