探地雷達(dá)概論(孫)

1探地雷達(dá)概論

GroundPenetratingRadar簡稱GPR孫宏志中國礦業(yè)大學(xué)（北京）

Phone Email：shz@返回結(jié)束2探地雷達(dá)原理探地雷達(dá)：是一種淺層工程勘探方法（通過天線發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)高頻電磁波遇到介電常數(shù)不同的界面時，產(chǎn)生反射回波；根據(jù)接收天線接收到反射回波的時間確定反射界面的距離和根據(jù)反射回波形態(tài)判定反射體的性質(zhì)）。特點(diǎn)自激自收采集工作效率高；數(shù)據(jù)直接拼接成像；高分辨率。探測距離小。返回結(jié)束3實(shí)際檢測時，雷達(dá)天線沿測線從左向右移動，如左圖；發(fā)射天線不斷發(fā)射雷達(dá)電磁波，接收天線接收到一條條雷達(dá)回波。將雷達(dá)回波按順序排列展開，便可準(zhǔn)確、形象地反映出地下探測目的體及反射界面的位置（見右圖所示）。探地雷達(dá)工作方式返回結(jié)束4探地雷達(dá)是一種較新的地球物理方法利用脈沖形式的寬帶電磁波，用頻率介于106～109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布；探測地表之下或確定不可視物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，探地雷達(dá)逐漸趨于成熟，由于具有高分辨率、高效率等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于工程與環(huán)境和資源等淺部地球物理領(lǐng)域，并取得了很好的效果。工程地質(zhì)工作者的評價返回結(jié)束5返回結(jié)束

探地雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例6返回結(jié)束

探地雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例7返回結(jié)束8與探空或通訊雷達(dá)技術(shù)相類似，探地雷達(dá)利用高頻電磁脈沖波的反射探測目的體及地質(zhì)現(xiàn)象。

從地面向地下發(fā)射電磁波來實(shí)現(xiàn)探測

。故亦稱之為地質(zhì)雷達(dá)。1.概述

返回結(jié)束9將雷達(dá)原理用于探地，早在1910年就已提出，當(dāng)時德國的G.Leimback和Lowy曾以專利形式闡明這一問題。以后J.C.Cook在1960年用脈沖雷達(dá)，在礦井中做了試驗(yàn)。早期,由于地下介質(zhì)比空氣具有強(qiáng)得多的電磁波衰減特性，加之地下介質(zhì)情況的多樣性，波在地中的傳播特性比在空氣中要復(fù)雜得多。因此，探地雷達(dá)的初期應(yīng)用僅限于波吸收很弱的冰層、巖鹽礦等介質(zhì)中。如s.Evans1963年用雷達(dá)測量極地冰層的厚度；Harrison1970年在南極冰面上取得了穿透800～2200m的資料；1974年L.T.Procello用雷達(dá)研究月球表面結(jié)構(gòu)；Unbterberger探測冰川和冰山的厚度等。探地雷達(dá)發(fā)展歷史返回結(jié)束10

隨著儀器信噪比的大大提高和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，70年代以后，探地雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，其中：石灰?guī)r地區(qū)采石場的探測(1971年Takazi；1973年Kitahra)二程地質(zhì)探測(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)煤礦井探測(1975年J，C.Cook)、泥炭調(diào)查(1982年C.P.F.Ulri

ksen)放射性廢棄物處理調(diào)查(1982年D.L.wright，R.D.Watts；1985年0.Olsson)地面和鉆孔雷達(dá)用于地質(zhì)構(gòu)造填圖、水文地質(zhì)調(diào)查、地基和道路下空洞及裂縫調(diào)查、埋設(shè)物探測和水壩、隧道、堤岸、古墓遺跡探查等(1982～1987年加拿大、日本、美國、瑞典等報道)。

探地雷達(dá)發(fā)展歷史（續(xù)）返回結(jié)束11

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在的探地雷達(dá)設(shè)備已由龐大、笨重的結(jié)構(gòu)改進(jìn)為現(xiàn)場適用的輕便工具。目前，已推出的商用探地雷達(dá)有：美國地球物理探測設(shè)備公司(GSSI)的SIR系列微波聯(lián)合公司(M/A—Com，Inc.)的TerrascanMK系列日本應(yīng)用地質(zhì)株式會社(0Y0公司)的GEORADAR系列加拿大探頭及軟件公司(SSI)的PulseEKKO系列瑞典地質(zhì)公司(SGAB)的RAMAC鉆孔雷達(dá)系統(tǒng)大量的國產(chǎn)儀器等。 這些商用的探地雷達(dá)所使用的中心工作頻率在10～1000MHz范圍，時窗在O～20000ns。根據(jù)不同的地質(zhì)條件，地面系列的探測深度約在30～50m，分辨率可達(dá)數(shù)厘米，深度符合率小于±5cm。探地雷達(dá)由于采用了寬頻短脈沖和高采樣率，使其探測的分辨率高于所有其它地球物理探測手段，采用可程控高次疊加(多達(dá)4000次)和多波形處理等信號恢復(fù)技術(shù)，大大改善了信噪比和圖像顯示性能。今后的趨勢是向多天線高速掃描接收和進(jìn)一步改善天線對各種目的體的回波響應(yīng)性能，以實(shí)現(xiàn)更精確、小尺寸、高工效、低成本以及圖像聯(lián)系真實(shí)地質(zhì)情況等總的要求。探地雷達(dá)儀器進(jìn)展返回結(jié)束12由于探地雷達(dá)所接收到的信號十分復(fù)雜，脈沖在通過地下介質(zhì)的過程中，波形和波幅將發(fā)生較大的變化，而脈沖余振、系統(tǒng)內(nèi)部干擾、地表不光滑或地下介質(zhì)不均勻等引起的散射以及剖面旁側(cè)的繞射等干擾，均使得實(shí)時記錄圖像多變和不易分辨當(dāng)前的信號處理還只限于時問波形處理，如從單次測量結(jié)果中減去平均波形以壓低噪聲和雜亂回波、采用時變增益以補(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制深部噪聲、用頻率濾波以剔除不必要的干擾頻率等。研究采用聚焦技術(shù)，以集中目的體的空間響應(yīng)：采用訊號增強(qiáng)以及預(yù)反褶積等數(shù)值處理技術(shù)，以加強(qiáng)近地表被強(qiáng)初至模糊了的反射體波形特征等。為了識別圖像或?qū)D像進(jìn)行地質(zhì)解釋，除了在簡單形體正演基礎(chǔ)上大多采用人工判讀方法外，正在開展專家系統(tǒng)技術(shù)的有關(guān)研究。和地震勘探工作相似，探地雷達(dá)探測體的正反演研究也正在進(jìn)行之中。理論研究方面返回結(jié)束13探地雷達(dá)的下列技術(shù)特性

返回結(jié)束探地雷達(dá)是一種非破壞性的探測技術(shù)，可以安全地用于城市和正在建設(shè)中的工程現(xiàn)場。工作場地條件寬松，適應(yīng)性強(qiáng)(對于輕便類的儀器)；抗電磁干擾能力強(qiáng)，可在城市內(nèi)各種噪聲環(huán)境下工作，環(huán)境干擾影響小；具有工程上較滿意的探測深度和分辨率.現(xiàn)場直接提供實(shí)時剖面記錄圖，圖像清晰直觀；便攜微機(jī)控制數(shù)字采集、記錄、存儲和處理。輕便類儀器現(xiàn)場僅需3人或更少人員即可工作，工作效率高。142.方法原理

返回結(jié)束探地雷達(dá)利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至千兆赫)以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線T送入地下，經(jīng)地下地層或目的體反射后返回地面，為另一天線R所接收(圖1)。脈沖波行程需時：當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時，可根據(jù)測到的精確的t值(ns，1ns=lO-9s)。由上式求出反射體的深度(m)。式中x(m)值在剖面探測中是固定的：v值(m/ns)可以用寬角方式直接測量，也可以根據(jù)近似算出(當(dāng)介質(zhì)的導(dǎo)電率很低時)[4]，其中c為光速(c=0.3m/ns)，為地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)值，后者可利用現(xiàn)成數(shù)據(jù)或測定獲得。15方法原理

返回結(jié)束雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負(fù)峰分別以黑、白色表示，或者以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線即可形象地表征出地下反射面。上圖為波形記錄的示意圖。圖上對照一個簡單的地質(zhì)模型.，畫出了波形的記錄。在波形記錄圖上各測點(diǎn)均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面。與反射地震剖面相似，雷達(dá)剖面亦同樣存在反射波的偏移與繞射波的歸位問題。故雷達(dá)圖形也需作偏移處理。反射脈沖信號的強(qiáng)度，與界面的波反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的波吸收程度有關(guān)

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脈沖時間域探地雷達(dá)利用超高頻短脈沖電磁波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律來探測地下介質(zhì)的分布。因?yàn)棰偃魏蚊}沖波都可以分解成不同頻率的單諧波；②對稱振子型、發(fā)射和接受天線間距離很小。因此電偶極源產(chǎn)生的單諧電磁波場及傳播特征是探地雷達(dá)的理論基礎(chǔ)。

均勻介質(zhì)中的電磁場脈沖時間域探地雷達(dá)的基本原理電偶極源的電磁場返回結(jié)束17原理1

返回結(jié)束18原理2

返回結(jié)束19原理3

返回結(jié)束20原理4

返回結(jié)束21原理5

返回結(jié)束22原理6

返回結(jié)束23原理7

返回結(jié)束24原理8

返回結(jié)束25討論

返回結(jié)束u、ε、σ分別為介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)、相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率。角標(biāo)1和2分別代表入射介質(zhì)和透射介質(zhì)。由關(guān)系式可以看出，反射系數(shù)與界面兩邊介質(zhì)的電磁性質(zhì)和頻率有關(guān)。很明顯，電磁參數(shù)差別大者，反射系數(shù)也大，因而反射波的能量也大。

26原理9

返回結(jié)束27原理10

返回結(jié)束28討論

返回結(jié)束對于斜入射情況，反射系數(shù)將因波極化性質(zhì)而變，反射系數(shù)還與入射角大小有關(guān)。介質(zhì)的含水量一般也會對σ、ε值有所影響，含水多者σ、ε值變大，相應(yīng)地，反射系數(shù)也會不同。波的吸收程度與衰減因子有關(guān)。

29原理11返回結(jié)束l．剖面法與多次覆蓋（1）剖面法剖面法是發(fā)射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。（2）多次覆蓋應(yīng)用不同天線距的發(fā)射——接收天線在同一測線上進(jìn)行重復(fù)測量．然后把測量記錄中相同位置的記錄進(jìn)行疊加，這種記錄能增強(qiáng)對深部地下介質(zhì)的分辨能力。30原理12

返回結(jié)束311．分辨率

分辨率是方法分辨最小異常體的能力。分辨率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。

（1）

垂向分辨率一般把地層厚度b=λ／4作為垂直分辨率的下限。（2）橫向分辨率探地雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)返回結(jié)束32探測的分辨率問題

返回結(jié)束指對多個目的體的區(qū)分或小目的體的識別能力。概括地說，這個問題決定于脈沖的寬度，即與脈沖頻帶的設(shè)計(jì)有關(guān)。頻帶越寬，時域脈沖越窄，它在射線方向上的時域空間分辨能力就越強(qiáng)，或可近似地認(rèn)為深度方向的分辨率高，其關(guān)系式為：。式中Beff有效頻帶寬度，為分辨界面的有效波形之間的時間間隔。若從波長的角度來考慮，則工作主頻率越高(即波長短)，雷達(dá)反射波的脈沖波形就越窄，其分辨率越高。實(shí)際應(yīng)用中可以半波長為尺度來表明縱向分辨率。例如，對于100MHZ的中心頻率，在粘土中，波長λ=0.6m(以v=0.06m/ns計(jì))，其分辨能力為0.3m。

33探測的分辨率問題

返回結(jié)束水平空間方向上的分辨能力，在很大程度上決定于介質(zhì)的吸收特性。介質(zhì)吸收越強(qiáng)，目的體中心部位與、邊緣部位的反射能量相對差別也越大，水平方向的分辨能力相對也就較強(qiáng)。分辨率還與地下各個方向上脈沖波的能量分布情況，即天線的方向圖有關(guān)。

34原理13

返回結(jié)束35原理14

返回結(jié)束36目的體特性與所處環(huán)境分析（1）天線中心頻率選擇（2）時窗選擇（3）采樣率選擇（4）測點(diǎn)點(diǎn)距選擇（5）天線間距選擇

探地雷達(dá)測量的設(shè)計(jì)v返回結(jié)束37現(xiàn)場測量工作返回結(jié)束剖面法(CDP)：發(fā)射天線和接收天線以固定間距(TR=z=D)沿探測線同步移動，記錄點(diǎn)位于TR的中點(diǎn)。測量中測點(diǎn)間距應(yīng)小于波長的l/4。寬角法(WARR)：采用一個天線固定，移動另一個天線的方式，或者兩天線同時由一中心點(diǎn)向兩側(cè)反方向移動。此時記錄的是電磁波脈沖通過地下各個不同介質(zhì)層的雙程傳播時間，它反映地下成層介質(zhì)的速度分布。多天線法(MAM)：這種測量方式是利用多個接收天線，同時實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量。但這種方法必須考慮天線的屏蔽，以避免直達(dá)波或泄漏波在天線之間多次反射造成的干擾。透射法：做電磁波CT時使用。但用得較少。383.解釋原理

返回結(jié)束

地下介質(zhì)相當(dāng)于一個復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對波的不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性質(zhì)，使得脈沖到達(dá)接收天線時，波幅被減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差別。此外，不同程度的各種隨機(jī)噪聲和干擾波，也歪曲了實(shí)測數(shù)據(jù)，因此，必須對接收信號實(shí)施適當(dāng)?shù)奶幚?，以改善?shù)據(jù)資料，為進(jìn)一步解釋提供清晰可辨的圖像。39數(shù)字記錄的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)類似于反射地震數(shù)據(jù)，反射地震數(shù)字處理許多有效技術(shù)通過某種形式改變均可以應(yīng)用于探地雷達(dá)資料的處理。例如：多次重復(fù)測量取平均，以抑制隨機(jī)噪聲；鄰近的不同位置的多次測量取平均，以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；自動時變增益或控制增益以補(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波；濾波處理或時頻變換以除去高頻雜波或突出目的體、降低背景噪聲和余振影響，一維、二維空間濾波設(shè)計(jì)與脈沖波形有關(guān)的反濾波或匹配濾波器做與目的體有關(guān)的三維處理3.探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理與資料解釋(1).探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理返回結(jié)束40（補(bǔ)充速度的求?。?/p>

1．時間剖面的解釋方法（1）反射層的拾?。?）時間剖面的解釋2．資料解釋的專家系統(tǒng)介紹（1）對雷達(dá)圖像信息進(jìn)行反褶積處理。

（2）利用自動識別系統(tǒng)

（3）根據(jù)專家領(lǐng)域知識進(jìn)行地層性質(zhì)判別

(2).探地雷達(dá)的資料解釋方法v返回結(jié)束41圖像解釋

返回結(jié)束識別異常：在很大程度上基于地質(zhì)雷達(dá)圖像的正演成果。通過理論計(jì)算和大量的物理模擬實(shí)驗(yàn)，為識別現(xiàn)場探測中可能遇到的種種有限目的體所引起的異常，以及對各類圖像進(jìn)行地質(zhì)解釋提供理論依據(jù)。

地質(zhì)解釋：和所有物探技術(shù)一樣，它是一個“系統(tǒng)工程”，它包含了物理原理、儀器技術(shù)特點(diǎn)、地質(zhì)和地理、工程人文等多方面的知識和經(jīng)驗(yàn)。目前的人工判讀解釋，只是對異常的識別作一些聯(lián)系已知條件的注釋，但僅就這一工作，應(yīng)深入研究的問題仍不少?？梢钥隙?，