探地雷达概论(孙)

1、1孙宏志孙宏志 中国矿业大学（北京）中国矿业大学（北京）Phone:hone:mailEmail：返回返回结束结束2返回返回结束结束3返回返回结束结束4返回返回结束结束5返回返回结束结束 探地雷达应用实例探地雷达应用实例6返回返回结束结束 探地雷达应用实例探地雷达应用实例7返回返回结束结束8 返回返回结束结束9返回返回结束结束10 返回返回结束结束11返回返回结束结束12返回返回结束结束13 返回返回结束结束探地雷达是一种探地雷达是一种非破坏性非破坏性的探测技术，可以安全地用的探测技术，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

2、松，于城市和正在建设中的工程现场。工作场地条件宽松，适应性强适应性强( (对于轻便类的仪器对于轻便类的仪器) )；抗抗电磁电磁干扰干扰能力强，可在城市内各种噪声环境下工作，能力强，可在城市内各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；环境干扰影响小；具有工程上较满意的具有工程上较满意的探测深度和分辨率探测深度和分辨率. .现场直接提供现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观；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仪器现场仅需3 3人或更少人员即可工作，人或更少人员即可工作，工作效率高工作效率高。 14 返回

3、返回结束结束/xz4t22/c探地雷达探地雷达利用高频电磁波利用高频电磁波(主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫)以宽频带短以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线脉冲形式，由地面通过天线T送入地下，送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线为另一天线R所接收所接收(图图1)。脉冲波行程脉冲波行程需时：当地下介质中的波速当地下介质中的波速v为已知时，可根据测到的精确的为已知时，可根据测到的精确的t值值(ns，1ns=lO-9s)。由上。由上式求出反射体的深度式求出反射体的深度(m)。式中。式中x(m)值在剖面探测中是固定的：值在剖面探测中是固定的：v值值(

4、m/ns)可以可以用宽角方式直接测量，也可以根据用宽角方式直接测量，也可以根据近似算出近似算出(当介质的导电率很低时当介质的导电率很低时)4，其中，其中c为光速为光速(c=0.3m/ns)，为地，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。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。15 返回返回结束结束雷达图形雷达图形常以脉冲反射波的常以脉冲反射波的波形波形形式记录。波形的正负峰分别以黑、形式记录。波形的正负峰分别以黑、白色表示，或者以白色表示，或者以灰阶灰阶或或彩色彩色表示。这样，表示。这样，同相轴同相轴或等灰度、等色线或等灰度、等色线即可即可形象地表征出地下反射面

5、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。上图为波形记录的示意图。图上对照一个简单的地质模型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，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，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雷达剖面亦同样存在反射波的偏移与绕射波的归位问题偏移与绕射波的归位问题。故雷达图形。故雷达图形也需作偏移处理。反射脉冲信号的也需作偏移处理。反射脉冲信号的强度强度，与界面的波反射系数和穿透，与界面的波反射系数和穿透介质的波吸收程度有关介质

6、的波吸收程度有关 16 脉冲时间域探地雷达利用超高频短脉冲电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。因此线间距离很小。因此电偶极源产生的单谐电磁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。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均匀介质中的电磁场脉冲时间域探地雷达的基本原理脉冲时间域探地雷达的基本原理电偶极源的电磁场电偶极源的

7、电磁场返回返回结束结束17 返回返回结束结束18 返回返回结束结束19 返回返回结束结束20 返回返回结束结束21 返回返回结束结束22 返回返回结束结束23 返回返回结束结束24 返回返回结束结束25 返回返回结束结束 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，反射系数反射系数与界面两与界面两边介质的电磁性质和频率有关。很明显，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，因电磁参数差别大者，反射系数也大，因而反射波的能量也大。而反射波的能量也大。 26 返回返回结束结束27 返回返回结束结束28 返回返

8、回结束结束 对于斜入射情况斜入射情况，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反射系数还与入射角大小有关关。 介质的含水量一般也会对介质的含水量一般也会对、值有所影值有所影响，含水多者响，含水多者、值变大，相应地，反值变大，相应地，反射系数也会不同射系数也会不同。波的吸收程度与衰减波的吸收程度与衰减因子有关因子有关。 29返回返回结束结束l剖面法与多次覆盖剖面法与多次覆盖（1）剖面法）剖面法 剖面法是发射天线（剖面法是发射天线（T）和接收天线（）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。以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。 （2）多次覆盖）多次覆盖 应用不同天线距

9、的发射应用不同天线距的发射接收天线在同一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。地下介质的分辨能力。30 返回返回结束结束311分辨率分辨率 分辨率是方法分辨最小异常体的能力。分辨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。率可分为垂向分辨率与横向分辨率。 （1） 垂向分辨率垂向分辨率一般把地层厚度一般把地层厚度b=4作为垂直分辨率的作为垂直分辨率的下限。下限。 （2）横向分辨率横向分辨率探地雷达的技术参数探地雷达的技术

10、参数返回返回结束结束32 返回返回结束结束指对多个目的体的区分或小目的体的识别能力指对多个目的体的区分或小目的体的识别能力。概括地说，。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。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，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：其关系式为： 。式中。式中B Beffeff有效频带宽度，为分辨界有效频带宽度，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，面的有效

11、波形之间的时间间隔。若从波长的角度来考虑，则工作主频率越高则工作主频率越高( (即波长短即波长短) )，雷达反射波的脉冲波形，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来表明纵向分辨率纵向分辨率。例如，对于例如，对于100MHZ100MHZ的中心频率，在的中心频率，在粘土中，波长粘土中，波长=0.6m(=0.6m(以以v=0.06m/nsv=0.06m/ns计计) )，其分辨能力，其分辨能力为为0.3m0.3m。 effBt/1effBt/1t33 返回返回结束结束 水平空间方向上的分辨能力水平空间方向上的分辨能力

12、，在很大程，在很大程度上决定于介质的度上决定于介质的吸收特性吸收特性。介质吸收。介质吸收越强，目的体中心部位与、边缘部位的越强，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，即天线的量分布情况，即天线的方向图方向图有关。有关。 34 返回返回结束结束35 返回返回结束结束36目的体特性与所处环境分析目的体特性与所处环境分析（1）天线中心频率选择）天线中心频率选择 （2）时窗选择）时窗选择（3）采样率选择）采样率选择（4）

13、测点点距选择）测点点距选择（5）天线间距选择）天线间距选择 探地雷达测量的设计探地雷达测量的设计v返回返回结束结束37返回返回结束结束 剖面法剖面法(CDP) (CDP) ：发射天线和接收天线以固定间距发射天线和接收天线以固定间距(TR=z=D)(TR=z=D)沿探测线同步移动，记录点位于沿探测线同步移动，记录点位于TRTR的中点。测量中测点间的中点。测量中测点间距应小于波长的距应小于波长的l/4l/4。 宽角法宽角法(WARR)(WARR)：采用一个天线固定，移动另一个天线的方采用一个天线固定，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。此时式，或者两天线同时由一中心点向

14、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。时间，它反映地下成层介质的速度分布。 多天线法多天线法(MAM)(MAM)：这种测量方式是利用多个接收天线，同利用多个接收天线，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：透射法：做电磁波CT时使用。但用得较少。 38 返回返回结束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

15、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，不同程度的各种随机噪声和干扰波，也歪曲了实测数据，因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善数据资料，为进一步解释提供清晰可辨的图像。 39数字记录的探地雷达数据类似于数字记录的探地雷达数据类似于反射地震反射地震数据，反射地震数字数据，反射地震数字处理许多有效技术通过某种形式改变均可以应用于探地雷达资处理许多有效技术通过某种形式改变均可以应用于探地雷达资料的处理。料的处理。例如：例如：多次重复测量多次重复测量取取平均平均，以抑制随机噪声；，以抑制随机噪声；邻近的不同位置的多次测量邻近的不同

16、位置的多次测量取取平均平均，以压低非目的体杂乱回波，改善背景；，以压低非目的体杂乱回波，改善背景；自动时变增益或控制增益自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波；以补偿介质吸收和抑制杂波；滤波处理滤波处理或或时频变换时频变换以除去高频杂波或突出目的体、降低背景噪声和余振影响，以除去高频杂波或突出目的体、降低背景噪声和余振影响，一维、二维一维、二维空间滤波空间滤波设计与脉冲波形有关的设计与脉冲波形有关的反滤波反滤波或或匹配滤波器匹配滤波器做与目的体有做与目的体有关的关的三维处理三维处理 3. 探地雷达的数据处理与资料解释探地雷达的数据处理与资料解释(1). 探地雷达的探地雷达的数据处理数据

17、处理返回返回结束结束40（补充速度的求取）（补充速度的求取） 1时间剖面的解释方法时间剖面的解释方法（1）反射层的拾取）反射层的拾取（2）时间剖面的解释）时间剖面的解释2资料解释的资料解释的专家系统专家系统介绍介绍（1）对雷达图像信息进行反褶积处理。）对雷达图像信息进行反褶积处理。 （2）利用自动识别系统）利用自动识别系统 （3）根据专家领域知识进行地层性质判别）根据专家领域知识进行地层性质判别 (2). 探地雷达的资料解释方法探地雷达的资料解释方法v返回返回结束结束41 返回返回结束结束识别异常识别异常 ：在很大程度上基于地质雷达图像的正演成果在很大程度上基于地质雷达图像的正演成果。通过理论计算和大量的物理模拟实验，为识别现场探测中可能遇到的种种有限目的体所引起的异常，以及对各类图像进行地质解释提供理论依据。 地质解释：地质解释：和所有物探技术一样，它是一个和所有物探技术一样，它是一个“系统工程系统工程”，它包含了物理原理、仪器技术特点、地质和地理、工程人文它包含了物理原