探地雷达

• 基本原理
地质雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和 向外辐射电磁波的天线(Tx)组成。通过发射天线电磁波以60°～90°的波束角向地 下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一 固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的
探地雷达技术
内容简介
探地雷达：Ground-Penetrating Radar (GPR)
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什么是探地雷达 探地雷达的发展历程； 探地雷达来自原理； 探地雷达的应用； 优缺点；
• 什么是探地雷达
探地雷达（Ground Penetrating Radar ，GPR），又称地 质雷达，透地雷达，是一种高科技的地球物理探测仪器， 是用频率介于10^6-10^9Hz的无线电波来确定地下介质分布 的一种方法.目前已经广泛的应用于高速公路，机场的路面 质量检测；隧道，桥梁，水库大坝检测；地下管线，地下 建筑的检测等诸多的工程领域。
探地雷达应用
探地雷达应用领域综述：
•桥梁路基检测：
•高速公路、机场质量检测及地基检测：
探地雷达应用
•城市地下管线探测：
探地雷达应用
•管线探测的探地雷达图像：
探地雷达应用
•建筑物质量检测，公路检测：
探地雷达应用
•探测地雷：
探地雷达应用
•地质勘探：
探地雷达应用
北极冰下水流线探测（1975年）：
直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端将两种显示出来。
地质雷达（GPR）依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作， 电磁波脉冲在介质中的传播路径—波形随所通过的介质的介电性质、 几何形态而变化，根据接收到反射波的旅行时间、幅值、频率、波 形变化资料，可推断地质目的体的内部结构和几何形态。
当电磁波到达两种不同介质性质的分界面时，由于上下介质的电磁特 性不同会发生反射与折射，入射波、反射波与折射波的方向,遵循反射定律 和折射定律,如下图所示。
探地雷达应用
考古探测：
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优缺点 优点
1.轻巧便携 2.非破坏性 3.施测迅速 4.精度较高
局限性（和受测场介质性质有关） 1.探测深度受限
2.多数无法直接判断水的存在
发展历程
• 近代电磁科技的发展。麦克斯韦、赫兹等科学家 做出巨大的理论贡献； • 二战时期无线电定位系统的发展。 • 30-50年代极地电磁实验。探究了冰水、冰面厚度 对波阻抗的影响。 • 60-70年代雷达才开始应用于地下土层探测。 • 80年代以来，学者将其应用与土层土壤的研究。 开始探究雷达波在土层的衰减与土壤本身的导电 度的关系 。
-8
介电常数(相对值) 1 81 81 3.2 5 7 8 7 8 4～6 30 8～12 7
速度(m/ns) 0.3 0.033 0.01 0.17 0.15 0.1 0.15(干) 0.11 0.15 0.06 0.06 0.09
衰减系数(dB/m) 0 0.1 3 10 0.01 0.01～1 0.01～1 0.4～1 0.4～1 0.01 0.03～0.3 1～300 1～100
[4]
(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。
探地雷达工作方式
• 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）。
图1 电磁波在介质分界面的折射和反射
地质雷达检测物理机理 根据现场试验及实测结果统计分析，隧道围岩、水、空洞等介质的介电常数 存在一定的差异（见表 2.1） ，满足地质雷达检测的地球物理前提。 表1 介质类型 砂岩 页岩 泥岩 空 水 洞 介质相对介电常数值 相对介电常数（ε r） 4.0～6.0 7.0 4.0～5.0 1.0 81
• 反射物深度的求取
脉冲波行程需时：
t 4z 2 x 2 / 。
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-9s)。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 c / 近似算出(当介质的导电率很低时) ，其中 c 为光速
表 2 常见介质的物理量
介质 空气 纯水 海水 冰 花岗岩(干) 花岗岩(湿) 玄武岩(湿) 灰岩(干) 灰岩(湿) 砂(干) 砂(湿) 粘土(湿) 页岩(湿) 电导率(Sm) 0 -4 -2 10 ～3×10 4 10 -3 10 -2 10 -9 10 -2 2.5×10 -7 -3 10 ～10 -4 -2 10 ～10 -1 10 ～1 -1 10