GSSI-地质雷达讲课稿
地质雷达基础知识(一)
地质雷达基础知识(一)一、教学内容本节课的教学内容来自小学科学教材第六册第五章节“地球的秘密”。
该章节主要介绍了地质雷达的基本概念、工作原理及其在地质探测中的应用。
具体内容包括地质雷达的定义、组成部分、工作原理、使用方法以及探测结果的解读等方面。
二、教学目标1. 让学生了解地质雷达的基本概念，知道地质雷达在地质探测中的重要作用。
2. 学生能理解地质雷达的工作原理，并能简单描述其工作过程。
3. 学生能够运用地质雷达的知识，解决实际问题。
三、教学难点与重点重点：地质雷达的基本概念、工作原理及其在地质探测中的应用。
难点：地质雷达工作原理的理解和实际应用。
四、教具与学具准备教具：PPT、地质雷达模型、实物图片等。
学具：笔记本、彩笔、练习册等。
五、教学过程1. 实践情景引入：通过展示地震灾区现场，引导学生关注地质探测技术在灾后救援中的重要作用，进而引出地质雷达的概念。
2. 知识讲解：介绍地质雷达的定义、组成部分、工作原理及其在地质探测中的应用。
通过地质雷达模型的展示，让学生更直观地理解地质雷达的工作原理。
3. 例题讲解：分析实际探测案例，让学生了解地质雷达在地质探测中的应用，培养学生运用地质雷达知识解决实际问题的能力。
4. 随堂练习：设计一些有关地质雷达的练习题，让学生巩固所学知识。
5. 板书设计：板书地质雷达的基本概念、工作原理及其在地质探测中的应用。
6. 作业设计：题目1：请简要描述地质雷达的基本概念。
答案：地质雷达是一种利用电磁波探测地下目标的仪器，主要由发射装置、接收装置和数据处理装置组成。
题目2：请解释地质雷达的工作原理。
答案：地质雷达通过发射装置发射电磁波，当电磁波遇到地下目标时，会发生反射。
接收装置接收这些反射回来的电磁波，并通过数据处理装置分析，从而得到地下目标的信息。
题目3：请举例说明地质雷达在地质探测中的应用。
答案：地质雷达可以用于探测地下水位、查找地下管线、探测地下溶洞等地质现象。
在地震灾区，地质雷达还可以用于探测被埋压人员的生存状态。
探地雷达讲义-张胜利
(m/ns)
0.3 0.033 0.01 0.15 0.06 0.15 0.1 0.09 0.07 0.06 0.13 0.13 0.16
(dB/m)
0 0.1 103 0.01 0.03~0.3 0.01～1 0.01～1 1~100 1~100 1~300 0.01~1 0.01~1 0.01
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7
探地雷达的下列技术特性
(1)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)； (2)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； (3)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； (4)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。
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
无损探测方式； 数据直接拼接成像； 高分辨率。 探测距离小。
注意：当采用直流电阻率计算岩石的吸收系数时，由于 导电率的频散现象，计算值往往低于实测值。
结束
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25
3） 电磁波反射与折射
令 R12 E r
/ Ei , T12 Et / Ei ， 分别表示波从介质
1 入射
到介质 2 时界面的反射系数和折射系数。
R12 (cos i n 2 sin 2 i ) /(cos i n 2 sin 2 i ) 2 2 T12 2 cos i /(cos i n sin i )
第三讲(地质雷达)
100MHz
200MHz
400MHz
2009.10
中国矿业大学。 中国矿业大学。地球探测与信息技术
2.1
SIR雷达介绍 SIR雷达介绍
900MHz
1200MHz
2009.10
中国矿业大学。 中国矿业大学。地球探测与信息技术
2.1
SIR雷达介绍 SIR雷达介绍
2009.10
中国矿业大学。 中国矿业大学。地球探测与信息技术
2009.10
中国矿业大学。 中国矿业大学。地球探测与信息技术
2.1
SIR雷达介绍 SIR雷达介绍
SIR-20高速高精度多通道透视雷达 高速高精度多通道透视雷达
SIR-3000便携式透地雷达 便携式透地雷达
2009.10
中国矿业大学。 中国矿业大学。地球探测与信息技术
2.1
SIR雷达介绍 SIR雷达介绍
2009.10
中国矿业大学。 中国矿业大学。地球探测与信息技术
对地下雷达探测目标的解释,离不开必要的地 质理论和地质工程知识，更确切地说，探测地下 目标的雷达系统应称为“地质雷达系统 ”(Geologic radar system)。
地质雷达操作手册
第一篇SIR—3000操作探讨1。
GSSI简介便携式透地雷达美国GSSI是目前世界上最好的生产地质雷达的厂家，它的产品遍布全球，目前超过1800套,占全球销量80%以上,在中国200余套，占中国市场份额的75％以上。
创始于1969年的美国地球物理探测公司（GSSI公司)，是世界上第一家专业研制探地雷达的公司,其前身为美国宇航局。
随着60年代末期美国宇航局专门为阿波罗计划所研制的专用仪器，成功地探测到月球表面尘埃之后，世界上第一台进入民用的商用探地雷达得以在美国推出，它就是美国GSSI公司生产的SIR系列探地雷达的前身。
它用电磁波为地质勘察服务，为勘察方法起到了革命性的推动作用。
注释：不要使用Windex或其它脱氨的玻璃清洁器来清洁显示屏，因为这会损坏涂层。
只需使用一个清洁的、轻微潮湿的布来轻柔地擦洗屏幕.位于该部件前部的电池槽接收10.8伏的锂离子可充电电池。
完全充电电池的测量时间近似为3小时。
电池是可以再充电的,方法是采用任选的电池充电器来充电,或通过简单地把电池留在该部件内，把该部件与标准交流源连接起来，然后把系统放在备用模式下进行。
给一个电池再充电的时间近似为4 到5小时。
务必保持电池槽遮盖在该部件上，在使用中保证没有灰尘或污垢进入该部件内部。
2.探测原理H=vf3。
硬件连接在该部件的背部,SIR-3000有六个连接器和一个用于记忆卡的槽.顶排五个连接器从左到右依次是:交流电源，串行输入/输出（RS232)，以太网，USB-B，USB-A。
注:如果你没有使用测量轮的话,用户标记对记录所通过的距离是有帮助的。
对记录诸如圆柱，树，凹坑等障碍物的位置来说，用户标记也是有帮助的。
3. 启动和屏幕显示第一个是TerraSIRch。
用TerraSIRch模式可以对所有数据采集参数进行完全控制。
QuickStart 引导是对每个其他模式都有用的.按TerraSIRch按钮。
过一会儿，你将看到屏幕被分成了三个窗口,并且有一个条运行穿过屏幕底部,该条带有上面六个功能键的命令。
最新地质雷达使用讲义
精品资料地质雷达使用讲义........................................摘要: 针对铁路隧道施工中可能出现的质量问题,利用地质雷达技术进行隧道工程质量检测。
针对铁路隧道,给出地质雷达在无损检测应用中的工作方法,包括测线布置、采集参数设定、现场检测和后期资料处理解释。
通过对现场数据处理分析,可以精确探测衬砌厚度,确定钢筋及格栅钢架的分布位置及数量,查明衬砌背后特别是拱顶存在的空洞和回填不密实区域。
使用地质雷达对隧道混凝土衬砌结构进行检测,实践证明技术方法是切实可行的前言地质雷达法以其无损性、高效率、高分辨率等优点,正逐渐成为地下隐蔽工程调查的一种有力工具,现已广泛应用于工程地质勘察、建筑结构调查、无损检测、水文地质调查、生态环境等众多领域。
随着交通事业的发展,隧道的大量建设,隧道病害也屡见不鲜。
应用地质雷达检测隧道衬砌,在铁路、公路部门中已经普遍展开。
应用地质雷达进行隧道衬砌检测已有很多研究。
检测内容主要包括:隧道衬砌的厚度、隧道衬砌背后回填物的密实状态、隧道衬砌背后与围岩的脱空区域、围岩的状态及其地下水向隧道侵入的通路等方面。
由于高频电磁波在介质中的高衰减性,使得该方法的应用受到一定的限制。
地质雷达的检测效果不仅与地质雷达本身的技术,还与较多影响因素相关,因而使得实际工程中很多检测效果并没有达到预期的目的。
因此,有必要分析影响应用地质雷达技术检测效果的主要因素,解决地质雷达在隧道检测中的有关技术问题,以便进一步提高检测水平。
1．地质雷达检测隧道衬砌目的隧道衬砌的质量检测主要包括:①隧道衬砌厚度，②隧道衬砌背后未回填的空区，③复合式衬砌中两层衬砌间较大的空段，④施工时坍方位置及坍方的处理情况，⑤衬砌混凝土回填密实度。
有时还可检测围岩中地下水向隧道侵入的位置。
近几年来采用探地雷达来做主要检测手段的越来越多。
这是由于与其它方法相比，作为沿测线作扫描检测的探地雷达工作效率较高。
地质雷达.
隧道支护质量检测---400兆天线
30×30×17cm
隧道支护质量检测---900兆天线
33×20×8cm
隧道支护质量检测---钢筋
钢筋网模拟图
地质雷达天线水泥板测试图
钢筋网实测图
隧道支护结构---地质雷达模拟图
GPR-SIM软件
反 射 系 数 变 化
隧道支护质量检测---界面(超挖欠挖)
第四章 初期支护质量检测 第三节 地质雷达在隧道中的应用
地质雷达在隧道中应用
支护 （衬砌）
厚度
背部的 回填密 实度
钢筋、钢 架分布
岩溶探测
掌子面 超前预
报
地质雷达法的原理
地质雷达法是一种用于确定地下介质分布的光谱(1MHz～1GHz) 电磁技术。地质雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一 个天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时， 其路径、电磁强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而 变化。可根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资 料，可推断介质的结构。
高速铁路客运专线 隧道衬砌质量无损检测规程.pdf
实际上，雷达波之所以在物体界面产生反射，是因为界 面两侧的介电常数不同
隧道支护质量检测---地质雷达仪器
低频天线探测距离长、
GSSI公司地质雷达： 精度低，高频天线探测
SIR-20主机 SIR-3000主机
精度高、距离短。 地质雷达配有的有50
实测时将雷达的发射和接收天线密贴于喷层表 面，雷达波通过天线进人混凝土衬砌中，遇到钢 筋、钢拱架、材质有差别的混凝土、混凝土中间 的不连续面、混凝土与空气分界面、混凝土与岩 石分界面、岩石中的裂面等产生反射，接收天线 接收到反射波，测出反射波的入射、反射双向走 时，就可计算出反射波走过的路程长度，从而求 出天线距反射面的即离D，即有下式:
地质雷达课程设计
地质雷达课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解地质雷达的工作原理，掌握其构造和操作方法。
2. 学生能够运用地质雷达进行地下结构探测，识别常见地质体的雷达图像特征。
3. 学生能够掌握地质雷达数据处理和分析的基本方法，解释探测结果。
技能目标：1. 学生能够操作地质雷达设备，进行实际探测并获取有效数据。
2. 学生能够运用专业软件对地质雷达数据进行处理和分析，绘制雷达图像。
3. 学生能够通过实际案例，分析地质雷达在工程地质、灾害防治等领域中的应用。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对地质学及探测技术的兴趣，提高科学探究精神。
2. 学生认识到地质雷达在国民经济建设和国土资源保护中的重要作用，增强社会责任感和使命感。
3. 学生通过合作学习，培养团队协作能力和沟通能力，提高解决问题的信心。
课程性质：本课程为地质学相关专业的实践课程，结合理论知识，培养学生的实际操作能力和地质雷达探测技能。
学生特点：学生具备一定的地质学基础知识，对探测技术有一定了解，但实际操作经验不足。
教学要求：结合学生特点，注重实践操作，强化理论知识与实际应用的结合，提高学生的综合能力。
通过本课程的学习，使学生能够独立完成地质雷达的探测任务，为今后的工作打下坚实基础。
二、教学内容1. 地质雷达原理与构造- 地质雷达的基本原理- 地质雷达的构造与功能- 地质雷达的类型及适用场景2. 地质雷达操作与探测- 地质雷达设备的操作方法- 地质雷达探测数据的获取与记录- 探测现场的设备布局与安全防护3. 雷达数据处理与分析- 地质雷达数据处理的基本流程- 雷达图像的识别与解读- 地质雷达探测成果的编制与评价4. 地质雷达应用案例- 地质雷达在工程地质中的应用- 地质雷达在灾害防治领域的应用- 地质雷达在其他领域的拓展应用5. 实践教学与操作演练- 实地操作地质雷达设备进行探测- 雷达数据处理与分析软件的使用- 实践报告的撰写与成果交流教学内容安排与进度：第一周：地质雷达原理与构造学习第二周：地质雷达操作与探测方法学习第三周：雷达数据处理与分析方法学习第四周：地质雷达应用案例分析与讨论第五周：实践教学与操作演练教材关联：教学内容与《地质勘探技术》教材中第四章“地质雷达探测技术”相关章节紧密关联，确保教学内容的科学性和系统性。
美国GSSI地质雷达隧道超前预报介绍与资料处理
美国地质雷达隧道超前预报工作介绍目前我们国家地下隧道建设工作量大，地质条件复杂，有灰岩地区、花岗岩地区、黄土高原、第四季覆盖等等。
隧道开挖中常常遇到岩溶发育、出现大的空洞，充水或者充泥，有时地下暗河发育；也会遇到构造带，或者岩石破碎，同时地下水发育，这给隧道开挖和建设造成很多困难，同时也给隧道运营造成一定的隐患。
因此需要采用一定的手段对这些地质构造和地质灾害进行探测和预报，提前采取措施来排除灾害。
工作任务为了能够探明隧道开挖面(俗称"掌子面")前方的地质构造，通常采用多种方法进行综合分析、探测、预报。
常见的方法有：地质分析，地球物理探测(声波法、直流电法、电磁波方法)，钻孔方法，或者超前导洞等等。
采用各种地球物理方法进行探测，分别给出探测结果，综合地质构造情况，进行综合解释，给出掌子面前方的地质构造和可能的地质灾害信息。
探测前提条件隧道开挖中遇到的地下材料或者介质，主要有石灰岩、花岗岩、大理岩、砂岩、第四季覆盖、沙土、黄土，还有地下水、空洞等等。
由于这些材料的物理性质有很多种，比如密度、导电率、介电常数、磁导率等等。
声波超前预报。
由于密度不同、声波传播速度不同，可以采用声波法进行探测，出现了地震波超前预报。
直流电法超前预报。
根据导电率的差异采用直流电法，预报掌子面前方材料的导电率差异，尤其是含盐份的地下水表现为良导体、而空气为高阻体；地质雷达预报。
根据导电率、介电常数、磁导率的差异，采用地质雷达高频电磁波方法进行探测，获取掌子面前方材料的介电常数差异信息，瞬变电磁预报。
由于岩石、土壤、水、空气的电磁响应不同，采用瞬变电磁方法探测材料的差异。
目前这4种方法在隧道超前预报中都有使用，尤其是地质雷达超前预报方法得到了普遍使用，利用地质雷达方法在隧道掌子面上进行探测，对隧道开挖超前预报，下面介绍这部分内容。
探测仪器地质雷达方法通常采用高频电磁波发射法工作，频带范围为几兆赫兹到几千兆赫兹，不同的频率探测深度不同，低频电磁波探测深度较大，因而出现了不同中心频率的天线，商业地质雷达通常采用窄脉冲宽频带电磁波信号工作，一般情况下100兆天线在土壤、破碎的岩石、基岩上探测深度范围从几米到十几米甚至30米左右。
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发射波
第一层 第二层
第三层
5
散射
图 2.3: 信号发射与数据采集
界面示意
雷达成图原理
水平地层探测图象
倾斜地层探测图象
地层分界面雷达波反射波形
点源散射
传播参数公式
介电常数表
介电常数-传播速度
雷达波的传播
•几何扩散； •散射； •能量转换； •反射；
地面偶合:原始资料
能量耦合效应
雷达波信号采样方法
Pulse Reception
Only process data from a window of time:
Voltage
Sample Time
Pulse Receptቤተ መጻሕፍቲ ባይዱon Window
Pulse Transmission Rate
Analog On Sampling On
GSSI-地质雷达
SIR-20高速地质透视雷达
SIR-3000 便携式地质雷达
SIR 地面耦合天线
地质雷达的原理
• 地质雷达主机与天线 • 地质雷达工作原理
• 地质雷达系统探测系统 • 地质雷达系统的采样机制 • 地质雷达成图原理
GPR探测系统
1
主机
2
7
发射天线 入射波 4
3
接收天线
6 Reflected pulses
• 最小间隔：1/4波长,波长可以利用天线的中心频 率f 、电磁波在介质中的传播速度Vm计算出来
不同频率天线探测地层分界面
水平分辨率
Fs =2[(Z+λ/4)2-Z2]1/2 =2(λ2/2+λ2/16)1/2 ≈(2λZ)1/2 ≈V(tΔt)1/2
电磁波能量传播图FOOTPRINT
脉冲波
地质雷达探测的有效深度
• 地质雷达探测目标体能力的相关因素：
• 目标体的性质 • 能量在传播过程中的损失 • 发射功率 • 天线的中心频率
地质雷达方法探测深度
天线探测深度与应用
模糊区
电磁波能量传播图
垂直分辨率
– 垂直分辨率：能够分辨的两个物体在垂直方 向上的最小间隔。
• 频率越高，脉冲时间越短，分辨率越高；探测深 度越浅。