地质雷达原理及应用

雷达的分辨率：
注意：雷达天线是宽频的，它有各种频率成分，因此用800兆天线达到2.1厘米的 分辨率是可能的！不要过分拘泥于理论细节，电磁波太复杂！
四、电磁波速度的确定
当有反射体存在时，雷达只记录电磁波走的时间。为了准确了解反射体的埋深，我们 必须知道电磁波在该介质中的传播速度。
确定电磁波速度有以下方法: 1. 使用标准速度 2. 通过已知深度的目标体进行校正 3. 双曲线拟合 4. 偏移处理 5. 共中心点探测 6. 实验室方法
屏蔽天线的内部结构
电特性
反射系数: • 电磁波反射是由地下土壤中电阻抗的变化 产生的。 • 对GPR 频率范围，地下介质的阻抗变化 主要由相对介电常数的变化决定的。
z1 1
z2 2
( z 2 z1 ) r ( z 2 z1 )
j j
此处: z1 = 第 1层的阻抗 z2 = 第2层的阻抗 r = 反射系数
其衰减的速度非常快，这构成了雷达应用的主要障碍，即探测 的深度有限。电磁波的电场强度随着距离的衰减规律是：
E E0e
数的减小而增大。
趋肤深度
r
其中为 r 介质的吸收系数，它随电导率的增大和介电常

2

探地雷达是如何工作的？
• 发射天线发射电磁波穿透地下介质
• 穿透深度取决于介质的介电常数和电导率 • 记录反射时间 • 介质中电磁波速度一般在 50 - 150 m/µs • 工作模式: 反射（多数情况下使用） 透射（层析成像、雷达CT,钻孔雷达或对穿探测）
周期 1
重复采样原理（取样示波） 2
3
发射机发射的信号
4 5 6
脉冲重复频率！
7 8 1 2 3
接收机接收的信号
4 5 6
每一个采样周期，发射机都发射一个完整的 脉冲信号，接收机记录其中一个点的信号
7 8 [t]
采样频率：最好大于天线中心频率的10倍（一定不要小于6倍）， 一般达到20倍就足够了，再增加采样频率信号也不会改善。
探地雷达是如何工作的？
• 发射天线发射电磁波穿透地下介质
• 穿透深度取决于介质的介电常数和电导率 • 记录反射时间 • 介质中电磁波速度一般在 50 - 150 m/µs • 工作模式: 反射（多数情况下使用） 透射（层析成像、雷达CT,钻孔雷达或对穿探测）
GPR 工作方法 – 反射
• 雷达探测的95% 是用偶极反射模式
二、地下介质的电特性
电特性
• 要探测的介质的电特性, 决定雷达方法是否适用。 • 在用雷达进行地质勘探时, 水是决定电特性的最主要的因素。
• 电导率 (穿透深度…) • 相对介电常数 (对比度, 信号速度, ―足印”…) • 水 (与上面参数有关)
电特性
传导电流: • Jc = s E • s = 电导率(S/m) • s = 1/r (电阻率, W m)
时间窗/样点数：时间窗根据你准备探测的深度确定，最好比你期望 的探测深度大30%。要增大时间窗，最好的办法是增加 样点数，尽量不要降低采样频率。
信号位置/直达波：一般把直达波的起始位置调到30个样点处（通常 自动搜索就够了，不行的话手动调整）
电磁波的传播路径
X
发射机
空气波
接收机
地下直达波 土壤 (εr,σ) 反射波
被设臵在某一固定位臵的接收天线（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。
图1 地质雷达探测原理示意图
4H x 2 t 2 2 v v
2
2
t 4z x
2
2
v
图中T为发射天线, R为接收天线, 两者间距为X, H 为反射点的埋深。波从T出发, 按几何光学原理经。 返回地面到达 的时间为。设电磁波在介质中的传播 速度为。由简单的几何关系可得出
1. 使用标准速度
材料 空气 水 干沙 饱含水的沙 石灰岩 页岩 淤泥 粘土 花岗岩 混凝土 冰 速度 (m/us) 300 33 150 60 110 90 70 60 130 110 160
中心频率, fc = fl + fh – fl B 2
通常用%表示
分数带宽:
脉冲宽度, W = 1 B
fc
带宽和中心频率决定了探测的效果
下面的例子可以看出带宽的重要性
带宽低的雷达图像被称为“烟圈（震荡）”
天线的方向性在实际使用中的影响：
RTA天线：收发天线顺向排列，
对极浅部物体无法探测。 平行排列天线： 沿X方向移动（屏蔽天线一般 这样用），得到的信息多； 沿Y方向移动：可以更好地穿 透钢筋网，结果可能会好些
地质雷达理论及应用
1904年，德国的Hulsemeyer首次尝试用电磁波信号来探测远 距离地面金属体，这便是探地雷达的雏形。1910年，G.Letmbach 和H.Lowy在一项德国专利中指出，用埋设在一组钻孔中的偶极天 线探测地下相对高导电性的区域，正式提出了探地雷达的概念。 1926年，德国的Httlsenberg第一个提出应用脉冲技术确定地下结 构的思路，并指出电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生 反射，这个结论也成为了探地雷达研究领域的一条基本理论依据。 1929年Stern进行地质雷达的首次实际应用，他用无线电干涉法测 量冰川的厚度。cook在1960年用脉冲雷达在矿井中做了试验。但 是地下介质比空气对电磁波有更强的衰减特性，其传播规律比在 空气中也要复杂的多，而早期地质雷达频率一般比较低，应用仅 局限于对电磁波吸收很弱的诸如冰层、岩盐等介质中。 随着现代应用电子技术的高速发展和人们对电磁波认识进一 步加深，地质雷达的应用范围从低耗散介质扩展到土层、岩层、 混凝土等有耗散介质中，例如：地质勘查、考古、无损检测、管 线探测以及建筑结构调查等。
t 4H x / v
2 2
当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走
时t，由公式求得目标体的深度H。式中x值即收发距，在剖
面测量中是固定的；v值可用宽角法直接测量，也可以根据 近似计算公式计算：
v
c
r
c为光速；
r 为地下介质的相对介电常数。
常见介质的
介质 水 空气 雪（湿） 石灰岩
No E-field No E-field E-field applied
• 电导率是一个物体传导电流的能力（或电荷在介质中流动 的难易程度。 • 如: - 电子在金属板内 - 水中离子的移动
电特性
GPR信号的穿透深度 与土壤的导电率有关 (低致金属目标体):
120 35 100 30
Depth (feet)
' 和
V
电磁波速度V（m/ns) 0.033 0.3 0 .09—0.15 0.11(0.12)
相对介电常数 ' 81 1 4—12 7(6)
土壤(干)
土壤（含水20%） 冰
4(3—5)
10(4—40) 3.2
0.15(0.13—0.18)
0.095(0.05—0.15) 0.17
铜或铁
1
----
• 相对介电常数的值表示将介质中电荷分开的力。 • 如: - 分子偶极子的移动 一些分子的特性 - 金属物体中的电荷 嵌在周围环境内
电特性
相对介电常数和 GPR 信号速度的关系:
v = 介质中GPR 信号的速度 c = 光速 er = 相对介电常数
电特性
相对介电常数和―足印”的关系: ―足印” 定义为探测的 “有效区域 ”
80 60 40 20 0 1 10 20 30 40 50 60 70 81 相对介电常数
三、探地雷达常用词汇的含义
样点数、采样频率、时间窗
（以实时采样为例）
振幅 时间窗 Δt
[t]
[t]
原始信号 采集后复制的信号
Δt 采样周期
时间窗 = 样点数 * Δt 采样频率 =
1
Δt
为什么雷达不是实时采样?
D
目标物
实际雷达图像的直达波
直达波 反射目标体 杂波
单道波形
叠加次数：叠加是通过平均来提高信噪比，噪声水平是叠加次数 平方根的倒数。 两种叠加方式：样点叠加（在点测时使用），优点是采集 时天线不动，效果好；道叠加（时间和距离采集时使用） 优点是方便。
采集模式：测距轮（距离）：最常用方式，结果解释准确可靠 时间：当无法沿确定测线探测时，如果GPS信号有， 可以采用。 键盘（点测）：低频天线做深部探测采用，叠加可以很高
个天线接受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、电磁场强度与波形将随所通过介质的电 性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间 （亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断地下介质的 分布情况。
一、基本原理
地质雷达属于高频电磁波，工作原理是基于电磁波的反
射原理。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
非屏蔽天线可应用于：基岩 探测、地质分层、岩熔及空 洞探测、湖(河)底形态调查、 隧道超前探测、坝体深部探 测、古墓及其它未知物探测、 冰川调查、滑坡调查等土木 建筑、地质学及水文地质学 方面。
探地雷达（Ground Penetrating Radar ）是一种高科
技的地球物理探测仪器，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。 探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一
• 从原理上将，GPR 类似于声纳设备 • 发射机发射一 “列”电磁脉冲， 该脉冲在介质中传播 • 在地下介质的电特性有变化的地方 发生反射(即散射) • 接收机拾取“背散射”信号，记录它 并将其显示在计算机屏幕中