探地雷达工作原理图
探地雷达基本原理课件
电磁波衰减与散射
电磁波在传播过程中会发生衰减和散 射，与介质性质、频率等因素有关。
电磁波在不同介质中传播速度不同， 遵循折射、反射、透射等定律。
天线辐射与接收原理
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天线基本概念
天线是探地雷达系统中用 于辐射和接收电磁波的装 置，具有方向性和增益等 特性。
天线辐射原理
天线通过电流激励将电磁 波辐射到空间中，辐射效 率与天线结构、工作频率 等因素有关。
图像增强与识别技术
图像预处理
包括去噪、平滑、对比 度增强等操作，改善图
像质量。
特征提取
提取图像中的边缘、纹 理、形状等特征，用于
目标识别和分类。
图像分割
将图像划分为具有相似 特性的区域，便于后续
分析和解释。
模式识别
利用机器学习、深度学 习等技术，对图像中的 目标进行自动识别和分
类。
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探地雷达性能评价指标
直接观察反射波形的形状、幅度和到达时间，进行目标识别和定 位。
相关处理
利用发射信号与接收信号之间的相关性，增强目标反射信号，提 高信噪比。
频域信号处理技术
傅里叶变换
将时域信号转换为频域信号，便于分析不同频率 成分的特性。
频谱分析
研究信号的频率分布，识别不同地层的频谱特征 。
反演技术
基于频域数据，通过反演算法重建地下结构图像 。
确保发射和接收的同步性 ，避免信号失真和干扰。
天线类型及性能分析
偶极子天线
结构简单，方向性较好，适用于 浅层探测。
喇叭天线
具有较宽的波束宽度和较高的增 益，适用于深层探测。
阵列天线
通过多个天线单元的组合实现波 束合成和扫描，提高探测分辨率
RIS-地质雷达
RIS-地质雷达RIS探地雷达一、概述博泰克RIS探地雷达在兼具了传统探地雷达各项优点的同时，增添了高灵敏度、高分辨率的天线阵，使浅层和深层探测一次完成，实现了三维立体探测，大大提高了工作效率，具有数据采集完整、快速、低误差等特点。
适用于公路路面、隧道衬砌质量的检测、桥梁结构检测、路基检测、管线探测、岩性分析和条件恶劣场地的应用。
使用博泰克RIS天线阵雷达进行公路和隧道检测如图8-1所示。
图8-1 RIS探地雷达二、RIS K2主机技术参数1、扫描速度： 850扫/秒2、脉冲重复频率：400KHz3、时窗： 9999 nsec4、采样点数： 128-81925、叠加数： 1-327686、分辨率： 5psec7、工作温度：－10～50℃8、A/D转换： 16bit9、工作环境标准： IP6510、动态范围： >160dB11、信噪比： >160dB12、可连接8对天线同时测量13、尺寸：22x17x5.5cm，重量：1.2kg现场测量开始前应该对雷达的采集参数进行设定，这一工作最好在进入现场前在室内完成，进入现场后可根据情况略加调整。
参数设定的内容包括时间窗口大小、扫描样点数、每秒扫描数、Ａ／Ｄ转换位数、增益点数等内容。
参数设置的是否合理影响到记录数据的质量，至关重要。
★探测深度与时窗长度探测深度的选取是头等重要的，既不要选得太小丢掉重要数据，也不要选得太大降低垂向分辨率。
一般选取探测深度H为目标深度的1.5倍。
根据探测深度H和介电常数ε确定采样时窗长度（Range/ns）：Range= 2H(ε)1/2/0.3(ns)= 6.6 H(ε)1/2(ns)例如对于地层岩性为含水砂层时，介电常数为25，探测深度为3m时，时窗长度应选为100ns，时窗选择略有富余，宁大勿小。
★A/D采样分辨率：雷达的A/D转换有8Bit、16Bit、24Bit可供选用。
选择24Bit动态大，强弱反射信号都能记录下来，探测深度大、时窗长时采用。
三维探地雷达图谱识别技术在城市道路塌陷隐患检测中的应用
三维探地雷达图谱识别技术在城市道路塌陷隐患检测中的应用摘要：城市地下病害体诱发的塌陷事故频繁发生，造成巨大的经济损失和不良社会影响。
地下病害体具有隐蔽性、突发性、难以提前预测等特点，为了提前发现、及时处置地下病害体，传统的路面结构病害检测属于破损性检测，耗费人力多、周期长、恢复交通慢。
本文应用三维雷达在检测路段的检测结果，分析三维雷达检测图谱中特征波形对应的病害类型，发现探地雷达方法对道路浅层隐蔽性病害体识别应用效果好，为相关部门制定针对性的处理措施提供依据和城市道路安全运行提供有力支撑。
1 探测方法技术地质雷达（GPR）是通过发射天线向探测体内发射电磁波，利用接收天线接收来自目标体界面的反射波（图1）。
根据电磁波传播理论，电磁波在穿过层状介质时，遇到上下不同介质层，电磁波产生折射与反射，由接收天线接收介质反射的回波信息，经计算机对接收的信号及信息进行分析处理。
电磁波在介质传播过程中，其传播速度V主要是由介质的介电常数决定，当碰到与周围介电常数不同的目标体边界时，将产生反射波，并由接收天线接收，从而达到探测目的。
图1 探地雷达原理示意图2 数据处理、解译为突出有效波，提高雷达记录的信噪比和分辨率，提供和显示记录中包含的与地下目标体的位置、形态、结构和属性等有关的信息，通常采用的数据处理方法有：去除直达波、时间滤波、背景去除、时间增益、通过对处理后的雷达数据体进行针对性的切割，即可得到地下异常体或目标体的轮廓、位置等多种地下信息，取得可靠的检测成果。
3 地下病害体分类及地质雷达图谱特征地下病害体主要有脱空、空洞、疏松体和富水体等类型，不同的地下病害在地质雷达剖面上有不同的特征，具体图谱特征见表1。
表1地下病害体的地质雷达图谱特征（1）正常路面基层的标准雷达异常图像由于路面为层状结构，每一层铺筑的材料具有一定的介电性差异，因此，对于正常路面基层的雷达异常图像的波相同相轴或色谱图将呈现为近水平线型展布，每一层内的信号强度基本一致，反映在图像上无明显变化。
探地雷达
图 2.4.44 1#管线地表剖面雷达图像
结束
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（2.4-31）
* * n 2 2 / 1 1 。 其中 n 表示折射率，
结束
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下面讨论不同入射角时， 反射系数 R12 与折射系数 T12 的变化规律。 1 ． i 0 ， 即 垂 直 向 射 ， 此 时
R12 (1 n) /(1 n); T12 2 /(1 n) 。当 n 1 时， R12
结束
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2．宽角法或共中心点法
t
2
x2 v
2
4h 2 v2
（2.4-36）
利用宽角法或共中心点法测量所得到的地下 界面反射波双程走时 t ，由公式（2.4-36）就可求得 到地层的电磁波速度。
结束
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4.5.2.2 探地雷达的技术参数 1．分辨率 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。 （1） 垂向分辨率
足 1，于是可得
v
c
r
（2.4-28）
式中 c 为真空中电磁波传播速度， c 0.3m/ns; r 为相 对介电常数。上式表明对大多数非导电、非磁性介 质来说，其电磁波传播速度 主要取决于介质的介 电常数。
结束
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2．电磁波在介质中的吸收特性 吸收系数 决定了场强在传播过程中的衰减速率， 探地雷达工作频率高， 在地下介质中以位移电流为 主，即 / 1 ，这时 的近似值为
结束
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4.5.3 探地雷达的数据处理与资料解释
4.5.3.1 探地雷达的数据处理
数字记录的探地雷达数据类似于反射地 震数据，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料 的处理。
大穿透深度地质雷达、探地雷达
⼤穿透深度地质雷达、探地雷达100m⼤穿透深度地质雷达COBRA Plug-in ⼀、前⾔常⽤的地质雷达探测深度⼀般在10-15⽶以内，要增加探测深度必须采⽤低频天线，然⽽它⼜使屏蔽发⽣困难，限制了低频天线的应⽤领域。
为此，瑞典RADARTEM公司研发和⽣产了⼤穿透深度Cobra plug-In地质雷达，该系统采⽤先进的实时采样技术，使信噪⽐提⾼45dB，勘探深度增加⼀倍以上，采⽤具有强烈抗⼲扰能⼒的、半屏蔽技术的收发⼀体天线，进⼀步保障了最⼤勘探深度，勘探深度0-100m，在北京和厦门地区的应⽤结果表明，在很强⼲扰地区仍可获得⼗分可靠的探测结果。
此外该公司研发的双通道、双天线CobraWifi地质雷达具有极⾼的分辨率和极强的抗⼲扰能⼒，探测深度0-10m。
⼆、原理简介地质雷达探测的⼯作原理,简单地说是通过特定仪器向地下发送脉冲形式的⾼频、甚⾼频电磁波。
电磁波在介质中传播,当遇到存在电性差异的地下⽬标体,如空洞、分界⾯等时,电磁波便发⽣反射,返回地⾯⽤接收天线接收，并对接收数据进⾏处理和分析,根据接收到的雷达波形、强度、双程时间等参数便可推断地下⽬标体的空间位置、结构、电性及⼏何形态,从⽽达到对地下隐蔽⽬标物的探测(如图1 所⽰) ，可以⾮常安全和⽅便地⽤于很多领域,并具有很⾼的探测精度和分辨率。
图1 探地雷达⼯作原理⽰意图图1 中T 为发射天线, R 为接收天线,电磁波在地下介质中遇到⽬标体和基岩时发⽣反射, 信号返回地⾯由天线R 接收并记录再通过主机的回放处理,就可以得到雷达记录的回波记录(如图2 所⽰) 。
图2 探地雷达回波记录⽰意图图2 中横坐标的单位为m ,横轴代表地表⾯的探测距离,纵坐标代表电磁波从发射到遇见地下⽬标体或基岩时反射回地⾯并被仪器接收所需要的时间t。
，即双程反射时间t，按下式算出⽬标体的埋藏深度：其中, t 为⽬标层雷达波的双程反射时间; c 为雷达波在真空中的传播速度(0. 3 m/ ns) ; εr 为⽬标层以上介质的相对介电常数均值。
地质雷达介绍
D h/2
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2. 探地雷达探测的设计
每接受一个探地雷达测量任务都需要对目的体特性与所 处环境进行分析，以确定探地雷达测量能否取得预测效果。
(1)目的体深度是一个非常重要的问题。如果目的体深度 超出雷达系统探测距离的50％，那么探地雷达方法就要被 排除。雷达系统探测距离可根据雷达探距方程进行计算。
满足Qs+Q>0的距离 ，称为探地雷达的探测距离，亦 即处在距离 r 范围内的目的体的反射信号可以为雷达 系统所探测。
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1.2 探测距离
与选用的天线频率、地下介质的相对介电常数、电导率相关
对于铜、铁等良导电媒介质，其电导率σ 很大，衰减常 数β 也很大，因此，电磁波在良导电媒质中传播时，场 矢量的衰减很快，电磁波只能透入良导体表面的薄层内 （电磁波只能在导体以外的空间或电介质中传播），这 种现象称为趋肤效应。电磁波透入导体内的深度称为穿
粘土
5-40
花岗岩 4-6
岩盐
5-6
冰
3-4
金属
300
PVC材料 3.3
2-1000 0.01-1 0.01-1 0.01 1010 1.34
0.06 0.13 0.13 0.16 0.017 0.16
1-300 0.01-1 0.01-1 0.01 108 0.14
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工程物探专题----地质雷达
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1．电磁波在介质中的传播速度
探地雷达测量的是地下界面的反射波的走时，为了获取地 下界面的深度，必须要有介质的电磁波传播速度 v ，其值为
v [ ( 1 ( )2 1)]1/ 2
声波探测技术和地质雷达检测
2、声波的传播规律
二、声波的反射、透射和折射
斯奈尔定律： sin1sin2sirn 1sirn2
VP1 VP2 Vs1 Vs2
P0
γ1
θ
θ1
S1 P1
γ2 θ2 P2
S2
2、声波的传播规律
二、声波的反射、透射和折射
入射角和折射角的关系
sin VP1 sin 2 VP2
临界角
sin VP0 VP2
发射天线
接收天线
直达波
目标体 反射波
4.方法原理
• 超高频电磁波（10MHz－5000MHz） • 由于地下介质往往具有不同的物理特性，如介质的介电
性、导电性及导磁性差异，因而对电磁波具有不同的波 阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下各地层或管线等目 标体时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的 界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲其 传播路径、电磁波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，从接收到的雷达反射回波 走时、幅度及波形资料，可以推断地下介质或管线的埋 深与类型。
3 结构工程： 3）混凝土裂缝检x1 cos d 2 a2 x22 2ax2 cos
5、声波探测技术应用的应用
3 结构工程： 3）混凝土裂缝检测 贯穿裂隙的探测
5、声波探测技术应用的应用 3 结构工程： 4）深孔法混凝土裂缝检测
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地质雷达检测
1.什么是雷达
RAdio Detection And Ranging
（无线电探向和测距）
利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波 对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电 磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方 位、高度等信息。
雷达最初是用于军事目的， 探测空中目标体
探地雷达方法原理简介
Examples of continuous data acquisition at speed of 3.5km/h (top left fig.),7km/h(top right), 14km/h(bottom left), and 28km/h(bottom right) respectively.
SIR-20 Radar console (GSSI)
GSSI探地雷达3000型
400MHZ屏蔽天线
4、国外其它系列探地雷达系统
SPR scan radar system(ERA Technology,U.K.)
Seeker SPR 探地雷达系统 其前身是英国ERA航空电子 工程公司开发研制，能探测 非金属塑胶地雷。现由美国
SUBECHO-350 (300MHz 机载)
SUBECபைடு நூலகம்O-350 (300MHz ） 空气耦合天线
二、发展历史及现状
电磁学发展过程简介：
1785年，库仑研究电荷之间的相互作用； 1786年，伽伐尼发现了电流； 1820年，奥斯特发现了电流的磁效应； 1831年， 法拉第发现电磁感应现象； 1864年， 麦克斯韦总结出了麦克斯韦方程组，提出
了光的电磁理论，并预言了电磁波的存在。 1888年， 赫兹证实了电磁波的存在。
US Radar/Subsurface Imaging Systems公司进一 步开发研究。 天线主频：2G，1G，500M, 250M系列天线。 系统动态范围：>130dB 时间窗范围：6.3~820 ns.
Groundvue 5（2～6G)
Groundvue 6(15M)
英国UTSI ELECTRONICS 公司 Groundvue系列
1970～1980：GSSI, SSI等国际著名的探地雷达开发与