探地雷达方法原理简介
地质雷达检测原理及应用
1.5 地质雷达探测系统的组成
从左到右从上到下依次为： SIR-20主机、电缆、400M 天线、电池和充电器、打标 器、测距轮
1.6 地质雷达天线分类
空气耦合天线：主要用于道 路路面检测（具有快速便捷 的特点，但受到的干扰较 大）；
地面耦合天线：主要用于地 质构造检测，检测深度较深 （地面耦合天线能够减少天 线与地面间其他因素的干扰， 检测效果较为准确）
2.2 现场检测工作 2.2.1 仪器设备启动与参数设置 ① 连接主机与电源和天线 ② 打开主机电脑，进入采集软件 ③ 采集方式：时间模式time（也称为连续测量、自由测量）、距离模式
distance（也称为测距轮控制测量、距离测量）、点测模式point ④ 采集关键参数 （1）频率：发射天线的中心频率越高，则分辨率越高，
与探空雷达一样，探地雷达利用超高频电磁波的反射来探测目标体，根 据接收到的反射波的旅行时间、幅度与波形资料，推断地下介质的结构与分 布。
1.2 地质雷达的工作频段
1~100MHz, 低频，地质探测1-30米 100~1000MHz，中频，构造结构探测，2米 1000~5000MHz，高频, 浅表结构体探测， 50厘米
反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越大，反射 信号越强
（7世界中粒子呈无序排列的 状态，当外界电磁波穿透该 物质时，微观世界中的粒子 就会成定向排列状态，此时 会形成一个电容板，对外界 穿过的电磁波形成一定的阻 碍作用，而每种物质粒子的 排列规律不同，形成电容板 时阻碍外界电磁波穿过的能 力不同，因此各种物质的介 电常数也不同
（9）在“表格”窗口中点“剖面”选项，设置起始里程，如果里程向右减小，选中 “区域减量”。
三、地质雷达典型缺陷图形判定
探地雷达原理
探地雷达原理
探地雷达是一种利用电磁波进行地下勘察的仪器，它可以通过电磁波的反射来
获取地下物体的信息。
探地雷达的原理主要包括电磁波的发射、传播和接收三个过程。
首先，探地雷达通过天线向地下发射一定频率的电磁波。
这些电磁波在传播过
程中会遇到地下不同介质的边界，如土壤、岩石、水等，从而发生反射、折射和透射等现象。
这些现象会使地下物体对电磁波产生不同的响应，形成回波信号。
其次，探地雷达的天线会接收这些回波信号，并将其转化成电信号。
这些电信
号经过处理后，可以得到地下物体的位置、形状和性质等信息。
通过分析这些信息，可以对地下的结构进行识别和勘察。
探地雷达的原理基于电磁波在不同介质中的传播特性，利用电磁波与地下物体
之间的相互作用来获取地下信息。
它可以应用于地质勘探、建筑勘测、文物探测、水文地质勘察等领域，具有非破坏性、高分辨率、快速获取信息等优点。
总的来说，探地雷达的原理是基于电磁波与地下物体的相互作用，通过发射、
传播和接收电磁波来获取地下信息。
它在地下勘察领域具有重要的应用价值，为人类认识地下世界、保护文物、开发资源等提供了重要手段。
探地雷达原理
垂直极化波（电场矢量垂直入射面）在界面的 反射与折射： 电磁波在跨越介质交界面时， 紧靠界面两侧的电场 强度和磁场强度的切向分量分别相等，则得
Ei E r Et H i cos i H r cos r H t cos t
（2.4-30）
令 R12
E r / E i , T12 E t / E i
（2）多次覆盖
应用不同天线距的发射——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。
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 ，由公式（2.4-36）就可求得 到地层的电磁波速度。
特点：在主剖面中，电场和发射天线（偶极子轴） 方向平行， 而磁场与圆心位于原点的同心圆的切线 方向一致。
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
[ ( 1 ( ) 2 1)] 1 / 2 2
4.5.1.1 电偶极源的电磁场
1、 均匀介质中的电磁场
水平电偶极子源在主剖面中的辐射场为
2 p e ikr Ey 4 r ikr k p e z Hx 4 r r k p e ikr x Hy 4 r r
（2.4-25）
（2.4-31）
其中 表示折射率，
n
* * n 2 2 / 1 1
。
T12 下面讨论不同入射角时， 反射系数R12 与折射系数
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
01
02
03
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。
05
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
探地雷达方法原理简介
GPR field survey with EKKO 100 system
PulseEKKO PRO
This next generation GPR is the most powerful and flexible commercial GPR system in the world!
探地雷达系统分类及功用
SIR-20 Radar console (GSSI)
GSSI探地雷达3000型
400MHZ屏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
US: Pat. 7,170,449 Norwegian Patent: NO 0,316,658. EU: Appl. No. 0375676.8 (approved)
GeoScope MKIV Step-frequency Radar
Step-frequency technology（频率步进式技术） 在频率域采集数据，信号穿透深度与分辨率达到最佳组合 Excellent Signal to Noise Ratio 在更大的深度获得更高分辨率成像 Flexible scan patterns and High scan rates 能够以车辆行驶速度进行道路检测，现场工作耗时较少 VX-Series antenna arrays (Air launched, 7.5cm spacing, uniform response) •高密度三维影像
base layers voids cables and pipes
Airfield pavement (subsidence cracking)
探地雷达培训课件
数据处理与图像解析
数据处理
对接收到的原始数据进行滤波、放大 、去噪等处理，以提取有用的信息。
图像解析
将处理后的数据转换为可视化的图像 ，以便于分析和解释。
03
探地雷达设备与操作
探地雷达的硬件组成
发射器
产生高频电磁波并发送到地下。
接收器
接收反射回来的电磁波。
控制器
控制发射器和接收器的操作，以及数据处理和显 示。
地下管线探测
探地雷达可以准确探测地下管线位置和深度，为城市规划和管线维护提供重要信 息。
探地雷达在环境监测中的应用
土壤污染监测
探地雷达可以检测土壤中的污染物分布和深度，评估环境污染程度和影响，为污染治理提供依据。
地下水污染监测
利用探地雷达可监测地下水水位、流动方向和速度，同时可检测地下水中的污染物种类和浓度，为水 资源保护和水污染治理提供科学数据。
提高测量精度的方法
采用高频率电磁波
高频率电磁波具有更高的穿透力 和分辨率，能够提高测量精度。
优化接收器设计
通过改进接收器的设计，提高其 灵敏度和选择性，能够更好地接
收信号，降低误差。
采取抗干扰措施
采用屏蔽、滤波等技术，减少周 围环境对测量过程的干扰，提高
测量精度。
探地雷达的性能优化
优化软件算法
通过改进软件算法，提高数据处理速度和准确性，能够提高探地 雷达的性能。
振幅测量法
通过测量反射回来的电磁 波振幅来推断物体的性质 。
相位测量法
通过测量反射回来的电磁 波相位来推断物体的性质 。
04
探地雷达应用实例
探地雷达在考古领域的应用
考古探测
利用探地雷达的高分辨率和穿透能力，考古学家可以探测地下文物和遗址，了 解古代文明的历史和文化。
探地雷达原理及应用
探地雷达原理及应用探地雷达是一种利用电磁波进行地下探测的装置，其原理基于电磁波在地下传播时的特性和地下物质对电磁波的反射、散射、透射等现象。
探地雷达可以用于勘探、地质调查、资源勘测、环境监测、灾害预警等领域。
探地雷达的原理主要有三个方面：脉冲发射、多通道接收和时间域分析。
首先，在探地雷达中，发射器会发出一个脉冲电磁波信号，这种信号一般具有宽带、高功率、短脉冲的特点。
这个脉冲信号会通过天线发射到地下，经过传播后一部分被地下物体反射、散射或透射回来。
其次，多通道接收是探地雷达的另一个重要原理。
雷达接收系统会利用多个接收天线来接收地下反射回来的信号，通过采集这些信号的幅值、相位、时间差等信息，可以得到地下物体的位置、形状、材质等特征。
最后，探地雷达还会利用时间域分析的原理来处理接收到的信号。
时间域分析是指通过观察信号在时间上的变化来分析地下物体的特性。
例如，如果地下存在一个金属物质，那么它会对电磁波产生反射，因此在接收到的信号中可以观察到一个明显的回波。
通过分析这个回波的幅值、相位、时间，就可以获取地下物体的一些信息。
探地雷达的应用十分广泛。
在勘探领域，探地雷达可以用于寻找地下矿藏、石油、地下水等资源，通过分析地下物体的特性来判断其类型、储量等。
在地质调查上，探地雷达可以用于检测地下的地层结构、地下洞穴、断层等地质特征。
在环境监测方面，探地雷达可以用于检测地下污染物、地下管线等，以保护环境和预防灾害。
此外，探地雷达还可以用于考古学研究、土壤研究、地震预警等领域。
总之，探地雷达是一种基于电磁波传播的原理，通过发射脉冲信号、多通道接收和时间域分析等方法来探测地下物体。
其在勘探、地质调查、环境监测等领域具有重要的应用价值，为科学研究和社会发展提供了关键的技术手段。
探地雷达工作原理
探地雷达工作原理
探地雷达是一种使用电磁波进行地下探测的仪器。
其工作原理基于电磁波在不同介质中传播速度不同的特性。
当探地雷达工作时，会产生一系列的电磁脉冲波。
这些电磁脉冲波在地下传播时，会与地下的物体进行相互作用。
当电磁波遇到地下的不同物质边界，如土壤、岩石或金属等，会发生反射、折射或散射。
探地雷达接收到这些反射、折射或散射的信号后，通过分析信号的强度、时间延迟和回波形状等特征，可以获得关于地下物体的信息。
具体来说，探地雷达的工作原理如下：
1. 发射脉冲：探地雷达会发射一个短暂的电磁脉冲波，该波包含了一定频率范围内的电磁能量。
2. 接收回波：当发射的电磁波遇到地下物体时，会发生反射、折射或散射，一部分能量会返回到雷达接收器。
3. 记录信号：雷达接收器会记录下接收到的回波信号，包括信号的强度（振幅）、时间延迟和波形。
4. 处理信号：通过对接收到的信号进行处理和分析，可以获得地下物体的特征信息。
例如，根据信号的时间延迟可以确定物体距离雷达的深度，根据信号的振幅可以判断物体的尺寸或所
含物质。
需要注意的是，探地雷达的工作原理在不同介质和场景下可能会有所差异。
例如，在土壤中探测金属物体时，电磁波会被金属反射，而忽略了土壤的影响。
因此，在实际应用中，人们常常根据具体需求选择适合的探地雷达工作原理，以达到较好的探测效果。
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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
制造公司成立。 1980 以后… …
1. 加拿大Sensor & Software Inc. EKKO系列
Pulse EKKO IV radar system
GPR field survey with EKKO 100 system
图1 探地雷达原理
关于这一方法的名称： ground-penetrating radar; ground-probing radar; Georadar; subsurface radar; surface penetrating radar; Impulse radar. 目前国际会议与刊物上常用： ground-penetrating radar (GPR); Georadar
探地雷达系统按使用天线的中心频率可分为： 高频雷达：200兆赫芝~2500兆赫芝 低频雷达：10兆赫芝~200兆赫芝
高频与低频雷达系统的功用不同 高频雷达主要用于检测 低频雷达主要用于勘探
为什么要配置多种中心频率的天线？
(GSSI )50MHz antenna housing units spaced 4.4m Apart and under tow by a tracked vehicle. Investigate groundwater and bedrock in an area of Discontinuous permafrost
GPR field survey with EKKO 100 system
PulseEKKO PRO
This next generation GPR is the most powerful and flexible commercial GPR system in the world!
探地雷达系统分类及功用
一、探地雷达的基本概念 二、发展历史及现状 三、方法特点及应用领域 四、电磁理论基础及雷达波场特征
一、 探地雷达的基本概念
电磁脉冲在地层介质中的旅行时间为 t 4z 2 x2 / v
雷达记录中波的旅行时间
是以纳秒（ns ）为单位，
；
1ns 10 9 s
雷达波速以米/纳秒（m/ns） 为单位。
GPR技术发展历史
1904，Hülsmeyer 提出采用电磁信号确定遥远地表的 金属物体的存在；
1910，德国人 G.leimbach & Löwy 以专利形式提出用 电磁波技术探测地下埋设体；
1926，Hülsenbeck 第一个采用脉冲电磁技术确定地
下埋设体的结构，他指出：介电系数的差异也同样会 产生反射；同时由于容易制造电磁辐射的定向源，故 有优于地震方法的长处。
反 射 剖 面 法 探 测 工 作 方 式
反射剖面法
探地雷达数据采集方式
1.反射剖面法
横穿两隧道顶部的探地雷达剖面
探测古河道的探地雷达剖面
2.共中心点(CMP) 或宽角反射折射法(WARR)
采用共中心点（CMP） 法进行速度测量的过程
A CMP Radar record
3.透射法
连续测量与离散测量 连续采样概念
意大利IDS公司的RIS探地雷达系统
DETECTOR 数字化管线雷达
瑞典Radarteam公司Cobra Plug-in探地雷达系统
SUBECHO-150 (105MHz)
SUBECHO-70 (80MHz)
SUBECHO-40 (60MHz)
SUBECHO-150 (105MHz 机载)
SUBECHO-250 (500MHz)
1930～1950：极地探险发现冰的电磁波‘透明性’；
美国人Amory Waite 开发无线电回波测深技术用于南极
冰川厚度测量。
1950～1960：极地冰川探测、冰川冻土研究； 煤及岩盐矿等介质的探测。 1970年代初期：Apollo登月计划，美、加两国联合
运用安装在月球轨道飞行器上的脉冲雷达探测对月表结 果进行探测研究。
Illustration of discrete and continuous measurement with equal spatial sampling interval. The two modes give equivalent results when ground response varies slowly with respect to the sampling interval.