探地雷達(dá)畢業(yè)報(bào)告

1、地球物理與空間信息學(xué)院應(yīng)用地球物理系畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告題目：探地雷達(dá)實(shí)習(xí)報(bào)告姓 名：胡 浩班級(jí)：061071-22學(xué)號(hào)：20071002609指導(dǎo)教師：鄧世坤年四月二十二日前言探地雷達(dá)是利用超高頻脈沖電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法。實(shí)踐證明，它可以分辨地下 1m尺度的介質(zhì)分布，因此探地雷達(dá)方法以其特有的高分辨率在淺層 于超淺層地質(zhì)調(diào)查中有著極其廣闊的應(yīng)用前景。探地雷達(dá)利用一個(gè)天線發(fā)射高頻寬帶電磁波，另一個(gè)天線接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播的時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度于波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾 何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到的波的旅行時(shí)間、幅度、與波形資料，可推斷介質(zhì)

2、的結(jié)構(gòu)。第一章探地雷達(dá)的探測(cè)原理探地雷達(dá)探測(cè)是一種快速、連續(xù)、非接觸電磁波探測(cè)技術(shù)，具有采集速度快、分辨率高的特點(diǎn)。探地雷達(dá)向地下發(fā)送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播的過(guò)程中，當(dāng)遇到存在電性目標(biāo)體時(shí)，如空洞、分界面時(shí)，電磁波便會(huì)發(fā)生反射，返回到地面時(shí)由接收 天線所接收；對(duì)接收到的電磁波進(jìn)行信號(hào)處理與分析，根據(jù)信號(hào)波形、強(qiáng)度、雙程走時(shí)等參 數(shù)來(lái)推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對(duì)地下隱蔽目標(biāo)體的探 測(cè)。如圖A所示，由發(fā)射天線向地下介質(zhì)中發(fā)射一定中心頻率的電磁脈沖波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到介質(zhì)中的電磁性（電阻率、介電率及磁導(dǎo)率）差異分界面發(fā)生反射 和透射

3、等現(xiàn)象；被反射的電磁波傳回地表，由接收天線接收；通過(guò)電腦進(jìn)行操作和控制；接 收天線所接收的地下反射回波信號(hào)經(jīng)由光纖傳輸?shù)絻x器控制臺(tái)，轉(zhuǎn)換成時(shí)間序列信號(hào)；這種 時(shí)間序列即構(gòu)成每一測(cè)點(diǎn)上的雷達(dá)波形記錄道，它包含該測(cè)點(diǎn)處所接收到的雷達(dá)波的幅度、 相位及旅行時(shí)間等信息。由電腦收集并存儲(chǔ)每一測(cè)點(diǎn)上雷達(dá)波形序列，形成一個(gè)由若干記錄道構(gòu)成的雷達(dá)剖面（見(jiàn)圖 B）。通過(guò)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)剖面進(jìn)行處理與推斷解釋，便可獲得探測(cè)剖面線下方有關(guān)的地質(zhì)特征與信息（或地下目標(biāo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征信息）雙程走時(shí)納秒位置（米）JT一7lt第二章探地雷達(dá)的野外工作方法2.1儀器使用簡(jiǎn)介目前國(guó)內(nèi)投入野外生產(chǎn)的探地雷達(dá)主要為時(shí)間域脈沖探地雷達(dá)。

4、型號(hào)主要有兩類，一是加拿大EKKO系列，另一類是美國(guó)的 SIR系列。本次實(shí)習(xí)我們使用的是加拿大 EKKO系列中的最新型號(hào) EKKOPRO。該儀器與前幾代的EKKO型儀器相比較有了一個(gè)比較大的改進(jìn)，在野外數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中不需要與計(jì)算機(jī)一起工作，這就大大提高了野外工作的效率。該儀器給我的最大感受是組合與拆卸方便，幾分鐘就可以完成組裝，進(jìn)行野外工作。因?yàn)槲覀兇舜螌?shí)習(xí)是學(xué)習(xí)探地雷達(dá)在隧道超前預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，而那些進(jìn)行隧道挖掘工作的工人是一天24小時(shí)不停的工作的， 我們每次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作的時(shí)候都要先讓那些工人停工，所以方便快捷的組合跟拆卸就顯得尤為重要。既不影響隧道的挖掘進(jìn)程，又能快而準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)。在

5、儀器的使用過(guò)程中還有很多注意事項(xiàng)，在使用電池的時(shí)候電池不能混用，5、6號(hào)電池為一組，7、8號(hào)電池為一組。因?yàn)殡姵卦谑褂玫臅r(shí)候發(fā)射電路跟接收電路對(duì)電池電量的損耗是不一樣的，這樣使用電池就可以增加電池的使用時(shí)間。在連接儀器的時(shí)候，是使用光纖連接的，我們都知道，光纖里面是玻璃材質(zhì)的，所以不能彎折。光纖的插孔里面不能讓灰塵掉進(jìn)去，光纖是傳播光信號(hào)的，如果插孔被灰塵堵住，光信號(hào)就無(wú)法傳播。2.2離散反射剖面測(cè)量'離散反射剖面測(cè)量是指在測(cè)量過(guò)程中，在每一測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，發(fā)射與接收 天線保持靜止?fàn)顟B(tài)，待該記錄道數(shù)據(jù)采集完畢，再將發(fā)射與接收大線同步移動(dòng)到下一測(cè)點(diǎn)， 開始下一道數(shù)據(jù)的采集。由于本次

6、實(shí)習(xí)區(qū)域在正在施工的隧道內(nèi)部，限于空間有限以及各種障礙物分布在隧道內(nèi)部，采用連續(xù)測(cè)量不可行，故采用離散測(cè)量。2.3測(cè)量參數(shù)的選擇測(cè)量參數(shù)選擇合適與否關(guān)系到測(cè)量效果。測(cè)量參數(shù)包括天線中心頻率、時(shí)窗、采樣率、測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距額發(fā)射接收天線間距。1、天線中心頻率的選擇天線中心頻率選擇需兼顧目標(biāo)深度、目標(biāo)最小尺寸以及天線尺寸是否符合場(chǎng)地需要。一般來(lái)說(shuō)在滿足分辨率且場(chǎng)地條件又許可時(shí)，應(yīng)盡量使用中心頻率的大線。如果要求所分的水平層厚度為4Z （單位m）,圍巖的相對(duì)介電常數(shù)為 &r ,則大線中心頻率可由下試初步選定:仃A 7桓MHzC X、；r(1)這種雜亂回波的強(qiáng)度除目標(biāo)體周圍介質(zhì)的不均勻性會(huì)在地質(zhì)雷達(dá)記

7、錄中引起雜亂回波, 了與不均勻體的尺度有關(guān)外，還跟雷達(dá)信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)，即同雷達(dá)信號(hào)的中心頻率有關(guān)。為L(zhǎng)大十倍以上，因此,了使得目標(biāo)體周圍介質(zhì)的不均勻性在雷達(dá)記錄上所形成的雜亂回波強(qiáng)度小到可以忽略不計(jì), 通常要求雷達(dá)信號(hào)的波長(zhǎng)比起目標(biāo)體周圍介質(zhì)不均勻體的典型尺度 雷達(dá)信號(hào)的中心頻率必須滿足:(2)式（2）對(duì)雷達(dá)信號(hào)頻率的要求意味著所探測(cè)的目標(biāo)體其尺度應(yīng)比周圍介質(zhì)中不均勻體的 尺度大得多。另外，從勘探深度的角度考慮，假設(shè)所要求的勘探深度為D,則要求中心頻率滿足：f：c1200尸 MHZ（3）D如果分辨率所要求的中心頻率fcR高于壓制回波干擾所要求的中心頻率fcC及勘探深度所要求的中心頻率 f；,則

8、表明所期望的分辨率與所要求壓制的回波干擾體的尺度及勘探深c度是不相容的。假定所要求的空間分辨率為目標(biāo)體埋深的25% ,則勘探深度與天線中心頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系可由下表近似決定。表1：預(yù)期勘探深度與天線中心頻率的關(guān)系勘探深度（米）0.51.02.07.010.030.050.0中心頻率（MHz1000500200100502510表1所提供的大線中心頻率同勘探深度的關(guān)系是以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。對(duì)于一定中心頻率的大線，其可能達(dá)到的勘探深度除了與地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)本身的性能有關(guān)外，還跟具體的勘探 環(huán)境有關(guān)。本次實(shí)習(xí)中，掌子面巖性主要為灰?guī)r，查閱資料知道其相對(duì)介電常數(shù)為7,通過(guò)觀察掌子面巖層厚度，主要呈中厚層，即水

9、平層厚度一般為 1m。同時(shí)本次實(shí)習(xí)要求預(yù)測(cè)距離為50m。故可以根據(jù)（2） （3）計(jì)算得到fcD<58.78MHz , fcR >28.34MHz。故本次實(shí)習(xí)所采用的 50MHz。2、采樣時(shí)窗的間隔大小采樣時(shí)窗大小可由下式估計(jì)：2 DW=1.3 （4）V上式中D表示預(yù)期所能達(dá)到（或要求）的勘探深度，以米為單位；V為地層介質(zhì)中的平均雷達(dá)波速度，以米/納秒為單位；W為采樣時(shí)間窗，以納秒為單位。對(duì)于大多數(shù)探地雷達(dá)系統(tǒng)而言，其大線的頻帶寬度與中心頻率的比通常為1,這意味著天線所輻射的電磁脈沖所包含的能量主要分布在0.5倍1.5倍的中心頻率的頻段上。因此，雷達(dá)信號(hào)的最高頻率約為所用天線的中心頻

10、率的1.5 倍。根據(jù)上述假設(shè)及Niquist采樣定律，探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的采樣頻率應(yīng)為雷達(dá)信號(hào)最高頻率的二 倍，為了保險(xiǎn)起健，可將采樣頻率再加大一倍。因此，雷達(dá)數(shù)據(jù)的采樣率約為所用天線的中心頻率的六倍，即時(shí)間采樣間隔t由下式確定:(5) 1000 t = MHz6fc2倍。上式fc中為所用天線的中心頻率。 表2給出了最大時(shí)間采樣間隔與大線中心頻率之間的關(guān)系。表2:最大時(shí)間采樣間隔與大線中心頻率的關(guān)系天線中心頻率（MH01020501002005001000最大采樣間隔（ns）16. 78 . 33 . 31 . 670. 830. 330. 17在某些情況下，從采樣速度的要求及采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間考慮，

11、可以加大時(shí)間采樣間隔而稍微超出上述規(guī)定的時(shí)間間隔，但無(wú)論如何也不能大于上述所規(guī)定時(shí)間采樣間隔的3、天線距的選擇大多數(shù)的探地雷達(dá)系統(tǒng)是采用發(fā)射與接收分離的天線（對(duì)于發(fā)射與接收天線并置的雷達(dá) 系統(tǒng)而言，天線距的選擇是沒(méi)有意義的），大線距大小的合理選擇對(duì)于為特定目標(biāo)體的探測(cè)設(shè) 計(jì)最優(yōu)觀測(cè)系統(tǒng)十分重要。-大地分界為了取得對(duì)目標(biāo)體的最大偶合，天線的放置應(yīng)保證發(fā)射與接收天線方向圖中的折射聚焦 峰值指向所探測(cè)目標(biāo)體的大致深度上的同一位置。由于大線方向圖的峰值指向空氣面的臨界角方向，假設(shè)所要探測(cè)的目的體的大致深度為D，其周圍介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)為則最佳大線間距 S可由下式估計(jì)：S= j2D（米）（7）.r -1

12、在實(shí)際探測(cè)中對(duì)天線距的選擇還要考慮接收天線電路的動(dòng)態(tài)范圍。如果發(fā)射與接收天線距很小，直接由發(fā)射器傳到接受器的信號(hào)很強(qiáng)，因而在雷達(dá)記錄上的初始時(shí)間段會(huì)有一段畸變與恢復(fù)時(shí)間，導(dǎo)致不能探測(cè)到淺部地層的反射同相軸（通常稱為發(fā)射脈沖短路）。這時(shí)建議使用雷達(dá)信號(hào)的半波長(zhǎng)作為天線距。另外，對(duì)衰減吸收地層介質(zhì)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，天線距的加大會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)波傳播路程加大，因20%作為大而會(huì)引起回波信號(hào)的衰減幅度加大，這種情況下，天線距不能太大。在對(duì)測(cè)區(qū)介質(zhì)電性缺乏了解的情況下，經(jīng)驗(yàn)的作法是選擇目標(biāo)體大致埋深的線距。本次實(shí)習(xí)采用的大線距離大約是1.5m4、道間距的選擇離散測(cè)量條件下道間距的選擇同所用天線的中心頻率及所涉及的地

13、下介質(zhì)的介電性有密切關(guān)系。為了保證大地響應(yīng)不出現(xiàn)空間假頻，空間采樣間隔應(yīng)小于Niquist采樣間隔。Niquist采樣間隔AX為被探測(cè)目標(biāo)體周圍介質(zhì)中雷達(dá)波波長(zhǎng)的1/4,即：式中f為所用天線的中心頻率，以 MHz為單位。在實(shí)際探測(cè)中，道間距的選取還應(yīng)考慮地下被探測(cè)目標(biāo)體的最小空間尺度，通常情況下,道間距應(yīng)小于所要求探測(cè)的最小目標(biāo)體水平方向延伸長(zhǎng)度的1/3。本次實(shí)習(xí)道間距0.3-0.5m5、天線方向的選擇由于大多數(shù)地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)采用極化大線，其能量的輻射具有明顯的方向性與極化特性。因此，在探測(cè)過(guò)程中，天線擺設(shè)的方向應(yīng)保證其輻射的電場(chǎng)沿目標(biāo)體走向或長(zhǎng)軸方向極化， 對(duì)偶極天線而言，即要求大線板的長(zhǎng)軸方

14、向與目標(biāo)體走向或長(zhǎng)軸方向平行。在某些情況，可將大線沿兩個(gè)相互正交的方向擺設(shè)以采集兩組數(shù)據(jù)，對(duì)這兩組不同極化方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以獲得目標(biāo)體的有關(guān)信息。本次實(shí)習(xí)中天線垂直地面，緊貼掌子面放置。第三章實(shí)習(xí)概況1實(shí)習(xí)目的本次實(shí)習(xí)的目的是學(xué)會(huì)使用EKKOPRO型探地雷達(dá)在隧道超前預(yù)報(bào)中的使用，以及在野外實(shí)際工作中所注意的一些問(wèn)題。2實(shí)習(xí)地區(qū)概況本次地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的起點(diǎn)樁號(hào)為K59 + 920?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工作于 2011年3月10日進(jìn)行并于當(dāng)天完成。該隧道采用臺(tái)階開挖方式施工。掌子面較平整，近于直立；掌子面圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r， 中厚層夾薄層狀構(gòu)造；圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，掌子面中部有較寬垂直裂隙帶存在；

15、巖體較破 碎，呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。3實(shí)例分析3.1現(xiàn)場(chǎng)工作布置與數(shù)據(jù)采集本次預(yù)報(bào)是在大南山隧道右線里程為K59 + 920的掌子面上進(jìn)行的，采用主頻為50MHZ的天線進(jìn)行探測(cè)。超前探測(cè)在開挖臺(tái)階上進(jìn)行，沿掌子面布置探測(cè)剖面，測(cè)線與隧底平行， 離隧道底部約2米，測(cè)線位置如圖1所示。圖1、地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置示意圖3.2地質(zhì)$達(dá)資料的分析與地質(zhì)解釋圖2為本次超前探測(cè)地質(zhì)雷達(dá)記錄，該記錄顯示：本次探測(cè)的有效預(yù)報(bào)距離為50米，即地質(zhì)雷達(dá)記錄反映了該隧道自里程K59 + 920- K59 + 970范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)記錄，結(jié)合掌子面地質(zhì)情況推測(cè)：大南山隧道右線自里程K59 + 920 -K59

16、 + 935隧道洞體圍巖中風(fēng)化灰?guī)r，中厚層夾薄層狀構(gòu)造；圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破 碎，呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)；圍巖穩(wěn)定性較差。自里程K59 + 935 K59 + 955隧道洞體圍巖為斷層破碎帶，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)；圍巖含水率較高，有較強(qiáng)滲滴水現(xiàn)象發(fā)生；圍巖穩(wěn)定性差。自里程 K59 + 955- K59 + 970隧道洞體圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r， 節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。如1 80270360 c-45E dj巷1'540B307213810WS拳孑而拄置（m）1 0.1 .20.g12卜 4 I I | 卜 I i | 30.牛3圖2、大南山隧道右線里程 K59

17、+920掌子面上地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)記錄結(jié)束語(yǔ)通過(guò)本次實(shí)習(xí)，我了解到作為一個(gè)物探工作者，應(yīng)該如何出野外，以及在出野外的過(guò)程 中我們遇到問(wèn)題該如何解決等。在出野外之前，我們會(huì)檢查一下儀器，看看有沒(méi)有什么東西是忘記帶的，因?yàn)槲覀兊膶?shí) 習(xí)地點(diǎn)離我們住的地方還是很遠(yuǎn)的，有一個(gè)多小時(shí)的車程，所以在出去之前必須檢查儀器已 經(jīng)各種工具是否有遺漏的，不然我們?cè)谝巴饩烷_展不了工作。到達(dá)工作現(xiàn)場(chǎng)后，第一件事就是帶上安全帽，因?yàn)樵谒淼览锩媾紶栠€是會(huì)有一些東西掉 落下來(lái)，保證自己的安全是最重要的。我們?cè)诘竭_(dá)工作地點(diǎn)的時(shí)候，工人都是在工作的，這 就遇到了一個(gè)問(wèn)題，他們?cè)诠ぷ鞯臅r(shí)候我們是沒(méi)有辦法開展數(shù)據(jù)的采集工作的，這就需要我 們?nèi)ジさ氐呢?fù)責(zé)人去溝通，讓他們休息一下。到我們進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，一定要在保證 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的情況下，盡量的加快采集的速度，這個(gè)時(shí)候就體現(xiàn)了我們這一組人的一種團(tuán)隊(duì)協(xié) 作能力。采集完數(shù)據(jù)之后，應(yīng)該先把光纖取下來(lái)，因?yàn)楣饫w是比較脆弱的，不能被彎折，但