第3篇探地雷達(dá)

1、返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院4.5 探地雷達(dá)探地雷達(dá) 探地雷達(dá)探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar簡簡稱稱GPR）是用頻率介于）是用頻率介于106109Hz的的無線電無線電波波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法。來確定地下介質(zhì)分布的一種方法。 對稱振子型調(diào)幅脈沖時域探地雷達(dá)對稱振子型調(diào)幅脈沖時域探地雷達(dá)輸出輸出功率大，能實時監(jiān)測測量結(jié)果，設(shè)備可做成功率大，能實時監(jiān)測測量結(jié)果，設(shè)備可做成便攜式等優(yōu)點，在商用地面探地雷達(dá)中，已便攜式等優(yōu)點，在商用地面探地雷達(dá)中，已得到廣泛應(yīng)用。下面主要介紹這種探地雷達(dá)。得到廣泛應(yīng)用。下面主要介紹這種探地雷達(dá)。 返

2、回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院4.5.1 脈沖時間域探地雷達(dá)的基本原理脈沖時間域探地雷達(dá)的基本原理 脈沖時間域探地雷達(dá)利用超高頻短脈沖電脈沖時間域探地雷達(dá)利用超高頻短脈沖電磁波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律來探測地下介質(zhì)磁波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律來探測地下介質(zhì)的分布。因為任何脈沖波都可以分解成不同的分布。因為任何脈沖波都可以分解成不同頻率的單諧波；對稱振子型、發(fā)射和接受天頻率的單諧波；對稱振子型、發(fā)射和接受天線間距離很小。因此線間距離很小。因此電偶極源產(chǎn)生的單諧電磁電偶極源產(chǎn)生的單諧電磁波場及傳播特征是探地雷達(dá)的理論基礎(chǔ)。波場及傳播特征是探地雷達(dá)的理論基礎(chǔ)。4.5.1.

3、1 電偶極源的電磁場電偶極源的電磁場1、 均勻介質(zhì)中的電磁場均勻介質(zhì)中的電磁場返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院水平電偶極子源在主剖面中的輻射場為水平電偶極子源在主剖面中的輻射場為 rxrepHrzrepHrepEikryikrxikry4k4k42 （2.4-25） 特點特點：在主剖面中，電場和發(fā)射天線在主剖面中，電場和發(fā)射天線（偶極子軸偶極子軸）方向平行， 而磁場與圓心位于原點的同心圓的切線方向平行， 而磁場與圓心位于原點的同心圓的切線方向一致。方向一致。 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院1電磁波在介質(zhì)中的傳播速度電磁波在介質(zhì)中

4、的傳播速度 探地雷達(dá)測量的是地下界面的反射波的探地雷達(dá)測量的是地下界面的反射波的走時走時，為了，為了獲取地下獲取地下界面的深度界面的深度，必須要有介質(zhì)的，必須要有介質(zhì)的電磁波傳播速度電磁波傳播速度v，其值為，其值為 2/12)1)(1(2v （2.4-27） 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院絕絕大大多多數(shù)數(shù)巖巖石石介介質(zhì)質(zhì)屬屬非磁性、非導(dǎo)電介質(zhì)，常常常常滿滿足足1，于于是是可可得得 rcv （2.4-28） 式式中中c為為真真空空中中電電磁磁波波傳傳播播速速度度，rm/ns;3 .0c為為相相對對介介電電常常數(shù)數(shù)。上上式式表表明明對對大大多多數(shù)數(shù)非非導(dǎo)導(dǎo)電電、非

5、非磁磁性性介介質(zhì)質(zhì)來來說說，其其電電磁磁波波傳傳播播速速度度主主要要取取決決于于介介質(zhì)質(zhì)的的介介電電常常數(shù)數(shù)。 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院2電電磁磁波波在在介介質(zhì)質(zhì)中中的的吸吸收收特特性性 吸吸收收系系數(shù)數(shù)決決定定了了場場強(qiáng)強(qiáng)在在傳傳播播過過程程中中的的衰衰減減速速率率，探探地地雷雷達(dá)達(dá)工工作作頻頻率率高高， 在在地地下下介介質(zhì)質(zhì)中中以以位位移移電電流流為為主主，即即1/，這這時時的的近近似似值值為為 2 （2.4-29） 即即與與導(dǎo)導(dǎo)電電率率成成正正比比，與與介介電電常常數(shù)數(shù)的的平平方方根根成成正正比比。 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工

6、大學(xué)信息工程學(xué)院表表 2.4.2 列出了一些常見介質(zhì)的相對介列出了一些常見介質(zhì)的相對介電常數(shù)、導(dǎo)電常數(shù)、導(dǎo)電率、傳播速度與吸收系數(shù)電率、傳播速度與吸收系數(shù)。注意注意高阻與低阻介質(zhì)高阻與低阻介質(zhì)的的r、的不同。的不同。 表 2.4.2 介質(zhì)相對介電常數(shù)r、導(dǎo)電率、速度與吸收系數(shù) 媒 質(zhì) r mS/m)( )m/ns( dB/m)( 空 氣 1 0 0.3 0 淡 水 80 0.5 0.033 0.1 海 水 80 3104 0.01 103 干 砂 35 0.01 0.15 0.01 飽和砂 2030 0.11.0 0.06 0.030.3 石灰?guī)r 48 0.52 0.12 0.41 泥 巖 5

7、15 1100 0.09 1100 粉 砂 530 1100 0.07 1100 粘 土 540 21000 0.06 1300 花崗巖 46 0.011 0.13 0.011 巖 鹽 56 0.011 0.13 0.011 冰 34 0.01 0.16 0.01 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院垂直極化波垂直極化波（電場矢量垂直入射面電場矢量垂直入射面）在界面的在界面的反射與折射反射與折射： 電磁波在跨越介質(zhì)交界面時電磁波在跨越介質(zhì)交界面時， 緊靠界面兩側(cè)的電場， 緊靠界面兩側(cè)的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的切向分量強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的切向分量分別相等分別相等，則得則得 t

8、trriitriHHHEEEcoscoscos （2.4-30） 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院令令itirEETEER/,/1212， 分別表示波從介質(zhì)， 分別表示波從介質(zhì) 1 入射入射到介質(zhì)到介質(zhì) 2 時界面的反射系數(shù)和折射系數(shù)。時界面的反射系數(shù)和折射系數(shù)。 )sin/(coscos2)sin/(cos)sin(cos2212222212iiiiiiinTnnR （2.4-31） 其中其中n表示折射率，表示折射率，*11*22/n。 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院下面討論下面討論不同入射角時， 反射系數(shù)不同入射角時， 反射

9、系數(shù)12R與折射系數(shù)與折射系數(shù)12T的的變化規(guī)律變化規(guī)律。 1 0i， 即 垂 直 向 射 ， 此 時， 即 垂 直 向 射 ， 此 時)1/(2);1/()1 (1212nTnnR。當(dāng)。當(dāng)1n時，時，012R，112T；rE與與iE反向，反向，rH與與iH同向。當(dāng)同向。當(dāng)1n時，則與時，則與上述情況相反。上述情況相反。 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院 290,sintin。于是折射波沿界面在。于是折射波沿界面在介質(zhì)介質(zhì) 2 中“滑行” ，并折向第中“滑行” ，并折向第 1 介質(zhì)，而無向下傳介質(zhì)，而無向下傳播的波。這時的入射角稱為播的波。這時的入射角稱為臨界角

10、臨界角c。 目前常用的時域探地雷達(dá)測量方式有目前常用的時域探地雷達(dá)測量方式有剖面法剖面法和寬角法和寬角法兩種。兩種。 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院l剖面法與多次覆蓋剖面法與多次覆蓋（1）剖面法剖面法 剖面法是發(fā)射天線（剖面法是發(fā)射天線（T）和接收天線（）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。 （2）多次覆蓋多次覆蓋 應(yīng)用不同天線距的發(fā)射應(yīng)用不同天線距的發(fā)射接收天線在接收天線在同一測線上進(jìn)行重復(fù)測量然后把測量記錄同一測線上進(jìn)行重復(fù)測量然后把測量記錄中相同位置的記錄進(jìn)行疊加，這種記錄能增中相同位置的記錄進(jìn)行

11、疊加，這種記錄能增強(qiáng)對深部地下介質(zhì)的分辨能力。強(qiáng)對深部地下介質(zhì)的分辨能力。返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院2寬角法或共中心點法寬角法或共中心點法 222224vhvxt （2.4-36） 利用寬角法或共中心點法測量所得到的地下利用寬角法或共中心點法測量所得到的地下界面反射波雙程走時界面反射波雙程走時t，由公式，由公式（2.4-36）就可求得就可求得到地層的電磁波速度。到地層的電磁波速度。 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院4.5.2.2 探地雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)探地雷達(dá)的技術(shù)參數(shù) 1分辨率分辨率 分辨率是方法分辨最小異常體的能力。分辨分辨

12、率是方法分辨最小異常體的能力。分辨率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。 （1） 垂向分辨率垂向分辨率一般把地層厚度一般把地層厚度b=4作為垂直分辨率的作為垂直分辨率的下限。下限。 （2）橫向分辨率橫向分辨率返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院2/hrf （2.4-37） 2探測距離與探距方程探測距離與探距方程 lg10minTsWWQ （2.4-38） 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院 雷達(dá)系統(tǒng)從發(fā)射到接收過程中的功率損耗雷達(dá)系統(tǒng)從發(fā)射到接收過程中的功率損耗 Q 可由可由雷達(dá)探距方程來描述。來描述。 )64

13、lg(104342regGGQrrtrt （2.4-39） 滿足滿足 Qs+Q0 的距離的距離r，稱為探地雷達(dá)的探測距，稱為探地雷達(dá)的探測距離， 亦即處在距離離， 亦即處在距離 r 范圍內(nèi)的目的體的反射信號可范圍內(nèi)的目的體的反射信號可以為以為雷達(dá)系統(tǒng)所探測雷達(dá)系統(tǒng)所探測。 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院4.5.2.4 探地雷達(dá)測量的設(shè)計探地雷達(dá)測量的設(shè)計1目的體特性與所處環(huán)境分析目的體特性與所處環(huán)境分析（1）天線中心頻率選擇）天線中心頻率選擇 （2）時窗選擇）時窗選擇（3）采樣率選擇）采樣率選擇（4）測點點距選擇）測點點距選擇（5）天線間距選擇）天線間距選擇

14、返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院4.5.3 探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理與資料解釋探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理與資料解釋 4.5.3.1 探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理 數(shù)字記錄的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)類似于數(shù)字記錄的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)類似于反射地反射地震震數(shù)據(jù)，反射地震數(shù)字處理許多有效技術(shù)通數(shù)據(jù)，反射地震數(shù)字處理許多有效技術(shù)通過某種形式改變均可以應(yīng)用于探地雷達(dá)資料過某種形式改變均可以應(yīng)用于探地雷達(dá)資料的處理。的處理。 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院4.5.3.3 探地雷達(dá)的資料解釋方法探地雷達(dá)的資料解釋方法（補充速度的求取）（補充速度的求?。?1時間剖面的

15、解釋方法時間剖面的解釋方法（1）反射層的拾取）反射層的拾?。?）時間剖面的解釋）時間剖面的解釋2資料解釋的資料解釋的專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)介紹介紹 (1）對雷達(dá)圖像信息進(jìn)行反褶積處理。）對雷達(dá)圖像信息進(jìn)行反褶積處理。 （2）利用自動識別系統(tǒng)）利用自動識別系統(tǒng) （3）根據(jù)專家領(lǐng)域知識進(jìn)行地層性質(zhì)判別）根據(jù)專家領(lǐng)域知識進(jìn)行地層性質(zhì)判別 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院4.5.4探地雷達(dá)的應(yīng)用探地雷達(dá)的應(yīng)用4.5.4.1在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用1基巖面的探地雷達(dá)探測基巖面的探地雷達(dá)探測 廣州廣州花園。第四系地層覆蓋在基巖花園。第四系地層覆蓋在基巖（灰?guī)r）

16、上。第四系地層為淤泥、粉質(zhì)粘土（灰?guī)r）上。第四系地層為淤泥、粉質(zhì)粘土與砂，比較松軟；其下為灰?guī)r，有較高的承與砂，比較松軟；其下為灰?guī)r，有較高的承載力。建筑物擬采用預(yù)制樁樁基礎(chǔ)。圖載力。建筑物擬采用預(yù)制樁樁基礎(chǔ)。圖2.4.34為該場地地層的探地雷達(dá)圖像，為該場地地層的探地雷達(dá)圖像， 圖2.4.34 灰?guī)r與覆蓋地層的探地雷達(dá)圖像返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院2巖溶地區(qū)的探地雷達(dá)探測巖溶地區(qū)的探地雷達(dá)探測 巖溶（又稱喀斯特）是指碳酸鹽巖等可溶巖溶（又稱喀斯特）是指碳酸鹽巖等可溶性巖層受水的化學(xué)和物理作用所產(chǎn)生的溝槽裂性巖層受水的化學(xué)和物理作用所產(chǎn)生的溝槽裂隙和空洞，

17、以及由于空洞頂板塌落使地表產(chǎn)生隙和空洞，以及由于空洞頂板塌落使地表產(chǎn)生陷穴、洼地等現(xiàn)象和作用的總稱。陷穴、洼地等現(xiàn)象和作用的總稱。（1）節(jié)理裂隙巖溶）節(jié)理裂隙巖溶 圖圖2.4.36為湖北黃石某地裂隙溶蝕帶的探地為湖北黃石某地裂隙溶蝕帶的探地雷達(dá)圖像。雷達(dá)圖像。 圖2.4.36 裂隙巖溶的探地雷達(dá)圖像 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院（2）溶蝕溝槽）溶蝕溝槽 灰?guī)r長期出露地表時，其表面遭受風(fēng)化后灰?guī)r長期出露地表時，其表面遭受風(fēng)化后強(qiáng)度降低?；?guī)r表面地形變化劇烈的地方，會強(qiáng)度降低。灰?guī)r表面地形變化劇烈的地方，會由于地表的大徑流，使其表面受強(qiáng)烈侵蝕而形由于地表的大徑流

18、，使其表面受強(qiáng)烈侵蝕而形成成溶溝、溶槽溶溝、溶槽。 圖圖2.4.37為廣州花都市某處溶蝕溝的探為廣州花都市某處溶蝕溝的探地地雷達(dá)圖像。雷達(dá)圖像。 圖2.4.37 溶蝕溝的探地雷達(dá)圖像 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院4.5.4.2 在地基基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用在地基基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用1探地雷達(dá)在樁基礎(chǔ)施工障礙成因調(diào)查中的探地雷達(dá)在樁基礎(chǔ)施工障礙成因調(diào)查中的應(yīng)用應(yīng)用圖圖2.4.39為為基巖破碎帶的探地雷達(dá)圖像特征?；鶐r破碎帶的探地雷達(dá)圖像特征。圖2.4.39 基巖破碎帶探地雷達(dá)圖像 返回返回返回返回成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院（2）樁基礎(chǔ)下異常性質(zhì)判斷）樁基礎(chǔ)下異常性質(zhì)判斷本場地為緊靠長江的灘地，為防洪在地表下本場地為緊靠長江的灘地，為防洪在地表下填充了大量雜填土。當(dāng)雜填土中存在建筑垃填充了大量雜填土。當(dāng)雜填土中存在建筑垃圾等雜物時，便形成了與周圍介質(zhì)差異極大圾等雜物時，便形成了與周圍介質(zhì)差異極大的強(qiáng)、寬反射波，這類異常沒能在周圍測線的強(qiáng)、寬反射波，這類異常沒能在周圍測線形成有規(guī)則的排列，故定為硬性雜物，見圖形成有規(guī)則的排列，故定為硬性雜物，見圖2.4.41（a）。）。當(dāng)雜填土堆積比較疏松，形成雜填土中的不當(dāng)雜填土堆積比較疏松，形成雜填土中的不密實區(qū)，這類填土可能是生活垃圾等