第五章地質(zhì)雷達

第五章地質(zhì)雷達探測技術(shù)

地質(zhì)雷達法、探地雷達法GPR（Ground-Penetrating-Radar），Geo-radar,GeoProbingradar它是一種對下的或結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不可見的目標體或分界面進行定位或判別的電磁波探測技術(shù)1海洋與地球科學學院工程物探室

一、基本原理高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，通過發(fā)射天線被定向送入地下，經(jīng)存在電性差異的地下地層或目標體反射后返回地面，由接收天線所接收。因為它是從地面向地下發(fā)射電磁波來實現(xiàn)探測目的，所以又稱探地雷達，高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時，其傳播路徑、電磁場強度與波形將隨通過介質(zhì)的電性特征與幾何形態(tài)而變化。因此，通過對時域波形的采、處理和分析，可確定地下分界面或地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。2海洋與地球科學學院工程物探室探地雷達工作原理示意圖3海洋與地球科學學院工程物探室4海洋與地球科學學院工程物探室共偏移距觀測方法5海洋與地球科學學院工程物探室探地雷達工作原理示意圖天線雷達可測量信號到達目標的傳輸時間

利用估算的傳播速率計算出目標的距離當滿足下面條件時，隱蔽物可由雷達探出：

在天線信號范圍之內(nèi)

信噪比適當

時間x6海洋與地球科學學院工程物探室天線時間x測深和分辨率與以下幾個因素有關(guān)：天線頻率、發(fā)射功率、傳播介質(zhì)的電磁特性、目標物的形狀和大小7海洋與地球科學學院工程物探室波形波形+面積彩色顯示8海洋與地球科學學院工程物探室當目標物與掃描方向垂直時當目標物與掃描方向平行時在雷達圖中經(jīng)常會形成一

“線狀圖型”

(當在目標物的頂部掃描時)

在雷達圖中總是會形成一“雙曲線圖案”所以，需要在橫向與縱向兩個方向進行掃描9海洋與地球科學學院工程物探室超高頻電磁波（10MHz－5000MHz）由于地下介質(zhì)往往具有不同的物理特性，如介質(zhì)的介電性、導電性及導磁性差異，因而對電磁波具有不同的波阻抗，進入地下的電磁波在穿過地下各地層或管線等目標體時，由于界面兩側(cè)的波阻抗不同，電磁波在介質(zhì)的界面上會發(fā)生反射和折射，反射回地面的電磁波脈沖其傳播路徑、電磁波場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，因此，從接收到的雷達反射回波走時、幅度及波形資料，可以推斷地下介質(zhì)或管線的埋深與類型。10海洋與地球科學學院工程物探室高分辨率無損性高效率抗干擾能力強特點：11海洋與地球科學學院工程物探室雷達勘探基本原理：

利用波的反射現(xiàn)象測量障礙物離開我們所站地方的距離。

例如：己知聲波在空氣中傳播的速度是：v=340m/s,從呼喊開始到聽見回聲的時間t=4秒,那么障礙物離開我們的距離S就可以用如下公式：S=1/2v*t=?（340×4）

=680(m)12海洋與地球科學學院工程物探室脈沖旅行時：13海洋與地球科學學院工程物探室Hulgmeyer,1904首次使用電磁信號來確定地下金屬目標體的存在Leimbach,Lowy1910,用電磁波定位埋藏的物體（專利）Hulsenbeck：脈沖技術(shù)確定地下物體的結(jié)構(gòu)，地表下任何介電常數(shù)的變化將導致電磁波的反射A.P.Annan二、雷達技術(shù)的研究及探測儀器的發(fā)展14海洋與地球科學學院工程物探室加拿大Sensor&SoftwareInc.,EKKO(Noggin)系列美國GSSI，SIR系列瑞典Mala

GeoscienceInc.,RAMAC系列意大利IDS,RIS系列15海洋與地球科學學院工程物探室EKKO100增強型EKKO1000型Noggin250型EKKO系列16海洋與地球科學學院工程物探室SIR3000型（最新）匹配天線SIR系列17海洋與地球科學學院工程物探室3207型5103型5100型NextGSSI自行生產(chǎn)的天線18海洋與地球科學學院工程物探室Subecho70型屏蔽天線900型屏蔽Subecho200型Radarteam定制的天線19海洋與地球科學學院工程物探室X3M型RAMAC系列匹配天線20海洋與地球科學學院工程物探室屏蔽天線100型非屏蔽天線100型非屏蔽天線200型21海洋與地球科學學院工程物探室RIS-2K/ME型（多道）RIS系列RIS-2K/0型（單道）22海洋與地球科學學院工程物探室北京愛迪爾公司的CBS-9000型地質(zhì)雷達及天線23海洋與地球科學學院工程物探室24海洋與地球科學學院工程物探室25海洋與地球科學學院工程物探室三、野外數(shù)據(jù)優(yōu)化采集1.主要技術(shù)參數(shù)1.1雷達方程26海洋與地球科學學院工程物探室1.2探測距離探測距離與選用的天線的發(fā)射功率、天線頻率、地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)、電導率相關(guān)，頻率低，發(fā)射功率大，介質(zhì)電阻率高，探測深度大。地下介質(zhì)相對介電常數(shù)電導率(ms/m)雷達波速（m/ns）衰減系數(shù)（dB/m)空氣100.30淡水800.50.0330.1海水80300000.011000干砂3-50.010.150.01飽和砂20-300.1-100.060.03-0.3石灰?guī)r4-80.5-20.120.4-1泥巖5-151-1000.091-100粉砂5-301-1000.071-100粘土5-402-10000.061-300花崗巖4-60.01-10.130.01-1巖鹽5-60.01-10.130.01-1冰3-40.010.160.01金屬30010100.017108PVC材料3.31.340.160.1427海洋與地球科學學院工程物探室1.3分辨率（分辨最小異常體的能力）垂向分辨率：區(qū)分一個以上反射界面的能力四分之一波長水平分辨率：在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸28海洋與地球科學學院工程物探室2.野外信號采集方式2.1剖面法（反射觀測方式）29海洋與地球科學學院工程物探室2.2透射法柱墻樓板發(fā)射天線接收天線30海洋與地球科學學院工程物探室2.3寬角法（共深點法，CDP）用于求取表層土的電磁波傳播速度地面地面31海洋與地球科學學院工程物探室寬角法數(shù)據(jù)特點32海洋與地球科學學院工程物探室單點探測與寬角法記錄33海洋與地球科學學院工程物探室寬角法數(shù)據(jù)處理-動校正34海洋與地球科學學院工程物探室3天線極化方向（偶極天線，優(yōu)選極化方向，天線剖面垂直于目標體走向的原則）垂直垂射35海洋與地球科學學院工程物探室關(guān)于天線分離距及其天線排列方向的現(xiàn)場試驗36海洋與地球科學學院工程物探室37海洋與地球科學學院工程物探室0.8m0.4m1.6m1.2m38海洋與地球科學學院工程物探室0.40.81.239海洋與地球科學學院工程物探室4.探地雷達圖像的數(shù)字處理技術(shù)常規(guī)的數(shù)字處理方法：

預處理：點平均、道平均等數(shù)字濾波，低通、高通及帶通、中值波波等

增益調(diào)節(jié)：AGC、SEG、Const

偏移處理：以射線理論為基礎的偏移歸位方法波動方程偏移

多次疊加技術(shù)特殊的數(shù)據(jù)處理方法：

復信號分析：瞬時相位、瞬時振幅、瞬時頻率其它一些非線性技術(shù)的應用，如分形技術(shù)發(fā)展方向：圖像的三維可視化、智能解釋功能40海洋與地球科學學院工程物探室oNMODMOABNMO、DMO、偏移處理41海洋與地球科學學院工程物探室42海洋與地球科學學院工程物探室自動補償增益（AGC）

球面指數(shù)增益（SEC）

常數(shù)增益用戶自定義

43海洋與地球科學學院工程物探室44海洋與地球科學學院工程物探室5.探地雷達圖像的解釋方法地下介質(zhì)電性分布幾何分布已知資料波形特征分析45海洋與地球科學學院工程物探室46海洋與地球科學學院工程物探室5.1時間剖面的對比原則

拾取反射層，依據(jù)勘察孔進行對比，建立各種地層的反射波組特征；只要地下介質(zhì)存在電性差異，就可在雷達剖面上找到相應的反射波。

識別和追蹤同一界面的反射波形依據(jù)：

同相性、振幅顯著性變化、波形特征47海洋與地球科學學院工程物探室5.2干擾波的雷達圖像特征

如何識別干擾波與目標體的圖像特征非常關(guān)鍵干擾信號在實際探測工作不可避免1)地面干擾地面架空電線（雙曲線）測線附近的金屬物（強振幅、密集的反射波組）地面上的礫石（多次反射，局部強振幅回波）測繩和皮尺（典型的“X”型干擾）2)地下異常的多次波在地質(zhì)體與地表面來回反射，嚴重影響目標體的反射波信息，波形雜亂，不規(guī)則。48海洋與地球科學學院工程物探室5.3常見特殊地質(zhì)體的雷達圖像特征1)潛水面

水平的強振幅反射波潛水面上下介質(zhì)因為含水量的差別，介電常數(shù)產(chǎn)生較大的差異，反射系數(shù)較大。潛水面下的反射波組衰減較大49海洋與地球科學學院工程物探室2)不同土層的波場特征雜填土：反射波雜亂無序，粘土層：同相軸連續(xù)，波組平行粉質(zhì)粘土，振幅中等淤泥質(zhì)粘土，衰減大，振幅小砂層的波場特征與粘土層相似，中等及粗砂層，反射波同相軸不連續(xù)，存在有規(guī)律的繞射波中砂巖及粗砂巖粘土層50海洋與地球科學學院工程物探室3)基巖破碎帶的波場特征

同相軸錯斷，但破碎帶兩側(cè)的波組關(guān)系相對穩(wěn)定破碎面上的振幅強51海洋與地球科學學院工程物探室4)暗浜及古河道的波場特征特殊的地質(zhì)現(xiàn)象。成分復雜，電性差異大二者雷達圖像特征相似，區(qū)別在于范圍的大小反射波振幅大，波形粗黑，同相軸不連續(xù)，波形雜亂，邊界明顯52海洋與地球科學學院工程物探室5.4常見地下目的物的雷達圖像特征1)地下管線

反射同相軸呈向上凸起的弧形，頂部反射振幅最強，弧形兩端反射振幅最弱，不同的材質(zhì)的管線的反射波特征不同：金屬管：介電常數(shù)大，導率率極強，衰減極大，金屬管頂反射出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，無管底的反射信息

非金屬管：管頂無極性反轉(zhuǎn)，有可能出現(xiàn)管底信息，管內(nèi)是否充水，其波形特征亦不同，若充水，則亦出現(xiàn)波形的極性反轉(zhuǎn)管線的半徑越大，反射弧的曲率半徑就越大53海洋與地球科學學院工程物探室陶瓷PVC金屬電纜污水管54海洋與地球科學學院工程物探室2)防空洞、地下室及污水箱涵

極強的反射振幅反射波的極性反轉(zhuǎn)55海洋與地球科學學院工程物探室6.探地雷達的應用公用事業(yè)管線的探測56海洋與地球科學學院工程物探室地質(zhì)調(diào)查57海洋與地球科學學院工程物探室考古研究58海洋與地球科學學院工程物探室排雷59海洋與地球科學學院工程物探室垃圾填埋場的影響60海洋與地球科學學院工程物探室冰層的調(diào)查61海洋與地球科學學院工程物探室礦山巷道及隧道襯砌的探測62海洋與地球科學學院工程物探室大口徑管道、合流污水管道的滲漏探測63海洋與地球科學學院工程物探室道路質(zhì)量檢測64海洋與地球科學學院工程物探室專用高速公路路面墊層質(zhì)量檢測雷達系統(tǒng)65海洋與地球科學學