地质雷达原理及应用

地质雷达理论及应用1904年，德国的Hulsemeyer首次尝试用电磁波信号来探测远距离地面金属体，这便是探地雷达的雏形。1910年，G.Letmbach和H.Lowy在一项德国专利中指出，用埋设在一组钻孔中的偶极天线探测地下相对高导电性的区域，正式提出了探地雷达的概念。1926年，德国的Httlsenberg第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路，并指出电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生反射，这个结论也成为了探地雷达研究领域的一条基本理论依据。1929年Stern进行地质雷达的首次实际应用，他用无线电干涉法测量冰川的厚度。cook在1960年用脉冲雷达在矿井中做了试验。但是地下介质比空气对电磁波有更强的衰减特性，其传播规律比在空气中也要复杂的多，而早期地质雷达频率一般比较低，应用仅局限于对电磁波吸收很弱的诸如冰层、岩盐等介质中。随着现代应用电子技术的高速发展和人们对电磁波认识进一步加深，地质雷达的应用范围从低耗散介质扩展到土层、岩层、混凝土等有耗散介质中，例如：地质勘查、考古、无损检测、管线探测以及建筑结构调查等。非屏蔽天线可应用于：基岩探测、地质分层、岩熔及空洞探测、湖(河)底形态调查、隧道超前探测、坝体深部探测、古墓及其它未知物探测、冰川调查、滑坡调查等土木建筑、地质学及水文地质学方面。探地雷达（GroundPenetratingRadar）是一种高科技的地球物理探测仪器，目前已经广泛的应用于高速公路，机场的路面质量检测；隧道，桥梁，水库大坝检测；地下管线，地下建筑的检测等诸多的工程领域。探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接受来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁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，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断地下介质的分布情况。一、基本原理地质雷达属于高频电磁波，工作原理是基于电磁波的反射原理。地质雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线(Tx)组成。通过发射天线电磁波以60°～90°的波束角向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端将两种显示出来。图1地质雷达探测原理示意图224zxtv222224Hxtvv图中T为发射天线,R为接收天线,两者间距为X,H为反射点的埋深。波从T出发,按几何光学原理经。返回地面到达的时间为。设电磁波在介质中的传播速度为。由简单的几何关系可得出224/tHxv当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走时t，由公式求得目标体的深度H。式中x值即收发距，在剖面测量中是固定的；v值可用宽角法直接测量，也可以根据近似计算公式计算：rcvc为光速；r为地下介质的相对介电常数。介质相对介电常数电磁波速度V（m/ns)水810.033空气10.3雪（湿）4—120.09—0.15石灰岩7(6)0.11(0.12)土壤(干)4(3—5)0.15(0.13—0.18)土壤（含水20%）10(4—40)0.095(0.05—0.15)冰3.20.17铜或铁1----'常见介质的和'V波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确定。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑色和白色表示，或以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射界面。在波形记录上，各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。由于探地雷达的电磁波主要是在非理想介质中传播的所以其衰减的速度非常快，这构成了雷达应用的主要障碍，即探测的深度有限。电磁波的电场强度随着距离的衰减规律是：0rEEer其中为介质的吸收系数，它随电导率的增大和介电常数的减小而增大。趋肤深度2•发射天线发射电磁波穿透地下介质•穿透深度取决于介质的介电常数和电导率•记录反射时间•介质中电磁波速度一般在50-150m/µs•工作模式:反射（多数情况下使用）透射（层析成像、雷达CT,钻孔雷达或对穿探测）探地雷达是如何工作的？•发射天线发射电磁波穿透地下介质•穿透深度取决于介质的介电常数和电导率•记录反射时间•介质中电磁波速度一般在50-150m/µs•工作模式:反射（多数情况下使用）透射（层析成像、雷达CT,钻孔雷达或对穿探测）探地雷达是如何工作的？GPR工作方法–反射•雷达探测的95%是用偶极反射模式•从原理上将，GPR类似于声纳设备•发射机发射一“列”电磁脉冲，该脉冲在介质中传播•在地下介质的电特性有变化的地方发生反射(即散射)•接收机拾取“背散射”信号，记录它并将其显示在计算机屏幕中GPR方法-反射Time[ns]Depth[m]?Length[m]GPR工作方法–层析成像(钻孔雷达)二、地下介质的电特性电特性•要探测的介质的电特性,决定雷达方法是否适用。•在用雷达进行地质勘探时,水是决定电特性的最主要的因素。•电导率(穿透深度…)•相对介电常数(对比度,信号速度,“足印”…)•水(与上面参数有关)传导电流:•Jc=sE•s=电导率(S/m)•s=1/r(电阻率,Wm)•电导率是一个物体传导电流的能力（或电荷在介质中流动的难易程度。•如:-电子在金属板内-水中离子的移动NoE-fieldE-fieldappliedNoE-field电特性GPR信号的穿透深度与土壤的导电率有关(低致金属目标体):电特性0204060801001200,512481632土壤导电率mS/mDepth(feet)01020302551535Depth(meter)土壤中的水含量与电导率-8-7-6-5-4-3-2-10051015202530水含量(水的重量/土壤重量)电导率的对数(mS/m)电特性关于电导率和GPR探测的有用建议:当地下介质的电导率小于10mS/m(或大于100Ohmm),GPR方法通常会得到好的结果当地下介质的电阻率小于30Ohmm),GPR方法无法应用电特性极化电流:•D=eE•e=介电常数(F/m)•er=e/e自由空间(标量)•相对介电常数的值表示将介质中电荷分开的力。•如:-分子偶极子的移动一些分子的特性-金属物体中的电荷嵌在周围环境内NoE-fieldE-fieldappliedNoE-field电特性相对介电常数和GPR信号速度的关系:v=介质中GPR信号的速度c=光速er=相对介电常数电特性相对介电常数和“足印”的关系:“足印”定义为探测的“有效区域”电特性屏蔽天线的内部结构反射系数:•电磁波反射是由地下土壤中电阻抗的变化产生的。•对GPR频率范围，地下介质的阻抗变化主要由相对介电常数的变化决定的。rzzzz()()2121z11z22zjjjf12magneticsuseptibilitydielectricconstant此处:z1=第1层的阻抗z2=第2层的阻抗r=反射系数电特性当Pr0.01时就能有足够的反射反射系数:•对GPR,反射系数近似等于“反射能力”(Pr)电特性02040608010011020304050607081%水含量相对介电常数电特性水含量与相对介电常数:•多数干燥的地下介质，其相对介电常数值10•水的相对介电常数是81三、探地雷达常用词汇的含义[t]振幅Δt[t]时间窗原始信号采集后复制的信号Δt采样周期时间窗=样点数*Δt采样频率=Δt1样点数、采样频率、时间窗（以实时采样为例）为什么雷达不是实时采样?接收机接收的信号[t]112发射机发射的信号周期2334455667878重复采样原理（取样示波）每一个采样周期，发射机都发射一个完整的脉冲信号，接收机记录其中一个点的信号脉冲重复频率！采样频率：最好大于天线中心频率的10倍（一定不要小于6倍），一般达到20倍就足够了，再增加采样频率信号也不会改善。时间窗/样点数：时间窗根据你准备探测的深度确定，最好比你期望的探测深度大30%。要增大时间窗，最好的办法是增加样点数，尽量不要降低采样频率。信号位置/直达波：一般把直达波的起始位置调到30个样点处（通常自动搜索就够了，不行的话手动调整）发射机接收机目标物空气波地下直达波反射波XD电磁波的传播路径土壤(εr,σ)实际雷达图像的直达波直达波反射目标体单道波形杂波叠加次数：叠加是通过平均来提高信噪比，噪声水平是叠加次数平方根的倒数。两种叠加方式：样点叠加（在点测时使用），优点是采集时天线不动，效果好；道叠加（时间和距离采集时使用）优点是方便。采集模式：测距轮（距离）：最常用方式，结果解释准确可靠时间：当无法沿确定测线探测时，如果GPS信号有，可以采用。键盘（点测）：低频天线做深部探测采用，叠加可以很高道：在地面上某一点采集的一个完整的波形道间距/时间间隔：根据探测需要选取天线中心频率：每个天线都有一个频率范围，它不是单频的电磁波的频率分布（频谱）•n=∞•T(t)=a0+∑ancos(n2t*f+άn)•n=1=c/f带宽的定义：带宽B:fh–fl,-10dB为极限值分数带宽:Bfc通常用%表示带宽和中心频率决定了探测的效果脉冲宽度,W=1B中心频率,fc=fl+fh–fl2下面的例子可以看出带宽的重要性带宽低的雷达图像被称为“烟圈（震荡）”天线的方向性在实际使用中的影响：RTA天线：收发天线顺向排列，对极浅部物体无法探测。平行排列天线：沿X方向移动（屏蔽天线一般这样用），得到的信息多；沿Y方向移动：可以更好地穿透钢筋网，结果可能会好些雷达分辨率分辨率决定了地球物理方法分辨最小异常介质的能力。雷达分辨率可以分为垂直分辨率与水平分辨率。1、垂直分辨率我们将探地雷达剖面中能够区分一个以上反射界面的能力称为垂直分辨率。例:800MHz天线,介质速度100m/us-λc=12.5cmδr=3cm在深度10cm时δl=8cm在深度50cm时δl=18cm在深度100cm时δl=25cm水平分辨率随深度的增加而降低雷达的分辨率：注意：雷达天线是宽频的，它有各种频率成分，因此用800兆天线达到2.1厘米的分辨率是可能的！不要过分拘泥于理论细节，电磁波太复杂！四、电磁波速度的确定当有反射体存在时，雷达只记录电磁波走的时间。为了准确了解反射体的埋深，我们必须知道电磁波在该介质中的传播速度。确定电磁波速度有以下方法:1.使用标准速度2.通过已知深度的目标体进行校正3.双曲线拟合4.偏移处理5.共中心点探测6.实验室方法1.使用标准速度材料速度(m/us)空气300水33干沙150饱含水的沙60石灰岩110页岩90淤泥70粘土60花岗岩130混凝土110冰160结合你在这一地区使用雷达的经验确定电磁波速度，这是最简单也是最经常使用的方法。不过电磁波速度和含水量有很大的关系。2.根据已知深度的目标物进行校正实际使用时，最常用的方法是做一条剖面在剖面中寻找一个已知点（如管线、钻孔等），通过已知目标物的深度计算出速度，然后得出其它地下物体的速度。V=2d/t3.抛物线拟合对管线探测较方便，知道某根管子的直径，就可以拟合出速度来4.偏移处理把不同的速度用到雷达图像上,可以找到真正的速度速度太低速度太高速度合适5.共中心点法–速度探测(WARR)•速度探测是估计介质中信号速度的方法•宽角反射折射(WARR)和共中心点(CMP)是两种速度探测的最常用的方法。这两种方法都需要分离的发射机和接收机•WARR法采集数据时，需要一个平坦的水平的反射体但采集时很快速和容易速度＝地表波斜率的倒数＝dx/dt速度探测(CMP)•CMP采集时比较麻烦但只需要一个点状反射体212221222221tttxtxZ2122212222212121)4(tttxtxxtV6.实验室法可以得到非常精确的速度值（测出介质介电常数），但很少使用:-选择有代表性的样本非常困难-实验室设备很昂贵-需要耗费很多时