探地雷达培训讲义

1探地雷达培训讲义1：概况1.1：探地雷达技术的起源探地雷达的原义为GroundPenetratingRadar，简称GPR。探地雷达和探空雷达相似，它利用宽频带高频时域电磁波脉冲的反射来探测地下目标，由于探测的目标是地下物体的反射，故称之为探地雷达。目前探地雷达的频率介于106～109Hz之间。将雷达原理用于地下目标的探测，早在1910年就已经提出，当时德国学者G.Leimback和Lowy曾以专利形式阐明这一问题。以后，J.C.Cook于1960年用脉冲雷达在矿井中做了试验，其结果不尽如人意。由于电磁波在地下介质中的传播特性比空气中要复杂得多，早期的探地雷达仅在条件较简单的情形下才能获得好的结果，如在冰面及岩盐矿等介质中。探地雷达技术的发展和应用领域的扩大是随着数字处理技术的应用和发展及电子技术的提高而发展起来的，仪器信噪比的大大提高，适得获取地下弱小的目标反射成为可能，而数字处理技术的应用，又使这些弱小信息的提取成为现实。1971年Takazi和1973年Kitahra在石灰岩地区采石场的探测；1974年R．M．Mofey；1976年，1977年A.P.Annan和J.L.Davis，1978年Olhoeft,Dolphin等，1979年Benson等所进行的工程地质探测；1975年J.C.Cook的煤矿井探测；1982年C.P.Kulriksen的泥炭调查；1982年D.L.Wright，RD.Watts放射性废弃物处理调查及1982～1987年加拿大日本、美国、2瑞典等报道地面和钻孔雷达用于地质构造填图、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测和水坝、隧道、堤岸、古墓遗迹探查等，表明探地雷达在这时已广泛应用于各领域。随着微电子技术的迅速发展，现在的深地雷达设备早已由庞大、笨重的结构改进为现场适用的轻便工具。目前，已推出的商用探地雷达有：美国地球物理探测设备公司（GSSI）的SIR系列，意大利RIS雷达，微波联合公司（M／A－Corn，Inc．）的TerrascanMK系列，日本应用地质株式会社（OYO公司）的GEORADAR系列，加拿大探头及软件公司（SSI）的PulseEKKO系列，瑞典地质公司（SGAB）的RAMAC钻孔雷达系统等。这些商用的探地雷达所使用的中心工作频率在10～3000MHZ范围，时窗在0～20000us。根据不同的地质条件，地面系列的探测深度约在30～50m，分辨率可达数厘米，深度符合率小于±5cm。探地雷达由于采用了宽频短脉冲和高采样率，使其探测的分辨率高于所有其它地球物理探测手段，又由于采用程控多次叠加和多波形处理等信号恢复技术，因而大大改善了信噪比和图象显示性能，多天线高速扫描接收使探测效益更高，并能同时满足不同探测精度的要求，实现高工效、低成本真实地质情况等探测的要求。1.2：我国的发展概况我国的探地雷达仪器研制始于70年代初期，地质矿产部物探研究所、煤炭部煤炭科学院重庆分院，以及一些高等院校和其它研究部门均做过探地雷达仪器研制和野外试验工作。当时使用的是同点天线，以高频示波器显示回波，直接读取初至或照相记录波形。但由于种种原因，这一技术未能正式用于实际，最终均以失败告终。3探地雷达技术在我国的再一次兴起于20世纪80年代未、90年代初。在探地雷达的应用推广和理论研究方面，中国地质大学（武汉）作出了较大的贡献，进行了深地雷达地下目的体的正反演研究工作，完成了大量的物理模拟和数值模拟的实验和计算工作，在理论研究方面起到了较好的带头作用，结合大量的野外实际探测工作所积累的经验，出版和发表了较多的文集，对探地雷达技术在我国的推广具有十分重要的作用。目前，我国的探地雷达仪器还处于开发试验阶段，已有多家单位正在进行探地雷达仪器的研制，并已推出部分样机，因种种原因，还未进入商用。现工勘市场上所使用的仪器除研制单位采用自制样机外，其余均为进口仪器，其型号和性能也有较大的差异。探地雷达已在各行义得到广泛的应用，其理论研究工作也正日益扩展。1.3：探地雷达的应用领域由于探地雷达具有下列技术特性已为其开拓应用领域，尤其是在工程地质领域的应用铺平了道路：（1）地雷达是一种非破坏性的探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场，工作场地条件宽松，适应性强。（2）抗振动干扰能力强，来往车辆和行人对其影响可忽略不计，可在城市内各种噪声环境下工作，环境干扰影响小。（3）具有工程上较满意的探测深度和分辨率，现场直接提供实时剖面记录图，图象清晰直观。（4）便携微机控制数字采集、记录、存储和处理，现场仅需1～5人或更少人员即可工作，工作效率高。4现探地雷达技术现已渗透到各个不同的领域，地矿、水利水电、煤炭、铁道、交通、有色、建筑、环保、考古等各领域均已得到广泛应用。1.4：探地雷达的发展前景及局限性1.4.1：发展前景探地雷达技术相对其它地球物理探测技术来讲，它是一项新的技术，它使用的是电磁波方法、但应用的是地震技术，是一种跨学科的探测方法，在很多方面还有待进一步研究，对从事该项技术研究的人员来税，容易出成果。在仪器研制方面，目前国产令人满意的仪器较少，而进口仪器价格偏高，对适合我国特点的仪器的需求量较大，有利于给仪器研制厂家带来经济效益。由于探地雷达结合了电磁波技术和地震技术的长处，因而它具有目标探测分辨率高、图像直观、真实、可靠、易辨认等优点，另外，高工效、低成本是它具有市场竞争力的可靠保证。高分辨率、高度真实可靠、高工效和低成本等特性，保证了该方法的市场需求和良好的发展前景。1.4.2：存在问题探地雷达使用的是高频电磁波，对探测目标的分辨率较高，但因高频电磁波在地下介质中的衰减，因而导致其探测深度范围受到限制，在潮湿的淤泥质环境下，其探测深度很难达到20m，因而限制了该方法的应用领域。此外，对地表下存在强导电层的环境（如高含碳地层），因其对电磁波的屏蔽，也不能取得满意的效果。具有较大穿透能力的定向雷达天线的开发或许能解决此问题。52：探地雷达技术的基本原理2.1：单谐电磁波的传播特性探地雷达使用的是电磁波，其赫兹势π、电场E、磁场H满足下列关系：E=k2π+▽▽•πH=-jωε▽*π其波在地下介质中传播引起介质质点振动的振动量A随传播距离r、时间t的关系为：常数k是一个复数，可写成k=α+jβ其中：因而有：α为相位系数，与电磁波速度有关，β为衰减因子，与介质对波的吸收程度有关。)1)(1(21)1)(1(2122).(krtjeAArrtjeeAA.)..(62.2：脉冲技术射线理论2.2.1：雷达技术基本理论原理探地雷达利用高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫）以宽频带短脉冲形式，由地面通过发射天线T送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为地面接收天线R所接收（图1），通过对接收波场的成像分析，获取地下目标的探测图像。脉冲波行程需时t为：z为反射目标深度。当地下介质中的波速v为已知时，可根据测到的精确的t值（ns，1ns=10-9s）由上式求出反射体的深度z（m）。式中x（m）值在剖面探测中是固定的；v值（m／ns）可以用宽角方式直接测量，也可以根据v=c／√ε近似算出，其中c为光速（c=0．3m／ns），ε为地下介质的相对介电常数值，后者可利用现成数据或测定获得。vxzt/4227图2为对应目标的波形记录示意图。图上对照一个简单的地质模型，画出了波形的记录．在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。与反射地震剖面类似，雷达剖面亦同样存在反射波的偏移与绕射波的归位问题，因而雷达图像也需要做偏移处理。2.2.2：地下介质电磁波速度的确定方法(1)：利用地层参数计算在相位系数α中，σ/ωε1，因而有如下关系存在：,Cv8式中C为真空中电磁波传播速度（常数：C=0.3m/ns）。ε'为相对介电常数。知道探测目标的相对介电常数，即可按上述关系求取电磁波速度v。下表为几种常见介质的相对介电常数ε'与地层电磁波传播速度v的参考值。表2-1：常见介质的相对介电常数ε'与地层电磁波传播速度v介质相对介电常数ε'速度v(m/ns)花岗岩4(9)0.15(0.1)安山岩20.21玄武岩40.15凝灰岩60.12石灰岩6-70.11-0.12大理岩60.11砂岩40.15煤4-50.13-0.15土壤（含水20%）10(4-10)0.09(0.05-0.15)土壤（干）4(3-5)0.15(0.13-0.18)沼泽森林肥土120.08混凝土6.40.12沥青3-50.13-0.18水810.033雪2-120.1-0.2冰3.20.17空气10.39(2)由已知深度的目的层标定速度在某些情况下，对某目标地层的深度是已知的，如已有钻探资料获得某目标的深度值d，可通过实测该目标地层的反射波双程走时t，来求取地层的电磁波传播速度vv=2d/t该方法求取的速度是以已知地层为依据的，因而具有较高的精度，用它求未知目标的深度时误差较小。在实际工作时，野外数据采集往往先用（1）的方法来估算是否获得探测目标的信息，在室内资料处理和解释时，则用（2）的方法来最终确定目标的深度，两者结合使用，互为补充。(3)利用管状目标的几何反射推算图3是一个管状目标求地层电磁波传播速度的示意图。当测线垂直穿过管状目标物的上方时，在目标侧上方两侧仍能接收到来自管状目标的反射。图3：管状目标求速度示意图。10设在管状体正上方（x=0）所接收到的反射波双程走时为t0，偏移距离x时的反射波双程走时为tx，则管状体的埋深d为：则有电磁波的传播速度v为该方法只要时间和距离测量数据正确，也可得到较高精度的速度值。(4)宽角法或共深度点法图4是利用宽角法求速度的示意图。该方法是利用一个天线不动，另一个天线沿地面移动（或两个天线同时相对中心点背向移动）来求取地层电磁波传播速度的方法。设当两天线相距x1时，得到地下界面的反射波双程走时为T1,天线距为x2时的走时为T2，则地层的电磁波传播速度为图4：宽角法求速度示意图。1)(20ttxdx02tdv11该方法适合于地下介质情况完全未知时使用。2.2.3：反射信号强度平面电磁波到达两种不同的均匀介质的分界面，就要产生反射与折射，入射波、反射波、和折射波的方向遵循反射定律和折射定律。图5:入射到界面的平面电磁波的折射和反射。对图5所示的情况，按Snell定律有θ1=θ2，sinθ1/sinθ2=v1/v2=n。n为折射率。入射角等于反射角，与两边介质性质无关，折射率与介质性质有关。n1时，入射角大于折射角，反之则小于折射角。电磁波到达分界面时，不仅波的传播方向发生改变，且其能量将进行再分配，其总体符合能量守恒定理，在界面两边的能量总和保持不变。即反射系数R12和折射系数T12符合如下关系：R12+T12=121222122ttxxv12反射信号的强度，与地下产生反射的界面的波反射系数和所穿透介质对波的吸收程度有关。由于探地雷达的发射天线和接收天线距很小（或二者合而为一），因而可看成垂直入射情况。对垂直界面入射的反射系数R的模值和幅角分别可由下列关系表示：式中α=μ2/μ1，μ、ε和σ分别为介质的导磁系数、相对介电常数和电导率。2.3：探地雷达的分辨率分辨率是指探地雷达分辨最小异常介质的能力，它分为垂直分辨率和水平分辨率。2.3.1：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成为垂直分辨率，或简单的说是对相邻两个薄层的识别能力。什么是薄层？我们定义层厚度Δh《λ/2的地层为薄层，这里λ为谐和振动的波长。若上式两边同除以速度v，则有τ《T)/(tan)/(tan)cos2/()sin2()(11122122222ArgRabbaabbaR2111122222)/(1/)/(1b13这里T为谐和振动的周期，τ为波在薄层内传播的双程走时。波经过薄层便会产生振荡，形成复合振动，其复合振动的振幅和波的频率f、薄层厚