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第五章第五章 地质雷达探测技术地质雷达探测技术 地质雷达法、探地雷达法地质雷达法、探地雷达法GPRGPR（Ground-Penetrating-RadarGround-Penetrating-Radar），），Geo-radar,Geo Probing radarGeo-radar,Geo Probing radar它是一种对下的或结构物内部不可见的目标体它是一种对下的或结构物内部不可见的目标体或分界面进行定位或判别的电磁波探测技术或分界面进行定位或判别的电磁波探测技术1 1海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室 一、基本原理一、基本原理 高频电磁波以宽频带短脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，由接收天线所接收。因为它是从地面向地下发射电磁波来实现探测目的，所以又称探地雷达，高频电磁波在介质中传播时，其传播路径、电磁场强度与波形将随通过介质的电性特征与几何形态而变化。因此，通过对时域波形的采、处理和分析，可确定地下分界面或地质体的空间位置及结构。2 2海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室探地探地雷达工作原理示意图雷达工作原理示意图3 3海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室4 4海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室共偏移距观测方法共偏移距观测方法5 5海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室探地探地雷达工作原理示意图雷达工作原理示意图天线天线雷达可测量信号到达目标的雷达可测量信号到达目标的传传输时间输时间 利用估算的传播速率计算出利用估算的传播速率计算出目目标的距离标的距离当满足下面条件时，隐当满足下面条件时，隐蔽物可由雷达探出：蔽物可由雷达探出：在天线信号范围之内在天线信号范围之内 信噪比适当信噪比适当 时时间间x6 6海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室天线天线时时间间x测深和分辨率与以下几个因素测深和分辨率与以下几个因素测深和分辨率与以下几个因素测深和分辨率与以下几个因素有关有关有关有关：天线频率、发射功率、天线频率、发射功率、天线频率、发射功率、天线频率、发射功率、传播介质的电磁特性、目标物传播介质的电磁特性、目标物传播介质的电磁特性、目标物传播介质的电磁特性、目标物的形状和大小的形状和大小的形状和大小的形状和大小7 7海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室波形波形 波形波形+面积面积 彩色显示彩色显示8 8海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室当目标物与扫描方向垂直时当目标物与扫描方向垂直时当目标物与扫描方向平行时当目标物与扫描方向平行时在雷达图中在雷达图中 经常经常 会形成一会形成一“线状图型线状图型”(当在目标物的顶部扫描时当在目标物的顶部扫描时)在雷达图中在雷达图中 总是总是 会形会形成一成一 “双曲线图案双曲线图案”所以，需要在横向与纵向两个方向进行扫描所以，需要在横向与纵向两个方向进行扫描9 9海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室超高频电磁波（超高频电磁波（10MHz10MHz5000MHz5000MHz）由于地下介质往往具有不同的物理特性，如介质的介电由于地下介质往往具有不同的物理特性，如介质的介电性、导电性及导磁性差异，因而对电磁波具有不同的波性、导电性及导磁性差异，因而对电磁波具有不同的波阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下各地层或管线等目阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下各地层或管线等目标体时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的标体时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲其界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲其传播路径、电磁波场强度与波形将随所通过介质的电性传播路径、电磁波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，从接收到的雷达反射回波质及几何形态而变化，因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料，可以推断地下介质或管线的埋走时、幅度及波形资料，可以推断地下介质或管线的埋深与类型。深与类型。1010海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室u高分辨率高分辨率u无损性无损性u高效率高效率u抗干扰能力强抗干扰能力强特特 点：点：1111海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室雷达勘探基本原理：雷达勘探基本原理：利用波的反射现象测量障碍物离开我们所站地方的距离。例例如如：己己知知声声波波在在空空气气中中传传播播的的速速度度是是：v v=340m/s,=340m/s,从从呼呼喊喊开开始始到到听听见见回回声声的的时时间间 t=4t=4秒秒,那那么么障障碍碍物物离离开开我我们们的的距距离离 S S 就可以用如下公式就可以用如下公式：S=1/2 v*t =（340 4）=680(m)1212海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室脉冲旅行时：脉冲旅行时：1313海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室Hulgmeyer,1904 Hulgmeyer,1904 首次使用电磁信号来确定首次使用电磁信号来确定地下金属目标体的存在地下金属目标体的存在LeimbachLeimbach,Lowy 1910,Lowy 1910,用电磁波定位埋藏用电磁波定位埋藏的物体（专利）的物体（专利）HulsenbeckHulsenbeck：脉冲技术确定地下物体的结脉冲技术确定地下物体的结构，地表下任何介电常数的变化将导致构，地表下任何介电常数的变化将导致电磁波的反射电磁波的反射A.P.AnnanA.P.Annan二、雷达技术的研究及探测仪器的发展二、雷达技术的研究及探测仪器的发展1414海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室加拿大加拿大Sensor&Software Inc.,EKKO Sensor&Software Inc.,EKKO (Noggin)(Noggin)系列系列美国美国GSSIGSSI，SIRSIR系列系列瑞典瑞典MalaMala GeoscienceGeoscience Inc.,RAMAC Inc.,RAMAC系列系列 意大利意大利IDS,IDS,RISRIS系列系列1515海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室EKKO 100增强型EKKO 1000型Noggin 250型EKKO 系列系列1616海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室SIR3000型（最新）匹配天线SIR 系列系列1717海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室3207型5103型5100型NextGSSI自行生产的天线1818海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室Subecho 70型屏蔽天线900型屏蔽Subecho 200型Radarteam定制的天线1919海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室X3M型RAMAC系列系列匹配天线2020海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室屏蔽天线100型非屏蔽天线100型非屏蔽天线200型2121海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室RIS-2K/ME型（多道）RIS系列系列RIS-2K/0型（单道）2222海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室北京爱迪尔公司的北京爱迪尔公司的CBS-9000型型 地质雷达及天线地质雷达及天线2323海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室2424海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室2525海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室三、野外数据优化采集三、野外数据优化采集1.主要技术参数主要技术参数1.1 雷达方程雷达方程2626海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室1.2 探测距离探测距离探测距离与选用的天线的发射功率、天线频率、地下介质的相探测距离与选用的天线的发射功率、天线频率、地下介质的相对介电常数、电导率相关，对介电常数、电导率相关，频率低，发射功率大，介质电阻率高，探测深度大。地下介质相对介电常数电导率(ms/m)雷达波速（m/ns）衰减系数（dB/m)空气100.30淡水800.50.0330.1海水80300000.011000干砂3-50.010.150.01饱和砂20-300.1-100.060.03-0.3石灰岩4-80.5-20.120.4-1泥岩5-151-1000.091-100粉砂5-301-1000.071-100粘土5-402-10000.061-300花岗岩4-60.01-10.130.01-1岩盐5-60.01-10.130.01-1冰3-40.010.160.01金属30010100.017108PVC材料3.31.340.160.142727海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室1.3 分辨率（分辨最小异常体的能力）分辨率（分辨最小异常体的能力）垂向分辨率垂向分辨率：区分一个以上反射界面的能力：区分一个以上反射界面的能力 四分之一波长四分之一波长水平分辨率水平分辨率：在水平方向上所能分辨的最小异常：在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸体的尺寸2828海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室2.野外信号采集方式野外信号采集方式2.1 剖面法（反射观测方式）剖面法（反射观测方式）2929海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室2.2 透射法透射法柱柱墙墙楼板楼板发射天线发射天线接收天线接收天线3030海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室2.3 宽角法（共深点法，宽角法（共深点法，CDP）用于求用于求取取表层土的电磁波传播速度表层土的电磁波传播速度地面地面3131海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室宽角法数据特点3232海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室单点探测与宽角法记录3333海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室宽角法数据处理-动校正3434海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室3 天线极化方向天线极化方向（偶极天线，优选极化方向，（偶极天线，优选极化方向，天线剖面垂直天线剖面垂直于目标体走向于目标体走向的原则）的原则）垂直垂射垂直垂射3535海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室关于天线分离距及其天线排列方向的现场试验关于天线分离距及其天线排列方向的现场试验3636海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室3737海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室0.8m0.4m1.6m1.2m3838海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室0.40.81.23939海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室4.4.探探地地雷达图像的数字处理技术雷达图像的数字处理技术常规的数字处理方法：常规的数字处理方法：预处理预处理：点平均、道平均等：点平均、道平均等 数字滤波，低通、高通及带通、中值波波等数字滤波，低通、高通及带通、中值波波等 增益调节增益调节：AGCAGC、SEGSEG、ConstConst 偏移处理偏移处理：以射线理论为基础的偏移归位方法：以射线理论为基础的偏移归位方法 波动方程偏移波动方程偏移 多次叠加技术多次叠加技术特殊的数据处理方法：特殊的数据处理方法：复信号分析复信号分析：瞬时相位、瞬时振幅、瞬时频率：瞬时相位、瞬时振幅、瞬时频率 其它一些非线性技术的应用，如分形技术其它一些非线性技术的应用，如分形技术发展方向发展方向：图像的三维可视化、智能解释功能：图像的三维可视化、智能解释功能 4040海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室 o NMO DMOABNMO、DMO、偏移处理、偏移处理4141海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室4242海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室自动补偿增益（自动补偿增益（AGCAGC）球面指数增益（球面指数增益（SECSEC）常数增益常数增益用户自定义用户自定义 4343海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室4444海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室5.5.探探地地雷达图像的解释方法雷达图像的解释方法地下介质电性分布地下介质电性分布几何分布几何分布已知资料已知资料波形特征分析波形特征分析4545海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室4646海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室5.1 5.1 时间剖面的对比原则时间剖面的对比原则 拾取反射层，依据勘察孔进行对比，建立各种地层的拾取反射层，依据勘察孔进行对比，建立各种地层的反射波组特征；只要地下介质存在电性差异，就可在雷反射波组特征；只要地下介质存在电性差异，就可在雷达剖面上找到相应的反射波。达剖面上找到相应的反射波。识别和追踪同一界面的反射波形依据：识别和追踪同一界面的反射波形依据：同相性、振幅显著性变化、波形特征同相性、振幅显著性变化、波形特征4747海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室5.2 5.2 干扰波的雷达图像特征干扰波的雷达图像特征 如何识别干扰波与目标体的图像特征非常关键如何识别干扰波与目标体的图像特征非常关键干扰信号在实际探测工作不可避免干扰信号在实际探测工作不可避免1)1)地面干扰地面干扰 地面架空电线（双曲线）地面架空电线（双曲线）测线附近的金属物（强振幅、密集的反射波组）测线附近的金属物（强振幅、密集的反射波组）地面上的砾石（多次反射，局部强振幅回波）地面上的砾石（多次反射，局部强振幅回波）测绳和皮尺（典型的测绳和皮尺（典型的“X”X”型干扰）型干扰）2)2)地下异常的多次波地下异常的多次波 在地质体与地表面来回反射，严重影响目标体的反射波在地质体与地表面来回反射，严重影响目标体的反射波信息，波形杂乱，不规则。信息，波形杂乱，不规则。4848海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室5.3 5.3 常见特殊地质体的雷达图像特征常见特殊地质体的雷达图像特征1)1)潜水面潜水面 水平的强振幅反射波水平的强振幅反射波 潜水面上下介质因为含水量的差别，介电常数产生较大的潜水面上下介质因为含水量的差别，介电常数产生较大的差异，反射系数较大。差异，反射系数较大。潜水面下的反射波组衰减较大潜水面下的反射波组衰减较大4949海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室2)2)不同土层的波场特征不同土层的波场特征杂填土杂填土：反射波杂乱无序，：反射波杂乱无序，粘土层粘土层：同相轴连续，波组平行：同相轴连续，波组平行 粉质粘土，振幅中等粉质粘土，振幅中等 淤泥质粘土，衰减大，振幅小淤泥质粘土，衰减大，振幅小砂层的波场特征与粘土层相似，砂层的波场特征与粘土层相似，中等及粗砂层中等及粗砂层，反射波同相轴不连续，存在有规律的绕射波，反射波同相轴不连续，存在有规律的绕射波中砂岩及粗砂岩中砂岩及粗砂岩粘土层粘土层5050海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室3)3)基岩破碎带的波场特征基岩破碎带的波场特征 同相轴错断，但破碎带两侧的波组关系相对稳定同相轴错断，但破碎带两侧的波组关系相对稳定 破碎面上的振幅强破碎面上的振幅强5151海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室4)4)暗浜及古河道的波场特征暗浜及古河道的波场特征特殊的地质现象。成分复杂，电性差异大特殊的地质现象。成分复杂，电性差异大二者雷达图像特征相似，区别在于范围的大小二者雷达图像特征相似，区别在于范围的大小反射波振幅大，波形粗黑，同相轴不连续，波形杂乱，边反射波振幅大，波形粗黑，同相轴不连续，波形杂乱，边界明显界明显5252海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室5.4 5.4 常见地下目的物的雷达图像特征常见地下目的物的雷达图像特征1)1)地下管线地下管线 反射同相轴呈向上凸起的弧形，顶部反射振幅最强，弧反射同相轴呈向上凸起的弧形，顶部反射振幅最强，弧形两端反射振幅最弱，不同的材质的管线的反射波特征不形两端反射振幅最弱，不同的材质的管线的反射波特征不同：同：金属管金属管：介电常数大，导率率极强，衰减极大，金属管顶：介电常数大，导率率极强，衰减极大，金属管顶反射出现极性反转，无管底的反射信息反射出现极性反转，无管底的反射信息 非金属管非金属管：管顶无极性反转，有可能出现管底信息，管内：管顶无极性反转，有可能出现管底信息，管内是否充水，其波形特征亦不同，若充水，则亦出现波形的是否充水，其波形特征亦不同，若充水，则亦出现波形的极性反转极性反转 管线的半径越大，反射弧的曲率半径就越大管线的半径越大，反射弧的曲率半径就越大5353海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室陶瓷陶瓷PVC金属金属电缆电缆污水管污水管5454海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室2)2)防空洞、地下室及污水箱涵防空洞、地下室及污水箱涵 极强的反射振幅极强的反射振幅反射波的极性反转反射波的极性反转5555海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室6.6.探探地地雷达的应用雷达的应用公用事业管线的探测公用事业管线的探测5656海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室地质调查地质调查5757海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室考古研究考古研究5858海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室排排 雷雷5959海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室垃圾填埋场的影响垃圾填埋场的影响6060海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室冰层的冰层的调查调查6161海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室矿山巷道及隧道衬砌的探测矿山巷道及隧道衬砌的探测6262海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室大大口径管道、合流污水管道的渗漏探测口径管道、合流污水管道的渗漏探测6363海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室道路质量检测道路质量检测6464海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室专用高速公路路面垫层质量检测雷达系统专用高速公路路面垫层质量检测雷达系统6565海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室地表沥青层地表沥青层首层分界面首层分界面二层分界面二层分界面分界面顶层分界面顶层路基塌陷段路基塌陷段6666海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室钢筋检测钢筋检测6767海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室6868海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室裂缝探测裂缝探测6969海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室海底结构调查海底结构调查7070海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室钻孔雷达钻孔雷达7171海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室三维成果显示三维成果显示7272海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室PIPEGPR V2.37373海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室7474海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室7575海洋与地球科学学院工程物探室海洋与地球科学学院工程物探室