地质雷达原理及应用.ppt

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1、 地质雷达理论及应用 19041904年，德国的年，德国的HulsemeyerHulsemeyer首次尝试用电磁波信号来探测远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。距离地面金属体，这便是探地雷达的雏形。19101910年，年，G.G.Letmbach和和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。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。19261926年，德国的年，德国的HttlsenbergHttlsenberg第一个提出应用脉冲

2、技术确定地下结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。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。19291929年年SternStern进行地质雷达的首次实际应用，他用无线电干涉法测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。量冰川的厚度。cookcook在在19601960年用脉冲雷达在矿井中做了试验。但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，其传播规律比在是地下介质

3、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。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、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

4、调查等。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（探地雷达（Ground Penetrating RadarGround Penetrating Radar）是一种高科）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，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。管线

5、，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（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。分布情况。一、基本原理一、基本原理 地质雷达属于高频电磁波，工作

6、原理是基于电磁波的反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。地质雷达由射原理。地质雷达由发射部分发射部分和和接收部分接收部分组成。发射部分由组成。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。组成。通过发射天线电磁波以通过发射天线电磁波以6090的波束角向地下发射电磁波，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（在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩

7、层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被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。接收机记录或在终端将两种显示出来。图图1 1地质雷达探测原理示意图地质雷达探测原理示意图 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当地下介质中的波速当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走为已知时，可根据精确测得的走时时t，由公式求得目标体的深度，由公式求得目标体的深度H。式中。式中x值即收发距，在剖值即收发距，在剖面测量中是固定的；

8、面测量中是固定的；v值可用宽角法直接测量，也可以根据值可用宽角法直接测量，也可以根据近似计算公式计算：近似计算公式计算：c为为光速；光速；为为地下介地下介质质的相的相对对介介电电常数。常数。介质介质相对介电常数相对介电常数电磁波速度电磁波速度V V（m/ns)m/ns)水水81810.0330.033空气空气1 10.30.3雪（湿）雪（湿）4 412120.090.090.150.15石灰岩石灰岩7(6)7(6)0.11(0.12)0.11(0.12)土壤土壤(干干)4(34(35)5)0.15(0.130.15(0.130.18)0.18)土壤（含水土壤（含水20%20%）10(410(4

9、40)40)0.095(0.050.095(0.050.15)0.15)冰冰3.23.20.170.17铜或铁铜或铁1 1-常见介质的常见介质的 和和波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确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。负峰分别以黑色和白色表示，或以灰阶或彩色表示。这样，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同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射界面。面。在波形记录上，各测点均以测线的铅垂方向记录波形

10、，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。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：的深度有限。电磁波的电场强度随着距离的衰减规律是：其中为其中为介质的吸收系数，它随电导率的增大和介电常数介质的吸收系数，它随电导率的增大和介电常数的减小而增大。的减小而增大。趋肤深度趋肤深度 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

11、录反射时间 介质中电磁波速度一般在 50-150 m/s 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？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 50-150 m/s 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？探地雷达是如何工作的？GPR 工作方法工作方法 反射反射 雷达探测的雷达探测的95%是用偶极反射模式是用偶极反射模式 从原理上将，从原理上将，GPR 类似于声纳设备类似于声纳设备 发射机发射

12、一发射机发射一“列列”电磁脉冲，电磁脉冲，该脉冲在介质中传播该脉冲在介质中传播 在地下介质的电特性有变化的地方在地下介质的电特性有变化的地方 发生反射发生反射(即散射即散射)接收机拾取接收机拾取“背散射背散射”信号，记录它信号，记录它 并将其显示在计算机屏幕中并将其显示在计算机屏幕中 GPR 方法方法-反射反射Time nsDepth m?Length mGPR工作方法工作方法 层析成像层析成像(钻孔雷达钻孔雷达)二、地下介质的电特性二、地下介质的电特性电特性电特性 要探测的介质的电特性要探测的介质的电特性,决定雷达方法是否适用。决定雷达方法是否适用。在用雷达进行地质勘探时在用雷达进行地质勘探

13、时,水是决定电特性的最主要的因素。水是决定电特性的最主要的因素。电导率电导率 (穿透深度穿透深度)相对介电常数相对介电常数 (对比度对比度,信号速度信号速度,“足印足印”)水水 (与上面参数有关与上面参数有关)传导电流传导电流:Jc=s E s=电导率电导率(S/m)s=1/r(电阻率电阻率,W m)电导率是一个物体传导电流的能力（或电荷在介质中流动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。的难易程度。如如:-电子在金属板内电子在金属板内 -水中离子的移动水中离子的移动 No E-field E-fieldappliedNo E-field 电特性电特性GPR信号的穿透深

14、度信号的穿透深度 与土壤的导电率有关与土壤的导电率有关(低致金属目标体低致金属目标体):电特性电特性0204060801001200,512481632土壤导电率土壤导电率 mS/m Depth (feet)01020302551535 Depth (meter)土壤中的水含量与电导率土壤中的水含量与电导率-8-7-6-5-4-3-2-10051015202530水含量水含量(水的重量水的重量/土壤重量土壤重量)电导率的对数电导率的对数 (mS/m)电特性电特性关于电导率和关于电导率和GPR 探测的有用建议探测的有用建议:当地下介质的电导率小于当地下介质的电导率小于 10 mS/m (或大于或

15、大于100 Ohmm),GPR 方法通常会得到好的结果方法通常会得到好的结果 当地下介质的电阻率小于当地下介质的电阻率小于30 Ohmm),GPR 方法无法应用方法无法应用电特性电特性极化电流极化电流:D=e E e=介电常数介电常数(F/m)er=e/e 自由空间自由空间 (标量标量)相对介电常数的值表示将介质中电荷分开的力。相对介电常数的值表示将介质中电荷分开的力。如如:-分子偶极子的移动分子偶极子的移动 一些分子的特性一些分子的特性 -金属物体中的电荷金属物体中的电荷 嵌在周围环境内嵌在周围环境内 No E-field E-fieldappliedNo E-field 电特性电特性相对介

16、电常数和相对介电常数和GPR 信号速度的关系信号速度的关系:v =介质中介质中GPR 信号的速度信号的速度 c =光速光速 er=相对介电常数相对介电常数电特性电特性相对介电常数和相对介电常数和“足印足印”的关系的关系:“足印足印”定义为探测的定义为探测的“有效区域有效区域”电特性电特性屏蔽天线的内部结构屏蔽天线的内部结构反射系数反射系数:电磁波反射是由地下土壤中电阻抗的变化电磁波反射是由地下土壤中电阻抗的变化 产生的。产生的。对对GPR 频率范围，地下介质的阻抗变化频率范围，地下介质的阻抗变化 主要由相对介电常数的变化决定的。主要由相对介电常数的变化决定的。此处此处:z1=第第1层的阻抗层的

17、阻抗z2=第第2层的阻抗层的阻抗r=反射系数反射系数电特性电特性当当Pr 0.01时时 就能有足够的反射就能有足够的反射反射系数反射系数:对对GPR,反射系数近似等于反射系数近似等于 “反射能力反射能力”(Pr)电特性电特性02040608010011020304050607081%水含量水含量相对介电常数相对介电常数电特性电特性水含量与相对介电常数水含量与相对介电常数:多数干燥的地下介质，多数干燥的地下介质，其相对介电常数值其相对介电常数值 c=12.5cmr=3cm在深度在深度10cm时时l=8cm在深度在深度50cm时时l=18cm在深度在深度100cm时时l=25cm水平分辨率随深度的

18、增加而降低水平分辨率随深度的增加而降低雷达的分辨率：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800兆天线达到兆天线达到2.1厘米的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！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。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确

19、定电磁波速度有以下方法:1.使用标准速度使用标准速度2.通过已知深度的目标体进行校正通过已知深度的目标体进行校正3.双曲线拟合双曲线拟合4.偏移处理偏移处理5.共中心点探测共中心点探测6.实验室方法实验室方法1.使用标准速度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实际

20、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，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。然后得出其它地下物体的速度。V=2d/t3.抛物线拟合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低速度太高速度太高速度合适速度合适5.共中心点法共中心点法 速度探测速度探测(WARR)速度探测是估计介质中信号速度的方法速度探测是

21、估计介质中信号速度的方法 宽角反射折射宽角反射折射(WARR)和共中心点和共中心点(CMP)是两种速度探测的最常用的方法。这两种方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，需要一个平坦的水法采集数据时，需要一个平坦的水 平的反射体平的反射体 但采集时很快速和容易但采集时很快速和容易速度地表波斜率的倒数 dx/dt速度探测速度探测(CMP)CMP 采集时比较麻烦采集时比较麻烦但只需要一个点状反射体但只需要一个点状反射体 6.实验室法实验室法可以得到非常精确的速度值（测出介质介电常数），但很少使用可以得到非常精确的速度

22、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选择有代表性的样本非常困难-实验室设备很昂贵实验室设备很昂贵-需要耗费很多时间需要耗费很多时间-最贵的方法最贵的方法二、雷达仪器介绍二、雷达仪器介绍国外国外瑞典瑞典MALA公司的公司的RAMAC/GPR雷达系列雷达系列美国美国GSSI公司的公司的SIR系列雷达（系列雷达（美国劳雷公司代理销售）美国劳雷公司代理销售）加拿大加拿大Sensrs&Software公司公司pulseEKKO型探地雷达型探地雷达国内国内发展状况是：首先通过引进国外的雷达仪器，进行研究发展状况是：首先通过引进国外的雷达仪器，进行研究和和应用，然后开发拥有自主知

23、识产权的自己的雷达产品。国内有应用，然后开发拥有自主知识产权的自己的雷达产品。国内有电子部电子部22所，航天部爱迪尔公司、骄鹏公司和中国矿大所，航天部爱迪尔公司、骄鹏公司和中国矿大（北（北京）四家单位相继推出了自己的雷达产品。京）四家单位相继推出了自己的雷达产品。2.1 2.1 瑞典探地雷达（瑞典探地雷达（RAMAC/GPRRAMAC/GPR）n主要特点主要特点n1.高集成化、真数字式、高速高集成化、真数字式、高速、轻便。、轻便。n2.系统集成化程度高，体积小、重量轻（主机重量仅为系统集成化程度高，体积小、重量轻（主机重量仅为2.4公斤）。公斤）。3.功耗低，主机功耗仅为功耗低，主机功耗仅为2

24、5W；系统耗电量低，不需电瓶供电，；系统耗电量低，不需电瓶供电，n为野外工作提供方便。为野外工作提供方便。4.天线与主机之间采用光纤连接，频带宽、速度快、数据质量好、天线与主机之间采用光纤连接，频带宽、速度快、数据质量好、n抗干扰能力强，因此发射机、接收机及主机之间不会相互干扰。抗干扰能力强，因此发射机、接收机及主机之间不会相互干扰。5.100兆、兆、250兆、兆、500兆、兆、800兆及兆及1000兆天线采用屏蔽方式，因兆天线采用屏蔽方式，因n此其抗干扰能力强。此其抗干扰能力强。6.主机与计算机之间采用主机与计算机之间采用ECP并口传输方式，数据传输速度快。并口传输方式，数据传输速度快。7.

25、主机可与低频、中频、高频天线全部兼容，同时与孔中天线也主机可与低频、中频、高频天线全部兼容，同时与孔中天线也n兼容，因此性能价格比高，为用户添置新天线节约资金。兼容，因此性能价格比高，为用户添置新天线节约资金。8.显示方式采用外接笔记本方式。显示方式采用外接笔记本方式。2.1 2.1 瑞典探地雷达（瑞典探地雷达（RAMAC/GPRRAMAC/GPR）2.1 2.1 瑞典探地雷达（瑞典探地雷达（RAMAC/GPRRAMAC/GPR）2.1 2.1 瑞典探地雷达（瑞典探地雷达（RAMAC/GPRRAMAC/GPR）2.1 2.1 瑞典探地雷达（瑞典探地雷达（RAMAC/GPRRAMAC/GPR）R

26、AMAC/GPR非屏蔽天线是低频天线，主要用于深层非屏蔽天线是低频天线，主要用于深层探测，该天线只能与探测，该天线只能与CUII主机配合使用。典型的非屏蔽天主机配合使用。典型的非屏蔽天线有线有25MHz、50MHz、100MHz、200MHz天线。所有的天线。所有的RAMAC/GPR非屏蔽天线均使用同样的发射机及接收机、非屏蔽天线均使用同样的发射机及接收机、光纤、玛拉测链、天线分离架及主控单元。天线重量轻，光纤、玛拉测链、天线分离架及主控单元。天线重量轻，适用于单人操作。收、发天线容易分离，可以采用适用于单人操作。收、发天线容易分离，可以采用CMP法（共中心点）计算速度。法（共中心点）计算速度

27、。非屏蔽天线可应用于土木建筑、地质学及水文地质学等。非屏蔽天线可应用于土木建筑、地质学及水文地质学等。2.1 2.1 瑞典探地雷达（瑞典探地雷达（RAMAC/GPRRAMAC/GPR）2.2 SIR2.2 SIR雷达介绍雷达介绍n该型号探地雷达仪器的特点是：系统高度集成化、数字化，操作简单化，天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辨率高，具有实时数据处理和信号增强，现场实时显示二维彩色图像。其配置的探测天线系列化，可应用与各类地下目的体及目的层的检测与探测。2.2 SIR2.2 SIR雷达介绍雷达介绍SIR-20高速高精度多通道透视雷达高速高精度多通道透视雷达 SIR-3000便携式透地雷达便携式透地

28、雷达 100MHz400MHz2.2 SIR2.2 SIR雷达介绍雷达介绍200MHz900MHz1200MHz2.2 SIR2.2 SIR雷达介绍雷达介绍。2.2 SIR2.2 SIR雷达介绍雷达介绍2.2 SIR2.2 SIR雷达介绍雷达介绍2.3 2.3 加拿大加拿大EKKOEKKO型雷达型雷达nThe pulseEKKO 100(1000)system provides shielded,full bi-static operational capability.The ability to move the antennas independently allows both sim

29、ple reflection profiling surveys as well as CMP,multi offset and transillumination experiments to be conducted.The versatility of the system allows for variation in polarization as well as a number of other geometrical transducer configurations.EKKO-100型EKKO-1000型400MHz2.4 2.4 中国电波传播研究所中国电波传播研究所青岛分所

30、：青岛分所：LTD-3LTD-32.4 2.4 中国电波传播研究所中国电波传播研究所青岛分所：青岛分所：LTD-3LTD-3三、野外工作方法三、野外工作方法 探地雷达的野外工作，必须根据探测对象的状况及所处的探地雷达的野外工作，必须根据探测对象的状况及所处的地质环境并选择合适的测量参数，才能保证雷达记录的质量。地质环境并选择合适的测量参数，才能保证雷达记录的质量。1）、剖面法）、剖面法2）、多次覆盖）、多次覆盖3）、宽角法）、宽角法3.1 3.1 测量方式测量方式 1）、剖面法）、剖面法 剖面法是发射天线剖面法是发射天线(T)和接收天线和接收天线(R)以固定间距沿测线同以固定间距沿测线同步移动

31、的一种测量方式，当发射天线与接收天线间距为零，步移动的一种测量方式，当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线与接收天线合二为一时称为单天线形式，反之亦即发射天线与接收天线合二为一时称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵面图来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为反射波双程定时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地坐标为反射波双程定时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确反映下界面反射回到接收天线所需的时间。

32、这种记录能准确反映测线下方地下各反射界面的形态。测线下方地下各反射界面的形态。2）、多次覆盖法、多次覆盖法由于介质对电磁波的吸收，来自深部界面的反射波由于介质对电磁波的吸收，来自深部界面的反射波会由于信噪比过小而不易识别。这时可应用不同天线距会由于信噪比过小而不易识别。这时可应用不同天线距的发射的发射接收天线在同一测线上进行重复测量，然后把接收天线在同一测线上进行重复测量，然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。对深部地下介质的分辨能力。3）、宽角法、宽角法当一个天线固定在地当一个天线固定在地面某一点上不动

33、，而另一面某一点上不动，而另一个天线沿测线移动，记录个天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方的双程走时，这种测量方式称为宽角法。式称为宽角法。这种测量方式的目的是这种测量方式的目的是求取地下介质的电磁波传播求取地下介质的电磁波传播速度。速度。3.2 3.2 探地雷达的技术参数探地雷达的技术参数3.2 3.2 探地雷达的技术参数探地雷达的技术参数探地雷达数据处理的探地雷达数据处理的目标目标是压制随机的和规则的干扰，是压制随机的和规则的干扰，以最大可能的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，提以最大可能的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，提取反射

34、波的各种有用的参数取反射波的各种有用的参数(包括电磁波速度，振幅和波形等包括电磁波速度，振幅和波形等)来帮助解释。探地雷达与反射地震都依靠脉冲回波信号，其来帮助解释。探地雷达与反射地震都依靠脉冲回波信号，其子波长度都由发射源控制。脉冲在地下传播过程中，能量均子波长度都由发射源控制。脉冲在地下传播过程中，能量均会产生球面衰减，也会由于介质对波的能量的吸收而减弱，会产生球面衰减，也会由于介质对波的能量的吸收而减弱，在地下介质不均时还会发生散射、反射与透射。因此数字记在地下介质不均时还会发生散射、反射与透射。因此数字记录的探地雷达数据类似于反射地震数据，反射地震数字处理录的探地雷达数据类似于反射地震

35、数据，反射地震数字处理许多有效技术通过某种形式改变均可以应用于探地雷达资料许多有效技术通过某种形式改变均可以应用于探地雷达资料的处理。的处理。四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释4.1 4.1 数字滤波数字滤波 矿井地质雷达在测量过程中，为了保留尽可能多的信息，矿井地质雷达在测量过程中，为了保留尽可能多的信息，常采用常采用全通全通的记录方式，这样有效波的干扰就被同时记录下来，的记录方式，这样有效波的干扰就被同时记录下来，为了去除数据中的干扰信号，需要采用数字滤波的方法。为了去除数据中的干扰信号，需要采用数字滤波的方法。数字数字滤波滤波就是根据

36、数据中有效信号和干扰信号频谱范围的不同来消就是根据数据中有效信号和干扰信号频谱范围的不同来消除干扰波。除干扰波。如果有效信号的频谱分布与干扰信号的频谱有一个比较如果有效信号的频谱分布与干扰信号的频谱有一个比较明显的分界，那么可根据具体的干扰信号的分布，设计一个合明显的分界，那么可根据具体的干扰信号的分布，设计一个合理的理的滤波器滤波器，将其滤除，就得到了滤波以后的结果，根据干扰，将其滤除，就得到了滤波以后的结果，根据干扰信号的频谱分布的不同，可以采取低通、高通或带通的方法。信号的频谱分布的不同，可以采取低通、高通或带通的方法。四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释4.1 4.1 数字滤波

37、数字滤波如果噪音的频谱分布只有高频成分，那么可采用如果噪音的频谱分布只有高频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除：如下的滤波器将其滤除：式中 是高截频率。1）低通滤波）低通滤波四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释4.1 4.1 数字滤波数字滤波2）高通滤波）高通滤波如果噪音的频谱分布只有低频成分，那么可采用如果噪音的频谱分布只有低频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除：如下的滤波器将其滤除：式中 是低截频率。四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释3）带通滤波）带通滤波如果噪音的频谱分布既有低频成分又有高频成分，如果噪音的频谱分布既有低频成分又有高频成分，那么可采用如下的滤波器将其

38、滤除：那么可采用如下的滤波器将其滤除：四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释4.1 4.1 数字滤波数字滤波4.2 4.2 雷达资料的偏移处理雷达资料的偏移处理 探地雷达与反射地震方法一样都是接收来自地下介探地雷达与反射地震方法一样都是接收来自地下介质界面的反射波。偏离测点的地下介质交界面的反射点，质界面的反射波。偏离测点的地下介质交界面的反射点，只要其法平面通过测点，都可以被记录下来。在资料处只要其法平面通过测点，都可以被记录下来。在资料处理中需把雷达记录中的理中需把雷达记录中的每个反射点移到其原来的位置每个反射点移到其原来的位置，这种处理方法称为这种处理方法称为偏移归位处理偏移归位处

39、理，经过偏移处理的雷达，经过偏移处理的雷达剖面可剖面可反映地下介质的真实位置反映地下介质的真实位置。四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释85cm雷达天线测线10cmm5cm有机玻璃30cm档板塑料进出水管口四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释4.2 4.2 雷达资料的偏移处理雷达资料的偏移处理 原始数据雷达剖面图 偏移后的雷达剖面图 四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释4.2 4.2 雷达资料的偏移处理雷达资料的偏移处理 4.3 4.3 雷达图像的增强处理雷达图像的增强处理四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释1）振幅恢复）振幅恢复4.3 4.3 雷达图像的增强处

40、理雷达图像的增强处理四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释2）道内均衡）道内均衡4.3 4.3 雷达图像的增强处理雷达图像的增强处理四、数据处理与资料解释四、数据处理与资料解释2）道内均衡）道内均衡一、基本原理一、基本原理 二二 野外工作方法野外工作方法 1、剖面法、剖面法2、多次覆盖、多次覆盖3、宽角法、宽角法三、三、地质雷达数据处理地质雷达数据处理1、数字滤波、数字滤波2、雷达资料的偏移处理、雷达资料的偏移处理 3、雷达图像的增强处理、雷达图像的增强处理四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释探地雷达资料的地质解释探地雷达资料的地质解释是探地雷达测量的是探地雷达测量的目的。然而探地雷

41、达资料反映的是地下介质的电目的。然而探地雷达资料反映的是地下介质的电性分布，要把地下介质的电性分布转化为地质体性分布，要把地下介质的电性分布转化为地质体的分布，必须把地质、钻探、探地雷达和其他相的分布，必须把地质、钻探、探地雷达和其他相关的资料有机结合起来，建立测区的地质关的资料有机结合起来，建立测区的地质地地球物理模型，并以此获得地下地质模式。球物理模型，并以此获得地下地质模式。1、时间剖面的解释方法、时间剖面的解释方法四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释2、雷达波速度的求取、雷达波速度的求取1、时间剖面的解释方法、时间剖面的解释方法四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释 探地雷达图像

42、剖面是探地雷达资料地质解释的基础图件，只要地下介质中存在电性差异，就可以在雷达图像剖面中找到相应的反射波与之对应。根据相邻道上反射波的对比，把不同道上同一个反射波相同相位相同相位连结起来的对比称为同相轴同相轴。一般在无构造区，同一波组往往有一组光滑平行的同相轴与之对应，这一特性称为反射波组的同相性反射波组的同相性。1、时间剖面的解释方法、时间剖面的解释方法四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释 探地雷达测量使用的点距很小(2m)，地下介质的地质变化在一般情况下比较缓慢，因此相邻记录道上同一反射波组的特征会保持不变，这一特征称为反射波形的相似性。反射波形的相似性。同一地层的电性特征接近，其反射

43、波组的波形、振幅、周期及其包络线形态等有一定特征。确定具有一定特征的反射波组是反射层识别的基础，而反射波组的同相性同相性与相似性相似性为反射层的追踪提供了依据。2009.10不同测量目的对地层的划分是不同：不同测量目的对地层的划分是不同：（1）在进行考古调查时，特别关注文化层的识别；（2）在进行工程地质调查时，常以地层的承载力作为地层划 分依据，因此不仅要划分基岩，而且对基岩风化程度也 需要加以区分。为此需要根据测量目的，对比雷达图像与钻探结果，建立测区地层的反射波组特征。根据反射波组的特征就可以在雷达图像剖面中拾取反射层。一般是从垂直走向的测线开始，逐条测线进行。最后拾取的反射层必须能在全部

44、测线中都能连接起来并保证在全部测线交点上相互一致闭合。1、时间剖面的解释方法、时间剖面的解释方法四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释1、时间剖面的解释方法、时间剖面的解释方法四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释 根据地层反射波组特征与钻孔对应的位置划分反射波组后，就需要依据反射波组的同相性同相性与相似性相似性进行地层的追索与对比。在进行时间剖面的对比之前，要掌握区域地质资料，了解测区所处的构造背景。在此基础上，充分利用时间剖面的直观性和范围大的特点，统观整条测线，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质构造特征，其中特别要重点研究特特征波征波的同相轴变化。特征波是指强振幅、能

45、长距离连续追踪、波形稳定的反射波。它们一般都是主要岩性分界面的有效波。它们特征明显，易于识别。掌握了它们就能研究剖面的主要地质构造特点。时间剖面上主要表现如下特征：时间剖面上主要表现如下特征：1、时间剖面的解释方法、时间剖面的解释方法四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释1）雷达反射波同相轴发生明显错动2）雷达反射波同相轴局部缺失3）雷达反射波波形发生畸变4）雷达反射波频率发生变化1、时间剖面的解释方法、时间剖面的解释方法四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释1、时间剖面的解释方法、时间剖面的解释方法四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释1、时间剖面的解释方法、时间剖面的解释方法四、四、

46、地质雷达资料解释地质雷达资料解释1、时间剖面的解释方法、时间剖面的解释方法四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释1、时间剖面的解释方法、时间剖面的解释方法四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释上述现象在地质雷达时间剖面上特征往往不是孤立的，上述现象在地质雷达时间剖面上特征往往不是孤立的，即有时几种特征同时存在，只是有的特征更突出，有的特征即有时几种特征同时存在，只是有的特征更突出，有的特征不明显，这就需要资料解释人员除对区域地质条件充分了解不明显，这就需要资料解释人员除对区域地质条件充分了解以外，还必须具有丰富的实践和解释经验，从而去伪存真，以外，还必须具有丰富的实践和解释经验，从而去伪存

47、真，得到更准确的地下地质信息。得到更准确的地下地质信息。2、雷达波速度的求取、雷达波速度的求取四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释雷达波速度的获取视探地雷达资料解释的重要内容。雷达波速度的获取视探地雷达资料解释的重要内容。也是深度转化的重要的参数，其准确与否，直接关系到解也是深度转化的重要的参数，其准确与否，直接关系到解释结果的准确程度。电磁波在介质中传播速度的获取常用释结果的准确程度。电磁波在介质中传播速度的获取常用的方法有：的方法有：1）已知目标换算方法；）已知目标换算方法；2）几何刻度法；）几何刻度法；3）介电常数法；）介电常数法；4）CDP速度分析法；速度分析法；5）反射系数法等。

48、）反射系数法等。1）已知目标换算方法最简单，已知目标换算方法最简单，同时是常用的方法。该方法是采用钻探的方法获取已知地层或目标体的深度，根据电磁波的传播时间进行计算。然后将获得速度来推断没有钻孔或已知目标的区域地质体的深度。2、雷达波速度的求取、雷达波速度的求取四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释2、雷达波速度的求取、雷达波速度的求取四、四、地质雷达资料解释地质雷达资料解释2）五、探地雷达的应用五、探地雷达的应用 80年代以来。由于电子技术与数字处理技术的发展、使年代以来。由于电子技术与数字处理技术的发展、使探地雷达的分辨率与探测深度大大提高、探地雷达已在探地雷达的分辨率与探测深度大大提高

49、、探地雷达已在工程工程地质勘察地质勘察、灾害地质调查灾害地质调查、地基基础施工质量检测地基基础施工质量检测、考古调考古调查查、管线探测管线探测、公路工程质量检测公路工程质量检测等多个领域中得到了广泛等多个领域中得到了广泛应用。应用。五、探地雷达的应用五、探地雷达的应用 5.1、雷达测量管线的应用、雷达测量管线的应用五、探地雷达的应用五、探地雷达的应用 金属管陶瓷管铁块塑料管n首先在沙坑中对首先在沙坑中对500MHz天线和天线和900MHz天线进行实验。在沙坑中埋设四种天线进行实验。在沙坑中埋设四种不同介质管线，它们分别是金属管、陶瓷管、塑料管和铁块，管线直径不同介质管线，它们分别是金属管、陶瓷

50、管、塑料管和铁块，管线直径8厘厘米，埋设深度为米，埋设深度为25厘米，铁块的埋设深度厘米，铁块的埋设深度1厘米，接近地表面。时窗设定厘米，接近地表面。时窗设定36ns，使用，使用500MHz天线进行雷达扫描探测。上图为扫描探测结果。从实验天线进行雷达扫描探测。上图为扫描探测结果。从实验结果来看，金属目标体具有较强的反射能量，且多次干扰波严重，非金属结果来看，金属目标体具有较强的反射能量，且多次干扰波严重，非金属物在介质均匀的沙坑中，也存在明显的反射图象。物在介质均匀的沙坑中，也存在明显的反射图象。n下图是在水泥路面使用下图是在水泥路面使用900MHz天线对地下管线的探测结果，时窗设置为天线对地