1、1孫宏志孫宏志 中國礦業大學（北京）中國礦業大學（北京）Phone:hone:mailEmail：返回返回結束結束2返回返回結束結束3返回返回結束結束4返回返回結束結束5返回返回結束結束 探地雷達應用實例探地雷達應用實例6返回返回結束結束 探地雷達應用實例探地雷達應用實例7返回返回結束結束8 返回返回結束結束9返回返回結束結束10 返回返回結束結束11返回返回結束結束12返回返回結束結束13 返回返回結束結束探地雷達是一種探地雷達是一種非破壞性非破壞性的探測技術，可以安全地用的探測技術，可以安全地用于城市和正在建設中的工程現場。工作場地條件寬

2、松，于城市和正在建設中的工程現場。工作場地條件寬松，適應性強適應性強( (對于輕便類的儀器對于輕便類的儀器) )；抗抗電磁電磁干擾干擾能力強，可在城市內各種噪聲環境下工作，能力強，可在城市內各種噪聲環境下工作，環境干擾影響小；環境干擾影響小；具有工程上較滿意的具有工程上較滿意的探測深度和分辨率探測深度和分辨率. .現場直接提供現場直接提供實時剖面記錄圖，圖像清晰直觀；實時剖面記錄圖，圖像清晰直觀；便攜微機控制數字采集、記錄、存儲和處理。輕便類便攜微機控制數字采集、記錄、存儲和處理。輕便類儀器現場僅需儀器現場僅需3 3人或更少人員即可工作，人或更少人員即可工作，工作效率高工作效率高。 14 返回

3、返回結束結束/xz4t22/c探地雷達探地雷達利用高頻電磁波利用高頻電磁波(主頻為數十兆赫至數百兆赫以至千兆赫)以寬頻帶短以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線脈沖形式，由地面通過天線T送入地下，送入地下，經地下地層或目的體反射后返回地面，經地下地層或目的體反射后返回地面，為另一天線為另一天線R所接收所接收(圖圖1)。脈沖波行程脈沖波行程需時：當地下介質中的波速當地下介質中的波速v為已知時，可根據測到的精確的為已知時，可根據測到的精確的t值值(ns，1ns=lO-9s)。由上。由上式求出反射體的深度式求出反射體的深度(m)。式中。式中x(m)值在剖面探測中是固定的：值在剖面探測中是固定的：v值值(

4、m/ns)可以可以用寬角方式直接測量，也可以根據用寬角方式直接測量，也可以根據近似算出近似算出(當介質的導電率很低時當介質的導電率很低時)4，其中，其中c為光速為光速(c=0.3m/ns)，為地，為地下介質的相對介電常數值，后者可利用現成數據或測定獲得。下介質的相對介電常數值，后者可利用現成數據或測定獲得。15 返回返回結束結束雷達圖形雷達圖形常以脈沖反射波的常以脈沖反射波的波形波形形式記錄。波形的正負峰分別以黑、形式記錄。波形的正負峰分別以黑、白色表示，或者以白色表示，或者以灰階灰階或或彩色彩色表示。這樣，表示。這樣，同相軸同相軸或等灰度、等色線或等灰度、等色線即可即可形象地表征出地下反射面

5、形象地表征出地下反射面。上圖為波形記錄的示意圖。圖上對照。上圖為波形記錄的示意圖。圖上對照一個簡單的地質模型一個簡單的地質模型. .，畫出了波形的記錄。在波形記錄圖上各測點均，畫出了波形的記錄。在波形記錄圖上各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構成雷達剖面。與反射地震剖面相似，以測線的鉛垂方向記錄波形，構成雷達剖面。與反射地震剖面相似，雷達剖面亦同樣存在反射波的雷達剖面亦同樣存在反射波的偏移與繞射波的歸位問題偏移與繞射波的歸位問題。故雷達圖形。故雷達圖形也需作偏移處理。反射脈沖信號的也需作偏移處理。反射脈沖信號的強度強度，與界面的波反射系數和穿透，與界面的波反射系數和穿透介質的波吸收程度有關介質

6、的波吸收程度有關 16 脈沖時間域探地雷達利用超高頻短脈沖電脈沖時間域探地雷達利用超高頻短脈沖電磁波在地下介質中的傳播規律來探測地下介質磁波在地下介質中的傳播規律來探測地下介質的分布。因為任何脈沖波都可以分解成不同的分布。因為任何脈沖波都可以分解成不同頻率的單諧波；對稱振子型、發射和接受天頻率的單諧波；對稱振子型、發射和接受天線間距離很小。因此線間距離很小。因此電偶極源產生的單諧電磁電偶極源產生的單諧電磁波場及傳播特征是探地雷達的理論基礎。波場及傳播特征是探地雷達的理論基礎。 均勻介質中的電磁場均勻介質中的電磁場脈沖時間域探地雷達的基本原理脈沖時間域探地雷達的基本原理電偶極源的電磁場電偶極源的

7、電磁場返回返回結束結束17 返回返回結束結束18 返回返回結束結束19 返回返回結束結束20 返回返回結束結束21 返回返回結束結束22 返回返回結束結束23 返回返回結束結束24 返回返回結束結束25 返回返回結束結束 u、分別為介質的導磁系數、相對介電常數和電導率。 角標1和2分別代表入射介質和透射介質。 由關系式可以看出，反射系數反射系數與界面兩與界面兩邊介質的電磁性質和頻率有關。很明顯，邊介質的電磁性質和頻率有關。很明顯，電磁參數差別大者，反射系數也大，因電磁參數差別大者，反射系數也大，因而反射波的能量也大。而反射波的能量也大。 26 返回返回結束結束27 返回返回結束結束28 返回返

8、回結束結束 對于斜入射情況斜入射情況，反射系數將因波極化性質而變，反射系數還與入射角大小有反射系數還與入射角大小有關關。 介質的含水量一般也會對介質的含水量一般也會對、值有所影值有所影響，含水多者響，含水多者、值變大，相應地，反值變大，相應地，反射系數也會不同射系數也會不同。波的吸收程度與衰減波的吸收程度與衰減因子有關因子有關。 29返回返回結束結束l剖面法與多次覆蓋剖面法與多次覆蓋（1）剖面法）剖面法 剖面法是發射天線（剖面法是發射天線（T）和接收天線（）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。 （2）多次覆蓋）多次覆蓋 應用不同天線距

9、的發射應用不同天線距的發射接收天線在同一接收天線在同一測線上進行重復測量然后把測量記錄中相同測線上進行重復測量然后把測量記錄中相同位置的記錄進行疊加，這種記錄能增強對深部位置的記錄進行疊加，這種記錄能增強對深部地下介質的分辨能力。地下介質的分辨能力。30 返回返回結束結束311分辨率分辨率 分辨率是方法分辨最小異常體的能力。分辨分辨率是方法分辨最小異常體的能力。分辨率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。 （1） 垂向分辨率垂向分辨率一般把地層厚度一般把地層厚度b=4作為垂直分辨率的作為垂直分辨率的下限。下限。 （2）橫向分辨率橫向分辨率探地雷達的技術參數探地雷達的技術

10、參數返回返回結束結束32 返回返回結束結束指對多個目的體的區分或小目的體的識別能力指對多個目的體的區分或小目的體的識別能力。概括地說，。概括地說，這個問題決定于脈沖的寬度，即與脈沖頻帶的設計有關。這個問題決定于脈沖的寬度，即與脈沖頻帶的設計有關。頻帶越寬，時域脈沖越窄，它在射線方向上的時域空間頻帶越寬，時域脈沖越窄，它在射線方向上的時域空間分辨能力就越強，或可近似地認為深度方向的分辨率高，分辨能力就越強，或可近似地認為深度方向的分辨率高，其關系式為：其關系式為： 。式中。式中B Beffeff有效頻帶寬度，為分辨界有效頻帶寬度，為分辨界面的有效波形之間的時間間隔。若從波長的角度來考慮，面的有效

11、波形之間的時間間隔。若從波長的角度來考慮，則工作主頻率越高則工作主頻率越高( (即波長短即波長短) )，雷達反射波的脈沖波形，雷達反射波的脈沖波形就越窄，其分辨率越高。實際應用中可以半波長為尺度就越窄，其分辨率越高。實際應用中可以半波長為尺度來表明來表明縱向分辨率縱向分辨率。例如，對于例如，對于100MHZ100MHZ的中心頻率，在的中心頻率，在粘土中，波長粘土中，波長=0.6m(=0.6m(以以v=0.06m/nsv=0.06m/ns計計) )，其分辨能力，其分辨能力為為0.3m0.3m。 effBt/1effBt/1t33 返回返回結束結束 水平空間方向上的分辨能力水平空間方向上的分辨能力

12、，在很大程，在很大程度上決定于介質的度上決定于介質的吸收特性吸收特性。介質吸收。介質吸收越強，目的體中心部位與、邊緣部位的越強，目的體中心部位與、邊緣部位的反射能量相對差別也越大，水平方向的反射能量相對差別也越大，水平方向的分辨能力相對也就較強。分辨能力相對也就較強。 分辨率還與地下各個方向上脈沖波的能分辨率還與地下各個方向上脈沖波的能量分布情況，即天線的量分布情況，即天線的方向圖方向圖有關。有關。 34 返回返回結束結束35 返回返回結束結束36目的體特性與所處環境分析目的體特性與所處環境分析（1）天線中心頻率選擇）天線中心頻率選擇 （2）時窗選擇）時窗選擇（3）采樣率選擇）采樣率選擇（4）

13、測點點距選擇）測點點距選擇（5）天線間距選擇）天線間距選擇 探地雷達測量的設計探地雷達測量的設計v返回返回結束結束37返回返回結束結束 剖面法剖面法(CDP) (CDP) ：發射天線和接收天線以固定間距發射天線和接收天線以固定間距(TR=z=D)(TR=z=D)沿探測線同步移動，記錄點位于沿探測線同步移動，記錄點位于TRTR的中點。測量中測點間的中點。測量中測點間距應小于波長的距應小于波長的l/4l/4。 寬角法寬角法(WARR)(WARR)：采用一個天線固定，移動另一個天線的方采用一個天線固定，移動另一個天線的方式，或者兩天線同時由一中心點向兩側反方向移動。此時式，或者兩天線同時由一中心點向

14、兩側反方向移動。此時記錄的是電磁波脈沖通過地下各個不同介質層的雙程傳播記錄的是電磁波脈沖通過地下各個不同介質層的雙程傳播時間，它反映地下成層介質的速度分布。時間，它反映地下成層介質的速度分布。 多天線法多天線法(MAM)(MAM)：這種測量方式是利用多個接收天線，同利用多個接收天線，同時實現多點測量。但這種方法必須考慮天線的屏蔽，以避時實現多點測量。但這種方法必須考慮天線的屏蔽，以避免直達波或泄漏波在天線之間多次反射造成的干擾免直達波或泄漏波在天線之間多次反射造成的干擾。 透射法：透射法：做電磁波CT時使用。但用得較少。 38 返回返回結束結束地下介質相當于一個復雜的濾波器，介質對波的不同程度

15、的吸收以及介質的不均勻性質，使得脈沖到達接收天線時，波幅被減小，波形變得與原始發射波形有較大的差別。此外，不同程度的各種隨機噪聲和干擾波，也歪曲了實測數據，因此，必須對接收信號實施適當的處理，以改善數據資料，為進一步解釋提供清晰可辨的圖像。 39數字記錄的探地雷達數據類似于數字記錄的探地雷達數據類似于反射地震反射地震數據，反射地震數字數據，反射地震數字處理許多有效技術通過某種形式改變均可以應用于探地雷達資處理許多有效技術通過某種形式改變均可以應用于探地雷達資料的處理。料的處理。例如：例如：多次重復測量多次重復測量取取平均平均，以抑制隨機噪聲；，以抑制隨機噪聲；鄰近的不同位置的多次測量鄰近的不同

16、位置的多次測量取取平均平均，以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；，以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；自動時變增益或控制增益自動時變增益或控制增益以補償介質吸收和抑制雜波；以補償介質吸收和抑制雜波；濾波處理濾波處理或或時頻變換時頻變換以除去高頻雜波或突出目的體、降低背景噪聲和余振影響，以除去高頻雜波或突出目的體、降低背景噪聲和余振影響，一維、二維一維、二維空間濾波空間濾波設計與脈沖波形有關的設計與脈沖波形有關的反濾波反濾波或或匹配濾波器匹配濾波器做與目的體有做與目的體有關的關的三維處理三維處理 3. 探地雷達的數據處理與資料解釋探地雷達的數據處理與資料解釋(1). 探地雷達的探地雷達的數據處理數據

17、處理返回返回結束結束40（補充速度的求取）（補充速度的求取） 1時間剖面的解釋方法時間剖面的解釋方法（1）反射層的拾取）反射層的拾取（2）時間剖面的解釋）時間剖面的解釋2資料解釋的資料解釋的專家系統專家系統介紹介紹（1）對雷達圖像信息進行反褶積處理。）對雷達圖像信息進行反褶積處理。 （2）利用自動識別系統）利用自動識別系統 （3）根據專家領域知識進行地層性質判別）根據專家領域知識進行地層性質判別 (2). 探地雷達的資料解釋方法探地雷達的資料解釋方法v返回返回結束結束41 返回返回結束結束識別異常識別異常 ：在很大程度上基于地質雷達圖像的正演成果在很大程度上基于地質雷達圖像的正演成果。通過理論計算和大量的物理模擬實驗，為識別現場探測中可能遇到的種種有限目的體所引起的異常，以及對各類圖像進行地質解釋提供理論依據。 地質解釋：地質解釋：和所有物探技術一樣，它是一個和所有物探技術一樣，它是一個“系統工程系統工程”，它包含了物理原理、儀器技術特點、地質和地理、工程人文它包含了物理原