1、L E T S M A K E I T V I S I B L E雷達基本理論雷達基本理論探地雷達探地雷達基礎基礎L E T S M A K E I T V I S I B L E了解探地雷達的基本知識了解探地雷達的基本知識, 如何使用雷達，什么情況下使用雷達如何使用雷達，什么情況下使用雷達.目的目的:L E T S M A K E I T V I S I B L EDIO ETECTION ND ANGING（無線電探向和測距）（無線電探向和測距）雷達最初是用于軍事目的雷達最初是用于軍事目的探測空中目標體探測空中目標體.L E T S M A K E I T V I S I B L E 什么

2、是探地雷達什么是探地雷達(GPR) ? 采用無線電波探測的一種技術采用無線電波探測的一種技術, 頻率一般在頻率一般在5 - 2000MHz, 對地下結構和埋藏物以及人造結構成像對地下結構和埋藏物以及人造結構成像. 它不是所謂的它不是所謂的“黑匣子黑匣子”, 直接告訴你地下異常體的位置直接告訴你地下異常體的位置. 最早的脈沖雷達系統是最早的脈沖雷達系統是Melton 于于 1937年提出的。年提出的。 三種基本模式三種基本模式: 反射反射, 速度探測速度探測, 層析成像層析成像.L E T S M A K E I T V I S I B L E攜帶方便GPR 是無損探測技術與其它地球物理方法相比

3、， 數據采集速度非常快水平和垂直位置精度高高分辨率地下圖像L E T S M A K E I T V I S I B L E 探測深度和目標體的分辨能力依賴于土壤（或地下介質）特性 . 高導電率介質會使 GPR方法無效（如海水、鹽堿地、金屬礦、粘土層等）. 目標體和周圍介質要有足夠的電性差異（介電常數和電阻率） GPR數據的解釋 因人而異， 解釋者的經驗非常重要.L E T S M A K E I T V I S I B L E 不同天線的穿透深度上述穿透深度是理想條件下的數值.天線 (MHz)土壤中(m) 25 25 40 50 20 30 100 12 20 200 8 15 250 5

4、10 500 3.5 5 800 2 3.5 1000 1.5 3巖石中(m)L E T S M A K E I T V I S I B L E 用電磁波穿透地下介質 穿透深度取決于介質的介電常數和電導率 記錄反射時間 速度一般在 50 - 150 m/s 三種模式: 反射, 速度, 層析成像 基本原理L E T S M A K E I T V I S I B L EGPR 方法方法 反射反射 雷達探測的雷達探測的95% 是用偶極反射模式是用偶極反射模式 從原理上將，從原理上將，GPR 類似于聲納設備類似于聲納設備 發射機發射一發射機發射一 “列列”電磁脈沖，電磁脈沖， 該脈沖在介質中傳播該脈

5、沖在介質中傳播 在地下介質的電特性有變化的地方在地下介質的電特性有變化的地方 發生反射發生反射(即散射即散射) 接收機拾取接收機拾取“背散射背散射”信號，記錄它信號，記錄它 并將其顯示在計算機屏幕中并將其顯示在計算機屏幕中 L E T S M A K E I T V I S I B L EGPR 方法方法- 反射反射Time nsDepth m?Length mL E T S M A K E I T V I S I B L E基本原理基本原理 反射反射 (孔中雷達孔中雷達)L E T S M A K E I T V I S I B L E 基本原理基本原理 速度速度 (地面雷達地面雷達) CM

6、P, common midpoint measurement（共中心點） WARR, wide angle reflection refraction（寬角反射折射） 給出速度剖面用于把時間記錄轉換成深度 需要可分離天線(Tx發射/Rx接收) RAMAC/GPR比競爭對手的優勢L E T S M A K E I T V I S I B L E基本原理基本原理 層析成像層析成像 (鉆孔雷達鉆孔雷達)L E T S M A K E I T V I S I B L ERAMAC/GPR 在野外的應用h一套系統h單人操作h許多應用L E T S M A K E I T V I S I B L E屏蔽

7、天線非屏蔽天線孔中天線250 MHz500 MHz800 MHz1000 MHz25 MHz50 MHz100 MHz200 MHz100 MHz250 MHz100 MHz+ 用絞車和電纜 可測2500 m.Control Unit II, CUII L E T S M A K E I T V I S I B L ERAMAC/GPR 系統示意圖控制單元接收發射數據數據觸發觸發觸發信觸發信號號測量輪L E T S M A K E I T V I S I B L ERAMAC/GPR 屏蔽配置1GHz ,1.2GHz或1.6GHz獨立系統100-800Mhz 屏蔽天線L E T S M A K

8、 E I T V I S I B L ERAMAC/GPR 不屏蔽配置25, 50, 100 和和 200 MHz 不屏蔽天線不屏蔽天線. L E T S M A K E I T V I S I B L ERAMAC/GPR 鉆孔配置100 MHZ 和250 MHz 反射或層析成像模式 電纜或絞車+1000mL E T S M A K E I T V I S I B L ERAMAC/GPR 多道配置多達多達16 個記錄通道個記錄通道連接連接 4 個發射機和個發射機和 4 個接收機個接收機與所有的與所有的RAMAC/GPR 天線兼容天線兼容L E T S M A K E I T V I S I

9、 B L E民用民用/結構工程結構工程公用事業領域 (管線, 電纜), 鋼筋和空洞. 水平定向鉆 前期勘探 (HDD)交通: 公路和鐵路檢測, 冰層厚度,橋面檢測和橋基礎研究.環境環境危險廢棄物成圖, 地下埋藏罐 (UST),沉積巖研究, 深度測量.地球物理技術地球物理技術地層成圖, 空洞和下沉孔, 地下水, 礦井探測, 裂隙探測, 大壩研究, 基礎研究, 隧道調查.軍事軍事道路完整性探測, 戰壕路線探測，地雷、炮彈等埋藏物考古考古 場地成圖, 古墓探測, 人工制品探測L E T S M A K E I T V I S I B L E對雷達來說，最重要的市場對雷達來說，最重要的市場是是 公用事

10、業探測 管線和閥門探測 混凝土檢測 路面和橋面探測 地質勘探 冰, 雪和冰川 鉆孔雷達L E T S M A K E I T V I S I B L EGPR 方法方法 速度探測速度探測 不過，實際使用時，最常用的方法是做一條剖不過，實際使用時，最常用的方法是做一條剖面面 在剖面中尋找一個已知點（如管線、鉆孔等）在剖面中尋找一個已知點（如管線、鉆孔等）， 通過已知目標物的深度計算出速度，然后得出通過已知目標物的深度計算出速度，然后得出其其 它地下物體的速度。它地下物體的速度。 V=2d/tL E T S M A K E I T V I S I B L E地下介質的電特性地下介質的電特性L E

11、T S M A K E I T V I S I B L E電特性電特性 要探測的介質的電特性要探測的介質的電特性, 決定雷達方法是否適用。決定雷達方法是否適用。 在用雷達進行地質勘探時在用雷達進行地質勘探時, 水是決定電特性的最主要的因素。水是決定電特性的最主要的因素。 電導率電導率 (穿透深度穿透深度) 相對介電常數相對介電常數 (對比度對比度, 信號速度信號速度, “足印足印”) 水水 (與上面參數有關與上面參數有關)L E T S M A K E I T V I S I B L E傳導電流傳導電流: Jc = s E s = 電導率電導率(S/m) s = 1/r (電阻率電阻率, W

12、m) 電導率是一個物體傳導電流的能力（或電荷在介質中流動電導率是一個物體傳導電流的能力（或電荷在介質中流動 的難易程度。的難易程度。 如如: - 電子在金屬板內電子在金屬板內 - 水中離子的移動水中離子的移動 No E-field E-fieldappliedNo E-field 電特性電特性L E T S M A K E I T V I S I B L EGPR信號的穿透深度信號的穿透深度 與土壤的導電率有關與土壤的導電率有關 (低致金屬目標體低致金屬目標體):電特性電特性0204060801001200,512481632土壤導電率土壤導電率 mS/m Depth (feet)010203

13、02551535 Depth (meter)L E T S M A K E I T V I S I B L E土壤中的水含量與電導率土壤中的水含量與電導率-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)電導率的對數電導率的對數 (mS/m)電特性電特性L E T S M A K E I T V I S I B L E關于電導率和關于電導率和GPR 探測的有用建議探測的有用建議: “當地下介質當地下介質(寄主寄主)的電導率大于的電導率大于 10 mS/m (或小于或小于100 Ohmm), GPR 不是一個合適的方法不是一個合適的方法

14、”電特性電特性L E T S M A K E I T V I S I B L E極化電流極化電流: D = e E e = 介電常數介電常數 (F/m) er = e/ e 自由空間自由空間 (標量標量) 相對介電常數的值表示將介質中電荷分開的力。相對介電常數的值表示將介質中電荷分開的力。 如如: - 分子偶極子的移動分子偶極子的移動 一些分子的特性一些分子的特性 - 金屬物體中的電荷金屬物體中的電荷 嵌在周圍環境內嵌在周圍環境內 No E-field E-fieldappliedNo E-field 電特性電特性L E T S M A K E I T V I S I B L E相對介電常數和

15、相對介電常數和GPR 信號速度的關系信號速度的關系: v = 介質中介質中GPR 信號的速度信號的速度 c = 光速光速 er = 相對介電常數相對介電常數電特性電特性L E T S M A K E I T V I S I B L E相對介電常數和相對介電常數和“足印足印”的關系的關系:“足印足印” 定義為探測的定義為探測的 “有效區域有效區域 ” 電特性電特性L E T S M A K E I T V I S I B L E反射系數反射系數: 電磁波反射是由地下土壤中電阻抗的變化電磁波反射是由地下土壤中電阻抗的變化 產生的。產生的。 對對GPR 頻率范圍，地下介質的阻抗變化頻率范圍，地下介質的阻抗變化 主要由相對介電常數的變化決定的。主要由相對介電常數的變化決定的。 rzzzz()()2121z11z22zjj jf12magnetic suseptibilitydielectric constant此處此處: z1 = 第第 1層的阻抗層的阻抗 z2 = 第第2層的阻抗層的阻抗 r = 反射系數反射系數電特性電特性L E T S M A K E I T V I S I B L E當當Pr 0.01時時 就能有足夠的反射就能有足夠的反射反射系數反射系數: 對對GPR,