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1、第五章 地质雷达探测技术,地质雷达法、探地雷达法GPR（Ground-Penetrating-Radar），Geo-radar, Geo Probing radar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,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
2、体的空间位置及结构。,海洋与地球科学学院工程物探室,3,探地雷达工作原理示意图,共偏移距观测方法,探地雷达工作原理示意图,天线,雷达可测量信号到达目标的传输时间 利用估算的传播速率计算出目标的距离,当满足下面条件时，隐蔽物可由雷达探出： 在天线信号范围之内 信噪比适当,时间,x,天线,时间,x,测深和分辨率与以下几个因素有关：天线频率、发射功率、传播介质的电磁特性、目标物的形状和大小,波形 波形+面积 彩色显示,当目标物与扫描方向垂直时,当目标物与扫描方向平行时,在雷达图中 经常 会形成一 “线状图型” (当在目标物的顶部扫描时),在雷达图中 总是 会形成一 “双曲线图案”,所以，需要在横向与
3、纵向两个方向进行扫描,超高频电磁波（10MHz5000MHz）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深与类型。,高分辨率无损性高效率抗干扰能力强,特 点：,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。 例如：己知声波在空气中传播
4、的速度是：v=340m/s, 从呼喊开始到听见回声的时间 t=4秒, 那么障碍物离开我们的距离 S 就可以用如下公式：,S = 1/2 v*t = （340 4） =680(m),脉冲旅行时：,Hulgmeyer,1904 首次使用电磁信号来确定地下金属目标体的存在Leimbach, Lowy 1910, 用电磁波定位埋藏的物体（专利）Hulsenbeck：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电磁波的反射A.P.Annan,二、雷达技术的研究及探测仪器的发展,加拿大Sensor & Software Inc., EKKO (Noggin)系列美国GSSI，SIR系列瑞典M
5、ala Geoscience Inc., RAMAC系列 意大利IDS, RIS系列,EKKO 100增强型,EKKO 1000型,Noggin 250型,EKKO 系列,SIR3000型（最新）,匹配天线,SIR 系列,3207型,5103型,5100型,Next,GSSI自行生产的天线,Subecho 70型,屏蔽天线900型,屏蔽Subecho 200型,Radarteam定制的天线,X3M型,RAMAC系列,匹配天线,屏蔽天线100型,非屏蔽天线100型,非屏蔽天线200型,RIS-2K/ME型（多道）,RIS系列,RIS-2K/0型（单道）,北京爱迪尔公司的CBS-9000型 地质雷
6、达及天线,三、野外数据优化采集,1. 主要技术参数1.1 雷达方程,1.2 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。,1.3 分辨率（分辨最小异常体的能力）垂向分辨率：区分一个以上反射界面的能力 四分之一波长水平分辨率：在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸,2. 野外信号采集方式2.1 剖面法（反射观测方式）,2.2 透射法,柱墙楼板,发射天线,接收天线,2.3 宽角法（共深点法，CDP） 用于求取表层土的电磁波传播速度,地面,宽角法数据特点,单点探测与宽角法记录,宽角法数据处理-动校正,3 天线极化
7、方向（偶极天线，优选极化方向，天线剖面垂直于目标体走向的原则）,关于天线分离距及其天线排列方向的现场试验,0.8m,0.4m,1.6m,1.2m,0.4,0.8,1.2,4. 探地雷达图像的数字处理技术,常规的数字处理方法： 预处理：点平均、道平均等 数字滤波，低通、高通及带通、中值波波等 增益调节：AGC、SEG、Const 偏移处理：以射线理论为基础的偏移归位方法 波动方程偏移 多次叠加技术特殊的数据处理方法： 复信号分析：瞬时相位、瞬时振幅、瞬时频率 其它一些非线性技术的应用，如分形技术发展方向：图像的三维可视化、智能解释功能,o,NMO,DMO,A,B,NMO、DMO、偏移处理,自动补
8、偿增益（AGC） 球面指数增益（SEC） 常数增益用户自定义,5. 探地雷达图像的解释方法,5.1 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。 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,5.2 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干扰信号在实际探测工作不可避免1) 地面干扰 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） 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“X”型干扰）2) 地下异常的多次波 在地质
9、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。,5.3 常见特殊地质体的雷达图像特征1) 潜水面 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差异，反射系数较大。 潜水面下的反射波组衰减较大,2) 不同土层的波场特征杂填土：反射波杂乱无序，粘土层：同相轴连续，波组平行 粉质粘土，振幅中等 淤泥质粘土，衰减大，振幅小砂层的波场特征与粘土层相似，中等及粗砂层，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,粘土层,3) 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 破碎面上的振幅强,4) 暗浜及古河道的波场特征特殊的地质现象
10、。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反射波振幅大，波形粗黑，同相轴不连续，波形杂乱，边界明显,5.4 常见地下目的物的雷达图像特征1) 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：金属管：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 非金属管：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，则亦出现波形的极性反转 管线的半径越大，反射弧的曲率半径就越大,陶瓷,PVC,金属,电缆,污水管,2) 防空洞、地下室及污水箱涵 极强的反射振幅反射波的极性反转,6. 探地雷达的应用,公用事业管线的探测,地质调查,考古研究,排 雷,垃圾填埋场的影响,冰层的调查,矿山巷道及隧道衬砌的探测,大口径管道、合流污水管道的渗漏探测,道路质量检测,专用高速公路路面垫层质量检测雷达系统,地表沥青层,首层分界面,二层分界面,分界面顶层,路基塌陷段,钢筋检测,裂缝探测,海底结构调查,钻孔雷达,三维成果显示,PIPEGPR V2.3,
