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探地雷达方法原理简介,一、探地雷达的基本概念二、发展历史及现状三、方法特点及应用领域四、电磁理论基础及雷达波场特征,一、 探地雷达的基本概念,图1 探地雷达原理,电磁脉冲在地层介质中的旅行时间为 雷达记录中波的旅行时间是以纳秒（ns ）为单位， ；雷达波速以米/纳秒（m/ns）为单位。,关于这一方法的名称： ground-penetrating radar; ground-probing radar;Georadar; subsurface radar; surface penetrating radar;Impulse radar.目前国际会议与刊物上常用：ground-penetrating radar (GPR);Georadar,反射剖面法探测工作方式,反射剖面法,探地雷达数据采集方式,1.反射剖面法,横穿两隧道顶部的探地雷达剖面,探测古河道的探地雷达剖面,2.共中心点(CMP) 或宽角反射折射法(WARR),采用共中心点（CMP）法进行速度测量的过程,A CMP Radar record,3.透射法,连续测量与离散测量,连续采样概念,Illustration of discrete and continuous measurementwith equal spatial sampling interval. The two modes give equivalent results when ground response varies slowly with respect to the sampling interval.,Examples of continuous data acquisition at speed of 3.5km/h (top left fig.),7km/h(top right), 14km/h(bottom left), and 28km/h(bottom right) respectively.,二、发展历史及现状,电磁学发展过程简介：1785年，库仑研究电荷之间的相互作用；1786年，伽伐尼发现了电流；1820年，奥斯特发现了电流的磁效应；1831年， 法拉第发现电磁感应现象；1864年， 麦克斯韦总结出了麦克斯韦方程组，提出 了光的电磁理论，并预言了电磁波的存在。1888年， 赫兹证实了电磁波的存在。,GPR技术发展历史 1904，Hlsmeyer 提出采用电磁信号确定遥远地表的金属物体的存在；1910，德国人 G.leimbach & Lwy 以专利形式提出用电磁波技术探测地下埋设体； 1926，Hlsenbeck 第一个采用脉冲电磁技术确定地下埋设体的结构，他指出：介电系数的差异也同样会产生反射；同时由于容易制造电磁辐射的定向源，故有优于地震方法的长处。,19301950：极地探险发现冰的电磁波透明性；美国人Amory Waite 开发无线电回波测深技术用于南极冰川厚度测量。 19501960：极地冰川探测、冰川冻土研究； 煤及岩盐矿等介质的探测。1970年代初期：Apollo登月计划，美、加两国联合运用安装在月球轨道飞行器上的脉冲雷达探测对月表结果进行探测研究。19701980：GSSI, SSI等国际著名的探地雷达开发与制造公司成立。1980 以后 ,Pulse EKKO IV radar system,1. 加拿大Sensor & Software Inc. EKKO系列,GPR field survey with EKKO 100 system,GPR field survey with EKKO 100 system,PulseEKKO PRO This next generation GPR is the most powerful and flexible commercial GPR system in the world!,探地雷达系统按使用天线的中心频率可分为：高频雷达：200兆赫芝2500兆赫芝低频雷达：10兆赫芝200兆赫芝高频与低频雷达系统的功用不同高频雷达主要用于检测低频雷达主要用于勘探,探地雷达系统分类及功用,为什么要配置多种中心频率的天线？,(GSSI )50MHz antenna housing units spaced 4.4mApart and under tow by a tracked vehicle.Investigate groundwater and bedrock in an area ofDiscontinuous permafrost,SIR-20 Radar console (GSSI),GSSI探地雷达3000型,400MHZ屏蔽天线,SPR scan radar system(ERA Technology,U.K.),4、国外其它系列探地雷达系统,Seeker SPR 探地雷达系统其前身是英国ERA航空电子工程公司开发研制，能探测非金属塑胶地雷。现由美国US Radar/Subsurface Imaging Systems公司进一步开发研究。天线主频：2G，1G，500M,250M系列天线。系统动态范围：130dB时间窗范围：6.3820 ns.,英国UTSI ELECTRONICS 公司 Groundvue系列,Groundvue 5（26G),Groundvue 6(15M),意大利IDS公司的RIS探地雷达系统,DETECTOR数字化管线雷达,瑞典Radarteam公司Cobra Plug-in探地雷达系统,SUBECHO-150(105MHz),SUBECHO-40(60MHz),SUBECHO-70(80MHz),SUBECHO-150(105MHz 机载),SUBECHO-350(300MHz 机载),SUBECHO-250(500MHz),SUBECHO-350(300MHz ）空气耦合天线,国内探地雷达介绍,LTD系列探地雷达由中国电波传播研究所自主研发，系统由LTD-2100探地雷达主机、GC900MHz、GC400MHz屏蔽天线、AL1.5GHz车载喇叭天线.,LTD系列探地雷达（中国电波传播研究所）,主频为900MHz高频天线,深层探地雷达 ：突破了高功率脉冲产生技术、射频前端增益控制技术、低频宽带天线小型化设计等关键技术，研制出低频深层探地雷达工程样机，天线中心频率包括100MHz、50MHz和25MHz等，与国外多个同类产品相比，该样机发射机与接收机之间没有同步电缆，接收机通过USB接口与笔记本电脑进行数据传输（也可以通过WiFi或蓝牙方式传输数据），而且接收机功耗低，直接用笔记本电脑的USB接口供电，使用方便 。独特之处：发射天线和接收天线之间无电缆；发射机输出脉冲幅度大于3000V。,中科院电子所探地雷达系统,中科院电子所探地雷达系统,中浅层探地雷达工程样机,三维探地雷达技术介绍,由美国3D-Radar 公司推出，采用阵列天线技术，可以设置多通道，进行高速扫描、实现高分辨勘探适合与高速公路及城市道路快速扫描检测。特点：主机采用数字频率步进式技术； 天线采用电子扫描无线阵列技术； 实时三维显示测试数据及分析结果； 适合高分辨道路无损检测,3d Radar ASwww.3d- sales3d-,.the ground is no limit.,单道记录,一维 (1-D) 概念,深度/时间关系:d1 = t1*v/2(v = Velocity),x,t,雷达剖面,二维（2-D）概念,数据体（DATA CUBE）,三维（3-D）概念,3d-Radar Principle of Operation,GeoScopeRadar Unit,OperatorPC,12/24V,DC,y,x,Time (ns),or,depth, z,GPS antenna(Optional),Survey wheel,(odometer),GPS Reference Station (Optional),GeoScopeTM MkIV3-dimensional GPR频率步进式雷达系统 Single Transmitter / Dual Receiver 50MHz 3050Mhz GPS / Total Station interface,VX-系列超宽带天线阵列 200 MHz - 3.0 GHz 9 - 41 通道, 75mm 间隔 0.9 3.3m 覆盖宽度 内置GPS 粗略定位,3d-Radar Core GPR Products,US: Pat. 7,170,449 Norwegian Patent: NO 0,316,658. EU: Appl. No. 0375676.8 (approved),GeoScope MKIV Step-frequency Radar,Step-frequency technology（频率步进式技术）在频率域采集数据，信号穿透深度与分辨率达到最佳组合Excellent Signal to Noise Ratio在更大的深度获得更高分辨率成像Flexible scan patterns and High scan rates能够以车辆行驶速度进行道路检测，现场工作耗时较少VX-Series antenna arrays(Air launched, 7.5cm spacing, uniform response)高密度三维影像,VX-Series multi-channel antenna arraysMounting options and accessories,Trailer mount,Vehicle front,Vehicle back,道路检测铁路道渣层机场跑道及滑道检测路面设施检测(管道/电缆)考古调查地雷,未知爆炸物 及犯罪证据调查,Application Areas,EV6 HP8, Melhus (Sr-Trndelag) Drainage culverts,桥面检测,Depth 14 cm: Reinforcement,Depth 24 cm,Delamination（脱层）,桥面检测,Railway applications,Measurements: ballast thickness base layers cables and pipes,Ballast,Bedrock,Railway Ballast Inspection,Railway Ballast Inspection,Airfield Inspection,Measurements: asphalt thickness base layers voids cables and pipes,Airfield pavement (subsidence cracking),Runway section 43 cm depth.,Concrete has been trenched,Point-like anomalies (?),Airport Runway Inspection,EKKO多通道地雷探测系统,LTD多通道公路检测探地雷达系统,三、方法特点及应用领域,1、探地雷达与地震方法的相似之处: 探地雷达所采用的电磁波频率很高，雷达波在通常的目标介质中传播时以位移电流为主，并满足波动方程。因此，探地雷达方法与地震方法具有相似之处：二者均采用脉冲源激发波场；雷达波与地震波在地下介质中传播均满足波动方程；二者都是通过记录来自目标介质内部物性（电性或弹性）分界面上的反射波或透射波来探查介质体内部结构或确定目标体位置。由于雷达波与地震波在运动学上的相似性，当探地雷达与地震勘探采用相似的数据采集系统工作时，可借用目前地震勘探中已发展成熟的数据处理与显示技术来处理和显示探地雷达数据。,探地雷达方法的基本特点,探地雷达方法的基本特点 (1)、探地雷达剖面分辨率高，其分辨率是目前所 有地球物理探测手段中最高的，能清晰直观地 显示被探测介质体的内部结构特征；（2）、探地雷达探测效率高，对被探测目标无破坏 性，其天线可以贴近或离开目标介质表明面进行 探测，探测效果受现场条件影响小，适应性较强；（3）、抗干扰能力强，探地雷达探测不受机械振动 干扰的影响，也不受天线中心频段以外的电磁信 号的干扰影响；（4）、探地雷达具有定向探测特征；,自由空间电偶极子天线辐射方向图.,置于地表面偶极天线辐射特征,地表湿度（含水率）对天线辐射特征的影响,Illustration of how antenna height affects radiation pattern,GPR profile collected with the antennas on the ground,GPR profile collected with the antennas 0.5m above the ground,（5）、探地雷达探测受空气波的干扰影响严重！（6）、探地雷达反射法与地震反射法的基本物理 限制不同：通常的地层界面地震波的反射系数相 对较低，数量上只有百分之几，而地层介质中不 同介质的电磁性差异通常为弹性差异的23个数 量级，因而地层界面上雷达波的反射系数可达 1530；另外，导电性介质对高频电磁波具 有强衰减吸收作用，因此，探地雷达探测在一些 常见地质介质中的穿透深度非常有限。,探地雷达技术的应用范围十分广泛，而且仍在不断拓展。其应用目前已涉及以下各领域：（1）、在工程基础勘察中确定基岩顶面的埋深，了解风化层或覆盖层的内部结构特征；探测基岩中的洞穴及断层、裂隙结构；调查与研究第四系活动断层；（2）、对软基加固处理中的强夯碎石桩的施工质量进行监测与评价；（3）、对人工建筑物及工程设施的现状进行无损检测，以对其现状进行评价；（4）、对高速公路的铺设及各类隧道的衬砌质量进行检 测与监测；在隧道与矿井施工中进行超前探测，以减小施 工过程中的风险；（5）探查基底为石灰岩的人工挖孔桩桩底的地质状况，即探查桩底是否有溶洞存在、及溶洞相对基岩顶面的埋深；,（6）、调查公路、铁路及城市、矿山等的地面塌陷成 因及预测和圈定潜在的塌陷区范围；（7）、调查山体滑坡、堤岸崩塌等地质灾害的成因及 特征；（8）、为水文地质调查提供有关土壤地层结构的特征 、土壤介质含水率的空间与时间变化信息等；（9）、在城市建设中用于地下管线探测；（10）、用于考古调查，指导文物古迹的修复保护及挖 掘工作；（11）、为矿山开发提供服务，在露天矿山的开发中 测定剥离层的厚度，探测采空区的分布范围；在采 石场中评价和确定岩体结构的均匀性及完整性，为 开采提供指导；,（12）、为环境调查提供帮助，进行环境污染探测，圈 定地下污染带及埋藏的有害废物的分布范围；（13）、用于农田、园林土壤结构及湿度测定；（14）、调查冰川、河流、湖泊以及风力作用等沉积形 成的沉积层的内部结构特征，为古地理、古环境 的研究提供有用信息；（15）、用于冰川学研究与观测，测定冰川厚度，了解 冰川内部结构特征，测定冰川底部地形，以及探测冻 土层结构等；（16）、探查犯罪现场为刑事侦察及调查提供帮助，以 及在军事上用于探测地雷等未爆炸物；（17）、地外星球表层结构的探测与研究。,四、电磁理论基础及雷达波场特征,探地雷达所采用的是某一频段（n MHz2500MHz)内的电磁场（波）。 介质内的 Maxwells equations与 constitutive relationships (本构关系)方程是定量描述探地雷达信号的基础；后者描述介质的存在对电磁场的影响。,4.1、麦克斯韦方程与本构关系,Maxwell Equations,(4-1),(4-2),(4-3),(4-4),上述公式中:E: 电场强度矢量 B: 磁通量密度矢量D: 电位移强度矢量 H: 磁场强度矢量 : 自由电荷密度 J: 电流密度矢量,本构方程,(4-5),介电率,磁导率,(4-6),(4-7),导电率,From Faradays law(4-1) we can write:,Using Amperes law plus the constitutive relatives one obtains:,(4-8),(4-9),4.2、电报方程（全波动方程）,(4-10),(4-11),二者统称为电报方程,4.3、 理想电介质中的平面谐波,理想电介质（perfect dielectric or lossless medium）( =0). 设 =0 由 (4-10) 与 (4-11), 我们可以导出:,(4-12),(4-13),对于平面谐变波场，就任一场分量而言, 如：E X 分量，由(4-12) 和 (4-13) 可得:,(4-14),对于场的其它分量, 、 及 ，可以写出类似的波动方程。,波动方程 (4-14) 对于电场Ex分量的通解为:,上式在时间域可写为:,(4-15),(4-16),(4-17),对于某一确定的相位m:,在任一时刻ta ，其对应的空间位置为za：,(4-18),对 (4-18)式相对 t求导数, 可得平面谐波传播的相速度为:,(4-19),将 (4-17) 式中 , 代入（4-19）:,(4-20),4.4、 导电介质中的平面谐波,考虑更一般的情况，就常见岩土介质而言，其电阻率为有限值，即导电率不等于零.仍然以平面谐变波场为例。,这种假设条件下,波动方程(4-10) 与 (4-11), 可以写为:,(4-21),(4-22),上述方程右边的复系数可写为如下更紧凑的形式:,(4-23),(4-23)式中,(4-24),称之为复介电系数（complex permittivity ）为信号频率的函数，可改写为:,(4-25),这里， 为介电常数( )， ( )为导电率。式 (4-24) 中 称为损耗正切（loss tangent）.,在导电介质中，位移电流密度与传导电流密度 分别为:,(4-26),总（全）电流密度为:,(4-27),根据复介电系数，可以将波动方程 (4-21) 与 (4-22) 写为：,(4-28),(4-29),通常将方程(4-28) 与 (4-29) 写为:,(4-30),(4-31),上式中,(4-32),称 k 为传播常数（ propagation constant）， 一般情况下，传播常数 K 为复数.,仍然考虑沿Z轴方向传播的平面谐波，这时，上述偏微分方程 (2-30) 变为常微分方程，而且对于各场分量而言，为标量方程，例如，沿x轴方向的电场分量满足:,这是一个二阶微分方程，其解的形式为：,(4-33),这里， 与 为任意积分常数，通常为与t 和z 无关的复数，可以表示为如下形式：,由于 k （见 (4-32)） 为复量, 其实部和虚部可表示为如下形式：,(4-34),这里 称为衰减常数（attenuation constant ），以奈培/米 (Np/m)为单位, 为相位常数（phase constant ），以弧度/米 (rad/m)为单位.,根据上述定义，式 (4-33) 在频率域可写为:,(4-35),在时间域可写为：,(4-36),4.5、 波动参数,其中：,根据(4-35)式，向前传播的波的电场分量,(4-34),对上式进行复数分解有：,(4-37),(4-38),波的传播速度（相速度）为 :,损耗介质中平面电磁波的传播,对于低损耗介质，由于 ，式 (4-37 ) 与式(4-38) 可近似表示为:,因此，低损耗介质中雷达波传播速度可近似表示为：,这里， 为介电常数或相对介电常数 电导率(S/m ),4.6、 常见岩土（地质）介 质的电与介电参数,Table 4.1 typical range of conductivity and dielectric coefficient of various Materials measured at 100 MHz,Table 4.2 typical range of attenuation and EM wave velocity of various Materials measured at 100 MHz,5、岩土介质对雷达波的衰减作用,A signal recorded with 16 bit dynamic range has a dynamicrange of 96 dB Between the largest and the Smallest recordable signal.,6、反射系数,理想电介质水平分界面上垂直入射波的反射系数,Direct air wave（直达空气波）;Critically refracted air wave（临界折射空气波）;Direct ground wave; 4. Reflected wave;5. refracted wave.,7、 地质雷达波场分析,Direct air wave Critically refracted air waveDirect ground waveReflected wave,Illustration idealized event arrival-time versus antenna separation display. (time-distance curves),A CMP Radar record,