《地质雷达探测技术》.ppt

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1、第一部分 雷达简介,了解雷达的概况了解雷达的定义与发展了解雷达的作用,1.什么是雷达？,雷达:Radar Radio detection and ranging 无线电探测和测距。定义：雷达是一种通过发射电磁波和接收回波，对目标进行探测和测定目标信息的设备。雷达最初是用于军事目的，探测空中目标体。,Question：电磁波传播需要介质吗？机械波需要吗呢？,电磁波变化的电场产生磁场变化的磁场产生电场随机热运动，所有物体都辐射电磁波能量，包括：无线电波、光、热辐射波长不同雷达辐射的电磁波：强电流激励调谐回路，向空间传播交变的电磁能量，高频正弦波,2 雷 达 的 原理,2.1 雷达回波中的可用信息

2、蝙蝠的回声定位与雷达：蝙蝠在飞行时,不断从喉咙中发出210万赫兹的超声波脉冲,声波碰到障碍物后被反射回来,蝙蝠再用耳朵接受回声,就可以判断前边物体的大小,方向和距离。科学家根据蝙蝠发出超声波探测目标的“回波原理”发明了雷达,用以及时探测飞机的方位和距离。,2.2 雷达的基本组成,发射机天线接收机数据采集显示信号处理控制系统通讯系统,雷达基本工作原理：(1)由雷达发射机产生的电磁能,经收发开关后传输给天线,再由天线将此电磁能定向辐射于大气中;(2)电磁能在大气中以光速(约3108m/s)传播,如果目标恰好位于定向天线的波束内,则它将要截取一部分电磁能;(3)目标将被截取的电磁能向各方向散射,其中

3、部分散射的能量朝向雷达接收方向。雷达天线搜集到这部分散射的电磁波后,就经传输线和收发开关馈给接收机;(4)接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息,并将结果送至终端显示。,15/101,雷达的原理及其基本组成,14/101,3 雷达的工作频率,高频（HF，330MHz）甚高频（VHF，30300MHz）20世纪30年代的雷达大多工作在这个频段特高频（UHF，3003000MHz）在很多情况下，在特高频雷达也适用于超高频雷达,L波段（12GHz）S波段（24GHz）中距离的警戒雷达（S波段的低端）和跟踪雷达（S波段的高端）均可使用 受天气影响明显，可用作气象雷达C波段（48GHz）常

4、用于武器制导和导航 中程气象雷达可以采用此波段,X波段（812GHz）跟踪雷达和民用雷达的常用波段 雷达体积小，重量轻，波瓣窄，适于移动。如下大雨将被大大削弱。Ku，K和Ka波段（1240GHz）作用距离短，高分辨率 此波段高频器件能产生的功率不大。毫米波波段（40300GHz）目前为止，没有运行在Ku波段以上的雷达，毫米波雷达之适用于无大气衰减或者近程中。,电 磁 波 谱,频段总结,4 隐身技术,在武器系统研制过程中设法降低其可探测性，使之不易被敌方发现、跟踪和攻击，从而提高武器系统的生存能力和作战效率。本质：分析设计对象的目标特征信号并加以控制，降低或改变目标的特征信号，使之相对敌方的侦查

5、系统成为难以探测目标。目标的特征信号：是一个广泛的概念，包括视觉、听觉、红外、无线电等等，因此也就有针对各种不同探测手段的隐身技术。,几个认识上的误区,隐身是完全“看不见”隐身技术只是缩短探测器的有效作用距离，以达到有效压缩敌方反应时间，增加自身在战场上的生存能力和作战能力(2)需要全频段、全空域的隐身能力 不但在技术上无法实现，实际上也是没有必要的。只要抓住主要矛盾，避开不利的使用环境，就可以用较小的代价获得较高的效益(3)隐身措施都是采用最先进的技术,隐身技术的发展,一战时，德国空军曾用透明材料制造过飞机，使地面人员难以发现它们雷达发明以后1945年美国研制出一种吸收雷达波的涂料，代号为M

6、X-40，据说使用效果很好1954年U-2，设计时考虑了隐身，如在机身上涂满黑色的可降低雷达波散射程度的“铁漆”涂料SR-71翼身融合、双垂尾内倾、大后掠边条翼和三角翼，机身表面喷涂“铁漆”，并用了许多专门研制的特殊材料和涂层B-1B蛇形进气道，内装两个加热导流片。新改进的机头雷达罩上、机翼前缘天线罩、翼根整流罩、机翼后缘、高升力装置和尾翼上都涂有雷达波吸收材料；座舱挡风玻璃上采用真空电子镀膜层；头部、机身和平尾侧面涂有雷达波吸波材料；头部和后部雷达天线安装隔框做成倾斜式的；在整体设计上采用翼身融合体结构,常见的隐身技术,缩小雷达反射截面降低红外线信号特征降低视觉信号特征降低听觉信号特征等离子

7、体技术,第二部分 地质雷达工作原理,在隧道开挖、煤矿生产及地面工程建设中经常遇到复杂的地质异常，给施工带来困难，尤其是穿过老窑、软弱破碎带、岩溶区，或者煤与瓦斯突出的危险区域，若事先未能探查清楚往往造成塌方、涌水或煤与瓦斯突出等事故，影响安全生产。在地面工程地质勘探中，要求实施大面积、高密度精查勘探，这就对地质探测手段提出了高的要求。实践证明，应用矿井地质雷达进行探测，简便快捷，机动灵活，能较好而准确地提供资料，取得较好效果。,探地雷达（Ground Penetrating Radar）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，机场的路面质量检测；隧道，桥梁，水库大坝检测；

8、地下管线，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率宽频带电磁波，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（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。,对地下雷达探测目标的解释,离不开必要的地质理论和地质工程知识，更确切地说，探测地下目标的雷达系统应称为“地质雷达系统”(Geologic radar system)。,一、基本原理,地质雷达由发射部分、接收部分和控制系统组成。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(Tx)组成。通过

9、发射天线电磁波以6090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。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线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。,图1地质雷达探测原理示意图,当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走时t，由上式求得目标体的深度z。式中x值即收发距，在剖面测量中是固定的；v值可用宽角法直接测量，也可以根据近似计算公式：,c为光速；,为地下介质的相对介电常数。,第2章 岩土介质电磁波传播原理,必须分析、掌握雷达工作的三个重要参数:（1）电导率（2）介电常数（3）探测频率,环境电

10、导率R：是表征介质导电能力的参数，它决定了电磁波在介质中的穿透深度，其穿透深度随电导率的增加而减小，并与土壤中的含水量有密切的关系。当R10-7S/m,并满足介电极限条件时，电磁波衰减小,最适宜发挥地质雷达应用效果。,从好的低电导率土壤（石英沙）中得到的雷达剖面，其数据质量非常好,从高电导率土壤（湿粘土）中得到的雷达剖面，信号的衰减非常大,介电常数：是影响地质雷达应用效果的另一个重要因素，高频电磁波在介质中的传播速度主要取决于介质的相对介电常数，而反射信号的强弱取决于介电常数的差异，其还决定了电磁波在介质中的”足印”（即电磁波在介质中的覆盖范围）。,如上图可见，相对介电常数与含水量成正比。,由

11、此可见，我们用雷达探测时得到信息并不仅仅是天线正下方物体的反射。,雷达的探测范围与相对介电常数有直接的关系,相对介电常数和”足印”（即探测的覆盖范围）的关系为：,探测频率：不但是制约探测深度的一个关键因素，同时也决定了探测的分辨率；探测频率越高，探测深度越浅，探测的垂直分辨率和水平分辨率越高。,一般地质雷达都拥有多种频率的天线,通常把雷达所采用的天线的中心频率称为探测频率，而其实际的工作频率范围是以探测频率为中心的频带，探测频率主要影响探测的深度和分辨率。当地质雷达工作在介电极限条件时，高频电磁波的衰减几乎不受探测频率的影响。比如，电磁波在空气中传播，由于不存在传导电流，电磁波不发生衰减。但实

12、际上,由于大地电阻率一般都比较低，其工作条件达不到介电极限条件。由于传导电流的存在，高频电磁波在传播过程中发生衰减，其衰减的程度随电磁波频率的增加而增加。因此,在实际工作时，必须根据目标体的探测深度选用合理的探测频率。分辨率包括：探测的垂直分辨率和水平分辨率。水平分辨率对于工程探测来说是头等重要的技术指标。,表1 典型介质的相对介电常数,电导率和电磁波速度,续表1 典型介质的相对介电常数,电导率和电磁波速度,三、雷达仪器介绍,国外 瑞典MALA公司的RAMAC/GPR雷达系列 美国GSSI公司的SIR系列雷达（美国劳雷公司代理销售）加拿大Sensrs&Software公司pulse EKKO型

13、探地雷达国内 发展状况是：首先通过引进国外的雷达仪器，进行研究和应用，然后开发拥有自主知识产权的自己的雷达产品。目前，国内使用最多的雷达大多是美国GSSI公司生产的。国内有电子部22所，航天部爱迪尔公司、骄鹏公司和中国矿大（北京）四家单位相继推出了自己的雷达产品。,3.1 瑞典探地雷达（RAMAC/GPR）,主要特点1.高集成化、真数字式、高速、轻便。2.系统集成化程度高，体积小、重量轻（主机重量仅为2.4公斤）。3.功耗低，主机功耗仅为25W；系统耗电量低，不需电瓶供电，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、抗干扰能力强，因此发射机、接收机及主机之间

14、不会相互干扰。5.100兆、250兆、500兆、800兆及1000兆天线采用屏蔽方式，因 此其抗干扰能力强。6.主机与计算机之间采用ECP并口传输方式，数据传输速度快。7.主机可与低频、中频、高频天线全部兼容，同时与孔中天线也 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。,3.1 瑞典探地雷达（RAMAC/GPR）,3.1 瑞典探地雷达（RAMAC/GPR）,3.1 瑞典探地雷达（RAMAC/GPR）,RAMAC/GPR非屏蔽天线是低频天线，主要用于深层探测，该天线只能与CUII主机配合使用。典型的非屏蔽天线有25MHz、50MHz、100MHz、200M

15、Hz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、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CMP法（共中心点）计算速度。非屏蔽天线可应用于土木建筑、地质学及水文地质学等。,3.1 瑞典探地雷达（RAMAC/GPR）,3.2 SIR雷达介绍,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。,3.2 SIR雷达介绍,SIR-20高速高精度多通道透视雷

16、达,SIR-3000便携式透地雷达,100MHz,400MHz,200MHz,3.2 SIR雷达介绍,900MHz,1200MHz,3.2 SIR雷达介绍,3.2 SIR雷达介绍,3.2 SIR雷达介绍,3.3 加拿大EKKO型雷达,The pulseEKKO 100(1000)system provides shielded,full bi-static operational capability.The ability to move the antennas independently allows both simple reflection profiling surveys as

17、 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,400MHz,3.4 俄罗斯OKO探地雷达,3.5 中国电波传播研究所青岛分所：LTD-3,3.5 中国电波传播研究所青岛分所：LTD-

18、3,四、地质雷达方法技术,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。,1）、剖面法2）、多次覆盖3）、宽角法,4.1 测量方式,1）、剖面法,剖面法是发射天线(T)和接收天线(R)以固定间距沿测线同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测线下方地下各反射界面的形态

19、。,2）、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接收天线在同一测线上进行里复测量，然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。,3）、宽角法,当一个天线固定在地面某一点上不动，而另一个天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方式称为宽角法。,这种测量方式的目的是求取地下介质的电磁波传播速度。,4.2 探地雷达的技术参数,4.2 探地雷达的技术参数,探地雷达数据处理的目标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，提取反射波的各种有用的

20、参数（包括电磁波速度，振幅和波形等）来帮助解释。,四、数据处理与资料解释,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。,四、数据处理与资料解释,Why？,电磁波在介质中传播时,我们经常采用几何光学的原理来描述和计算，这样计算起来会比较方便。但实际上，电磁波在地下介质的半无限空间中呈球面传播，我们应该用惠更斯原理来描述电磁波的反射、折射

21、和衍射，如下图：,只有这样，我们才能理解为什么当雷达剖面垂直于地下管线时，得到的图像是抛物线形。如下图：,地质雷达的噪声：P/3，P/58-60。正确识别各种杂波和噪声，提取有用信号是地质雷达解释的重要环节，是对雷达记录进行各种数据处理的关键。,四、数据处理与资料解释,4.1 数字滤波,地质雷达在测量过程中，为了保留尽可能多的信息，常采用全通的记录方式，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。数字滤波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。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，

22、设计一个合理的滤波器，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。,四、数据处理与资料解释,4.1 数字滤波,如果噪音的频谱分布只有高频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除：,式中 是高截频率。,1）低通滤波,四、数据处理与资料解释,4.1 数字滤波,2）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,3）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，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,4.1 数字滤波,4.2 雷达资料的偏移处理,探地雷达与

23、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，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每个反射点移到其原来的位置，这种处理方法称为偏移归位处理，经过偏移处理的雷达剖面可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,4.2 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,4.2 雷达资料的偏移处理,4.3 雷达图像的增强处理,四、数据处理与资料解释,1）振幅恢复,4.3 雷达图像的增强处理,四、数据处理与资料解释,2）道内均衡,4.3 雷达图像的增强处理,四、数据处理

24、与资料解释,2）道内均衡,四、地质雷达资料解释,探地雷达资料的地质解释是探地雷达测量的目的。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，建立测区的地质地球物理模型，并以此获得地下地质模式。,1、时间剖面的解释方法,四、地质雷达资料解释,2、雷达波速度的求取,1、时间剖面的解释方法,四、地质雷达资料解释,探地雷达图像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连结起来的对比称

25、为同相轴。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。,1、时间剖面的解释方法,四、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。同一地层的电性特征接近，其反射波组的波形、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与相似性为反射层的追踪提供了依据。,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

26、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,四、地质雷达资料解释,1、时间剖面的解释方法,四、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与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。

27、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征波的同相轴变化。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、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：,1、时间剖面的解释方法,四、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,四、地质雷达资料解释,1、时间剖面的解释方法,四、地质雷达资料解

28、释,1、时间剖面的解释方法,四、地质雷达资料解释,1、时间剖面的解释方法,四、地质雷达资料解释,1、时间剖面的解释方法,四、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，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以外，还必须具有丰富的实践和解释经验，从而去伪存真，得到更准确的地下地质信息。,2、雷达波速度的求取,四、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。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的方法有：,1）已知目标换算方法；2）几何刻度法；3）介电常数法；4）CDP速度分析法；5）反射系数法等。,1）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,四、地质雷达资料解释,2、雷达波速度的求取,四、地质雷达资料解释,2）,