雷達(dá)基本理論

1、L E T S M A K E I T V I S I B L E雷達(dá)基本理論雷達(dá)基本理論探地雷達(dá)探地雷達(dá)基礎(chǔ)基礎(chǔ)L E T S M A K E I T V I S I B L E了解探地雷達(dá)的基本知識(shí)了解探地雷達(dá)的基本知識(shí), 如何使用雷達(dá)，什么情況下使用雷達(dá)如何使用雷達(dá)，什么情況下使用雷達(dá).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(cè)距）（無線電探向和測(cè)距）雷達(dá)最初是用于軍事目的雷達(dá)最初是用于軍事目的探測(cè)空中目標(biāo)體探測(cè)空中目標(biāo)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(dá)什么是探地雷達(dá)(GPR) ? 采用無線電波探測(cè)的一種技術(shù)采用無線電波探測(cè)的一種技術(shù), 頻率一般在頻率一般在5 - 2000MHz, 對(duì)地下結(jié)構(gòu)和埋藏物以及人造結(jié)構(gòu)成像對(duì)地下結(jié)構(gòu)和埋藏物以及人造結(jié)構(gòu)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(dá)系統(tǒng)是最早的脈沖雷達(dá)系統(tǒng)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(cè)速度探測(cè), 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(cè)技術(shù)與其它地球物理方法相比

3、， 數(shù)據(jù)采集速度非?？焖胶痛怪蔽恢镁雀吒叻直媛实叵聢D像L E T S M A K E I T V I S I B L E 探測(cè)深度和目標(biāo)體的分辨能力依賴于土壤（或地下介質(zhì)）特性 . 高導(dǎo)電率介質(zhì)會(huì)使 GPR方法無效（如海水、鹽堿地、金屬礦、粘土層等）. 目標(biāo)體和周圍介質(zhì)要有足夠的電性差異（介電常數(shù)和電阻率） GPR數(shù)據(jù)的解釋 因人而異， 解釋者的經(jīng)驗(yàn)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(shù)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(zhì) 穿透深度取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率 記錄反射時(shí)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(dá)探測(cè)的雷達(dá)探測(cè)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(shè)備類似于聲納設(shè)備 發(fā)射機(jī)發(fā)射一發(fā)射機(jī)發(fā)射一 “列列”電磁脈沖，電磁脈沖， 該脈沖在介質(zhì)中傳播該脈

5、沖在介質(zhì)中傳播 在地下介質(zhì)的電特性有變化的地方在地下介質(zhì)的電特性有變化的地方 發(fā)生反射發(fā)生反射(即散射即散射) 接收機(jī)拾取接收機(jī)拾取“背散射背散射”信號(hào)，記錄它信號(hào)，記錄它 并將其顯示在計(jì)算機(jī)屏幕中并將其顯示在計(jì)算機(jī)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(dá)孔中雷達(dá))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(dá)地面雷達(dá)) CM

6、P, common midpoint measurement（共中心點(diǎn)） WARR, wide angle reflection refraction（寬角反射折射） 給出速度剖面用于把時(shí)間記錄轉(zhuǎn)換成深度 需要可分離天線(Tx發(fā)射/Rx接收) RAMAC/GPR比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的優(yōu)勢(shì)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(dá)鉆孔雷達(dá))L E T S M A K E I T V I S I B L ERAMAC/GPR 在野外的應(yīng)用h一套系統(tǒng)h單人操作h許多應(yīng)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(cè)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(tǒng)示意圖控制單元接收發(fā)射數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)觸發(fā)觸發(fā)觸發(fā)信觸發(fā)信號(hào)號(hào)測(cè)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(dú)立系統(tǒng)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?qū)游龀上衲Ｊ?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(dá)多達(dá)16 個(gè)記錄通道個(gè)記錄通道連接連接 4 個(gè)發(fā)射機(jī)和個(gè)發(fā)射機(jī)和 4 個(gè)接收機(jī)個(gè)接收機(jī)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(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)工程公用事業(yè)領(lǐng)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(cè), 冰層厚度,橋面檢測(cè)和橋基礎(chǔ)研究.環(huán)境環(huán)境危險(xiǎn)廢棄物成圖, 地下埋藏罐 (UST),沉積巖研究, 深度測(cè)量.地球物理技術(shù)地球物理技術(shù)地層成圖, 空洞和下沉孔, 地下水, 礦井探測(cè), 裂隙探測(cè), 大壩研究, 基礎(chǔ)研究, 隧道調(diào)查.軍事軍事道路完整性探測(cè), 戰(zhàn)壕路線探測(cè)，地雷、炮彈等埋藏物考古考古 場(chǎng)地成圖, 古墓探測(cè), 人工制品探測(cè)L E T S M A K E I T V I S I B L E對(duì)雷達(dá)來說，最重要的市場(chǎng)對(duì)雷達(dá)來說，最重要的市場(chǎng)是是 公用事

10、業(yè)探測(cè) 管線和閥門探測(cè) 混凝土檢測(cè) 路面和橋面探測(cè) 地質(zhì)勘探 冰, 雪和冰川 鉆孔雷達(dá)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(cè)速度探測(cè) 不過，實(shí)際使用時(shí)，最常用的方法是做一條剖不過，實(shí)際使用時(shí)，最常用的方法是做一條剖面面 在剖面中尋找一個(gè)已知點(diǎn)（如管線、鉆孔等）在剖面中尋找一個(gè)已知點(diǎn)（如管線、鉆孔等）， 通過已知目標(biāo)物的深度計(jì)算出速度，然后得出通過已知目標(biāo)物的深度計(jì)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(zhì)的電特性地下介質(zhì)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(cè)的介質(zhì)的電特性要探測(cè)的介質(zhì)的電特性, 決定雷達(dá)方法是否適用。決定雷達(dá)方法是否適用。 在用雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)勘探時(shí)在用雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)勘探時(shí), 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(dǎo)率電導(dǎo)率 (穿透深度穿透深度) 相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù) (對(duì)比度對(duì)比度, 信號(hào)速度信號(hào)速度, “足印足印”) 水水 (與上面參數(shù)有關(guān)與上面參數(shù)有關(guān))L E T S M A K E I T V I S I B L E傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流: Jc = s E s = 電導(dǎo)率電導(dǎo)率(S/m) s = 1/r (電阻率電阻率, W

12、m) 電導(dǎo)率是一個(gè)物體傳導(dǎo)電流的能力（或電荷在介質(zhì)中流動(dòng)電導(dǎo)率是一個(gè)物體傳導(dǎo)電流的能力（或電荷在介質(zhì)中流動(dòng) 的難易程度。的難易程度。 如如: - 電子在金屬板內(nèi)電子在金屬板內(nèi) - 水中離子的移動(dòng)水中離子的移動(dòng) 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(hào)的穿透深度信號(hào)的穿透深度 與土壤的導(dǎo)電率有關(guān)與土壤的導(dǎo)電率有關(guān) (低致金屬目標(biāo)體低致金屬目標(biāo)體):電特性電特性0204060801001200,512481632土壤導(dǎo)電率土壤導(dǎo)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(dǎo)率土壤中的水含量與電導(dǎo)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(dǎo)率的對(duì)數(shù)電導(dǎo)率的對(duì)數(shù) (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(guān)于電導(dǎo)率和關(guān)于電導(dǎo)率和GPR 探測(cè)的有用建議探測(cè)的有用建議: “當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)(寄主寄主)的電導(dǎo)率大于的電導(dǎo)率大于 10 mS/m (或小于或小于100 Ohmm), GPR 不是一個(gè)合適的方法不是一個(gè)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(shù)介電常數(shù) (F/m) er = e/ e 自由空間自由空間 (標(biāo)量標(biāo)量) 相對(duì)介電常數(shù)的值表示將介質(zhì)中電荷分開的力。相對(duì)介電常數(shù)的值表示將介質(zhì)中電荷分開的力。 如如: - 分子偶極子的移動(dòng)分子偶極子的移動(dòng) 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(huán)境內(nèi)嵌在周圍環(huán)境內(nèi) 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(duì)介電常數(shù)和

15、相對(duì)介電常數(shù)和GPR 信號(hào)速度的關(guān)系信號(hào)速度的關(guān)系: v = 介質(zhì)中介質(zhì)中GPR 信號(hào)的速度信號(hào)的速度 c = 光速光速 er = 相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)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(duì)介電常數(shù)和相對(duì)介電常數(shù)和“足印足印”的關(guān)系的關(guān)系:“足印足印” 定義為探測(cè)的定義為探測(cè)的 “有效區(qū)域有效區(qū)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(shù)反射系數(shù): 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(chǎn)生的。產(chǎn)生的。 對(duì)對(duì)GPR 頻率范圍，地下介質(zhì)的阻抗變化頻率范圍，地下介質(zhì)的阻抗變化 主要由相對(duì)介電常數(shù)的變化決定的。主要由相對(duì)介電常數(shù)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(shù)反射系數(shù)電特性電特性L E T S M A K E I T V I S I B L E當(dāng)當(dāng)Pr 0.01時(shí)時(shí) 就能有足夠的反射就能有足夠的反射反射系數(shù)反射系數(shù): 對(duì)對(duì)GPR,