第五章 地質(zhì)雷達

1、地質(zhì)雷達法、探地雷達法地質(zhì)雷達法、探地雷達法GPRGPR（Ground-Penetrating-RadarGround-Penetrating-Radar），），Geo-radar, Geo Probing radarGeo-radar, Geo Probing radar它是一種對下的或結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不可見的目標體它是一種對下的或結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不可見的目標體或分界面進行定位或判別的電磁波探測技術(shù)或分界面進行定位或判別的電磁波探測技術(shù) 高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，通過發(fā)射天線被定向送入地下，經(jīng)存在電性差異的地下地層或目標體反射后返回地面，由接收天線所接收。因為它是從地面向地下發(fā)射電磁波來實現(xiàn)探測目的

2、，所以又稱探地雷達，高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時，其傳播路徑、電磁場強度與波形將隨通過介質(zhì)的電性特征與幾何形態(tài)而變化。因此，通過對時域波形的采、處理和分析，可確定地下分界面或地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。探地雷達工作原理示意圖探地雷達工作原理示意圖共偏移距觀測方法共偏移距觀測方法探地雷達工作原理示意圖探地雷達工作原理示意圖天線天線雷達可測量信號到達目標的雷達可測量信號到達目標的傳輸時間傳輸時間 利用估算的傳播速率計算出利用估算的傳播速率計算出目標的距離目標的距離當(dāng)滿足下面條件時，隱當(dāng)滿足下面條件時，隱蔽物可由雷達探出：蔽物可由雷達探出： 在天線信號范圍之內(nèi)在天線信號范圍之內(nèi) 信噪比適當(dāng)信噪比適當(dāng) 時時間

3、間x天線天線時時間間x波形波形 波形波形+面積面積 彩色顯示彩色顯示當(dāng)目標物與掃描方向垂直時當(dāng)目標物與掃描方向垂直時當(dāng)目標物與掃描方向平行時當(dāng)目標物與掃描方向平行時在雷達圖中在雷達圖中 經(jīng)常經(jīng)常 會形成一會形成一 “線狀圖型線狀圖型” (當(dāng)在目標物的頂部掃描時當(dāng)在目標物的頂部掃描時) 在雷達圖中在雷達圖中 總是總是 會形會形成一成一 “雙曲線圖案雙曲線圖案”所以，需要在橫向與縱向兩個方向進行掃描所以，需要在橫向與縱向兩個方向進行掃描 超高頻電磁波（超高頻電磁波（10MHz10MHz5000MHz5000MHz） 由于地下介質(zhì)往往具有不同的物理特性，如介質(zhì)的介電由于地下介質(zhì)往往具有不同的物理特性

4、，如介質(zhì)的介電性、導(dǎo)電性及導(dǎo)磁性差異，因而對電磁波具有不同的波性、導(dǎo)電性及導(dǎo)磁性差異，因而對電磁波具有不同的波阻抗，進入地下的電磁波在穿過地下各地層或管線等目阻抗，進入地下的電磁波在穿過地下各地層或管線等目標體時，由于界面兩側(cè)的波阻抗不同，電磁波在介質(zhì)的標體時，由于界面兩側(cè)的波阻抗不同，電磁波在介質(zhì)的界面上會發(fā)生反射和折射，反射回地面的電磁波脈沖其界面上會發(fā)生反射和折射，反射回地面的電磁波脈沖其傳播路徑、電磁波場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性傳播路徑、電磁波場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，因此，從接收到的雷達反射回波質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，因此，從接收到的雷達反射回波走時、幅度

5、及波形資料，可以推斷地下介質(zhì)或管線的埋走時、幅度及波形資料，可以推斷地下介質(zhì)或管線的埋深與類型。深與類型。u高分辨率高分辨率u無損性無損性u高效率高效率u抗干擾能力強抗干擾能力強特特 點：點：雷達勘探基本原理：雷達勘探基本原理： 利用波的反射現(xiàn)象測量障礙物離開我們所站地方的距離。 例如：例如：己知聲波在空氣中傳播的速度是己知聲波在空氣中傳播的速度是：v=340m/s, v=340m/s, 從從呼喊開始到聽見回聲的時間呼喊開始到聽見回聲的時間 t=4t=4秒秒, , 那么障礙物離開我們的距那么障礙物離開我們的距離離 S S 就可以用如下公式就可以用如下公式：S = 1/2 v*t = （340

6、4） =680(m)VzXtR/)4(2/122脈沖旅行時：脈沖旅行時： Hulgmeyer,1904 Hulgmeyer,1904 首次使用電磁信號來確首次使用電磁信號來確定地下金屬目標體的存在定地下金屬目標體的存在 LeimbachLeimbach, Lowy 1910, , Lowy 1910, 用電磁波定位埋藏用電磁波定位埋藏的物體（專利）的物體（專利） HulsenbeckHulsenbeck：脈沖技術(shù)確定地下物體的：脈沖技術(shù)確定地下物體的結(jié)構(gòu)，地表下任何介電常數(shù)的變化將導(dǎo)結(jié)構(gòu)，地表下任何介電常數(shù)的變化將導(dǎo)致電磁波的反射致電磁波的反射 A.P.AnnanA.P.Annan二、雷達技術(shù)

7、的研究及探測儀器的發(fā)展二、雷達技術(shù)的研究及探測儀器的發(fā)展 加拿大加拿大Sensor & Software Inc., EKKO Sensor & Software Inc., EKKO (Noggin)(Noggin)系列系列 美國美國GSSIGSSI，SIRSIR系列系列 瑞典瑞典Mala GeoscienceMala Geoscience Inc., RAMAC Inc., RAMAC系列系列 意大利意大利IDS, IDS, RISRIS系列系列EKKO 100增強型EKKO 1000型Noggin 250型EKKO 系列系列SIR3000型（最新）匹配天線SIR 系列系列

8、3207型5103型5100型NextGSSI自行生產(chǎn)的天線Subecho 70型屏蔽天線900型屏蔽Subecho 200型Radarteam定制的天線X3M型RAMAC系列系列匹配天線屏蔽天線100型非屏蔽天線100型非屏蔽天線200型RIS-2K/ME型（多道）RIS系列系列RIS-2K/0型（單道）北京愛迪爾公司的北京愛迪爾公司的CBS-9000型型 地質(zhì)雷達及天線地質(zhì)雷達及天線三、野外數(shù)據(jù)優(yōu)化采集三、野外數(shù)據(jù)優(yōu)化采集1. 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)1.1 雷達方程雷達方程fW21.2 探測距離探測距離探測距離與選用的天線的發(fā)射功率、天線頻率、地下介質(zhì)的相探測距離與選用的天線的發(fā)射功率、

9、天線頻率、地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率相關(guān)，對介電常數(shù)、電導(dǎo)率相關(guān)，頻率低，發(fā)射功率大，介質(zhì)電阻率高，探測深度大。地下介質(zhì)相對介電常數(shù)電導(dǎo)率(ms/m)雷達波速（m/ns）衰減系數(shù)（dB/m)空氣100.30淡水800.50.0330.1海水80300000.011000干砂3-50.010.150.01飽和砂20-300.1-100.060.03-0.3石灰?guī)r4-80.5-20.120.4-1泥巖5-151-1000.091-100粉砂5-301-1000.071-100粘土5-402-10000.061-300花崗巖4-60.01-10.130.01-1巖鹽5-60.01-10.130.

10、01-1冰3-40.010.160.01金屬30010100.017108PVC材料3.31.340.160.142/h1.3 分辨率（分辨最小異常體的能力）分辨率（分辨最小異常體的能力）垂向分辨率垂向分辨率：區(qū)分一個以上反射界面的能力：區(qū)分一個以上反射界面的能力 四分之一波長四分之一波長水平分辨率水平分辨率：在水平方向上所能分辨的最小異常：在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸體的尺寸2. 野外信號采集方式野外信號采集方式2.1 剖面法（反射觀測方式）剖面法（反射觀測方式）2.2 透射法透射法柱柱墻墻樓板樓板發(fā)射天線發(fā)射天線接收天線接收天線2.3 寬角法（共深點法，寬角法（共深點法，CDP）

11、 用于求取表層土的電磁波傳播速度用于求取表層土的電磁波傳播速度地面地面3 天線極化方向天線極化方向（偶極天線，優(yōu)選極化方向，（偶極天線，優(yōu)選極化方向，天線剖面垂直天線剖面垂直于目標體走向于目標體走向的原則）的原則）垂直垂射垂直垂射雨水管水泥路面測線起始點北樓匯文樓關(guān)于天線分離距及其天線排列方向的現(xiàn)場試驗關(guān)于天線分離距及其天線排列方向的現(xiàn)場試驗0.8m0.4m1.6m1.2m0.40.81.24. 4. 探地雷達圖像的數(shù)字處理技術(shù)探地雷達圖像的數(shù)字處理技術(shù)常規(guī)的數(shù)字處理方法：常規(guī)的數(shù)字處理方法： 預(yù)處理預(yù)處理：點平均、道平均等：點平均、道平均等 數(shù)字濾波，低通、高通及帶通、中值波波等數(shù)字濾波，低

12、通、高通及帶通、中值波波等 增益調(diào)節(jié)增益調(diào)節(jié)：AGCAGC、SEGSEG、ConstConst 偏移處理偏移處理：以射線理論為基礎(chǔ)的偏移歸位方法：以射線理論為基礎(chǔ)的偏移歸位方法 波動方程偏移波動方程偏移 多次疊加技術(shù)多次疊加技術(shù)特殊的數(shù)據(jù)處理方法：特殊的數(shù)據(jù)處理方法： 復(fù)信號分析復(fù)信號分析：瞬時相位、瞬時振幅、瞬時頻率：瞬時相位、瞬時振幅、瞬時頻率 其它一些非線性技術(shù)的應(yīng)用，如分形技術(shù)其它一些非線性技術(shù)的應(yīng)用，如分形技術(shù)發(fā)展方向發(fā)展方向：圖像的三維可視化、智能解釋功能：圖像的三維可視化、智能解釋功能 o NMO DMOABNMO、DMO、偏移處理、偏移處理 自動補償增益（自動補償增益（AGCA

13、GC） 球面指數(shù)增益（球面指數(shù)增益（SECSEC） 常數(shù)增益常數(shù)增益 用戶自定義用戶自定義 5. 5. 探地雷達圖像的解釋方法探地雷達圖像的解釋方法地下介質(zhì)電性分布地下介質(zhì)電性分布幾何分布幾何分布已知資料已知資料波形特征分析波形特征分析5.1 5.1 時間剖面的對比原則時間剖面的對比原則 拾取反射層，依據(jù)勘察孔進行對比，建立各種地層的拾取反射層，依據(jù)勘察孔進行對比，建立各種地層的反射波組特征；只要地下介質(zhì)存在電性差異，就可在雷反射波組特征；只要地下介質(zhì)存在電性差異，就可在雷達剖面上找到相應(yīng)的反射波。達剖面上找到相應(yīng)的反射波。 識別和追蹤同一界面的反射波形依據(jù)：識別和追蹤同一界面的反射波形依據(jù)：

14、 同相性、振幅顯著性變化、波形特征同相性、振幅顯著性變化、波形特征5.2 5.2 干擾波的雷達圖像特征干擾波的雷達圖像特征 如何識別干擾波與目標體的圖像特征非常關(guān)鍵如何識別干擾波與目標體的圖像特征非常關(guān)鍵干擾信號在實際探測工作不可避免干擾信號在實際探測工作不可避免1) 1) 地面干擾地面干擾 地面架空電線（雙曲線）地面架空電線（雙曲線） 測線附近的金屬物（強振幅、密集的反射波組）測線附近的金屬物（強振幅、密集的反射波組） 地面上的礫石（多次反射，局部強振幅回波）地面上的礫石（多次反射，局部強振幅回波） 測繩和皮尺（典型的測繩和皮尺（典型的“X”X”型干擾）型干擾）2) 2) 地下異常的多次波地

15、下異常的多次波 在地質(zhì)體與地表面來回反射，嚴重影響目標體的反射波在地質(zhì)體與地表面來回反射，嚴重影響目標體的反射波信息，波形雜亂，不規(guī)則。信息，波形雜亂，不規(guī)則。5.3 5.3 常見特殊地質(zhì)體的雷達圖像特征常見特殊地質(zhì)體的雷達圖像特征1) 1) 潛水面潛水面 水平的強振幅反射波水平的強振幅反射波 潛水面上下介質(zhì)因為含水量的差別，介電常數(shù)產(chǎn)生較大的潛水面上下介質(zhì)因為含水量的差別，介電常數(shù)產(chǎn)生較大的差異，反射系數(shù)較大。差異，反射系數(shù)較大。 潛水面下的反射波組衰減較大潛水面下的反射波組衰減較大2) 2) 不同土層的波場特征不同土層的波場特征雜填土雜填土：反射波雜亂無序，：反射波雜亂無序，粘土層粘土層：

16、同相軸連續(xù)，波組平行：同相軸連續(xù)，波組平行 粉質(zhì)粘土，振幅中等粉質(zhì)粘土，振幅中等 淤泥質(zhì)粘土，衰減大，振幅小淤泥質(zhì)粘土，衰減大，振幅小砂層的波場特征與粘土層相似，砂層的波場特征與粘土層相似，中等及粗砂層中等及粗砂層，反射波同相軸不連續(xù)，存在有規(guī)律的繞射波，反射波同相軸不連續(xù)，存在有規(guī)律的繞射波中砂巖及粗砂巖中砂巖及粗砂巖粘土層粘土層3) 3) 基巖破碎帶的波場特征基巖破碎帶的波場特征 同相軸錯斷，但破碎帶兩側(cè)的波組關(guān)系相對穩(wěn)定同相軸錯斷，但破碎帶兩側(cè)的波組關(guān)系相對穩(wěn)定 破碎面上的振幅強破碎面上的振幅強4) 4) 暗浜及古河道的波場特征暗浜及古河道的波場特征特殊的地質(zhì)現(xiàn)象。成分復(fù)雜，電性差異大特

17、殊的地質(zhì)現(xiàn)象。成分復(fù)雜，電性差異大二者雷達圖像特征相似，區(qū)別在于范圍的大小二者雷達圖像特征相似，區(qū)別在于范圍的大小反射波振幅大，波形粗黑，同相軸不連續(xù)，波形雜亂，邊反射波振幅大，波形粗黑，同相軸不連續(xù)，波形雜亂，邊界明顯界明顯5.4 5.4 常見地下目的物的雷達圖像特征常見地下目的物的雷達圖像特征1) 1) 地下管線地下管線 反射同相軸呈向上凸起的弧形，頂部反射振幅最強，弧反射同相軸呈向上凸起的弧形，頂部反射振幅最強，弧形兩端反射振幅最弱，不同的材質(zhì)的管線的反射波特征不形兩端反射振幅最弱，不同的材質(zhì)的管線的反射波特征不同：同：金屬管金屬管：介電常數(shù)大，導(dǎo)率率極強，衰減極大，金屬管頂：介電常數(shù)大，導(dǎo)率率極強，衰減極大，金屬管頂反射出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，無管底的反射信息反射出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，無管底的反射信息 非金屬管非金屬管：管頂無極性反轉(zhuǎn)，有可能出現(xiàn)管底信息，管內(nèi)：管頂無極性反轉(zhuǎn)，有可能出現(xiàn)管底信息，管內(nèi)是否充水，其波形特征亦不同，若充水，則亦出現(xiàn)波形的是否充水，其波形特征亦不同，若充水，則亦出現(xiàn)波形的極性反轉(zhuǎn)極性反轉(zhuǎn) 管線的半徑越大，反射弧的曲率半徑就越大管線的半徑越大，反射弧的曲率半徑就越大陶瓷陶瓷PVC金屬金屬電纜電纜污水管污水管2) 2) 防空洞、地下室及污水箱涵防空洞、地下室及污水箱涵 極強的反射振幅極強的反射振幅反射波的極性反轉(zhuǎn)反射波的極性反轉(zhuǎn)6. 6. 探地雷達的應(yīng)用探地雷達的