第五章地質(zhì)雷達(dá)

第五章地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)法、探地雷達(dá)法GPR（Ground-Penetrating-Radar），Geo-radar,GeoProbingradar它是一種對下的或結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不可見的目標(biāo)體或分界面進(jìn)行定位或判別的電磁波探測技術(shù)1海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室

一、基本原理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(biāo)體反射后返回地面，由接收天線所接收。因?yàn)樗菑牡孛嫦虻叵掳l(fā)射電磁波來實(shí)現(xiàn)探測目的，所以又稱探地雷達(dá)，高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播路徑、電磁場強(qiáng)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(shí)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)。2海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室探地雷達(dá)工作原理示意圖3海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室4海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室共偏移距觀測方法5海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室探地雷達(dá)工作原理示意圖天線雷達(dá)可測量信號到達(dá)目標(biāo)的傳輸時(shí)間

利用估算的傳播速率計(jì)算出目標(biāo)的距離當(dāng)滿足下面條件時(shí)，隱蔽物可由雷達(dá)探出：

在天線信號范圍之內(nèi)

信噪比適當(dāng)

時(shí)間x6海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室天線時(shí)間x測深和分辨率與以下幾個(gè)因素有關(guān)：天線頻率、發(fā)射功率、傳播介質(zhì)的電磁特性、目標(biāo)物的形狀和大小7海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室波形波形+面積彩色顯示8海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室當(dāng)目標(biāo)物與掃描方向垂直時(shí)當(dāng)目標(biāo)物與掃描方向平行時(shí)在雷達(dá)圖中經(jīng)常會(huì)形成一

“線狀圖型”

(當(dāng)在目標(biāo)物的頂部掃描時(shí))

在雷達(dá)圖中總是會(huì)形成一“雙曲線圖案”所以，需要在橫向與縱向兩個(gè)方向進(jìn)行掃描9海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室超高頻電磁波（10MHz－5000MHz）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(jìn)入地下的電磁波在穿過地下各地層或管線等目標(biāo)體時(shí)，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(huì)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(qiáng)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(dá)反射回波走時(shí)、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。10海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室高分辨率無損性高效率抗干擾能力強(qiáng)特點(diǎn)：11海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室雷達(dá)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：己知聲波在空氣中傳播的速度是：v=340m/s,從呼喊開始到聽見回聲的時(shí)間t=4秒,那么障礙物離開我們的距離S就可以用如下公式：S=1/2v*t=?（340×4）

=680(m)12海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室脈沖旅行時(shí)：13海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室Hulgmeyer,1904首次使用電磁信號來確定地下金屬目標(biāo)體的存在Leimbach,Lowy1910,用電磁波定位埋藏的物體（專利）Hulsenbeck：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)致電磁波的反射A.P.Annan二、雷達(dá)技術(shù)的研究及探測儀器的發(fā)展14海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室加拿大Sensor&SoftwareInc.,EKKO(Noggin)系列美國GSSI，SIR系列瑞典Mala

GeoscienceInc.,RAMAC系列意大利IDS,RIS系列15海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室EKKO100增強(qiáng)型EKKO1000型Noggin250型EKKO系列16海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室SIR3000型（最新）匹配天線SIR系列17海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室3207型5103型5100型NextGSSI自行生產(chǎn)的天線18海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室Subecho70型屏蔽天線900型屏蔽Subecho200型Radarteam定制的天線19海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室X3M型RAMAC系列匹配天線20海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室屏蔽天線100型非屏蔽天線100型非屏蔽天線200型21海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室RIS-2K/ME型（多道）RIS系列RIS-2K/0型（單道）22海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室北京愛迪爾公司的CBS-9000型地質(zhì)雷達(dá)及天線23海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室24海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室25海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室三、野外數(shù)據(jù)優(yōu)化采集1.主要技術(shù)參數(shù)1.1雷達(dá)方程26海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室1.2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(dá)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5-60.01-10.130.01-1冰3-40.010.160.01金屬30010100.017108PVC材料3.31.340.160.1427海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室1.3分辨率（分辨最小異常體的能力）垂向分辨率：區(qū)分一個(gè)以上反射界面的能力四分之一波長水平分辨率：在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸28海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室2.野外信號采集方式2.1剖面法（反射觀測方式）29海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室2.2透射法柱墻樓板發(fā)射天線接收天線30海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室2.3寬角法（共深點(diǎn)法，CDP）用于求取表層土的電磁波傳播速度地面地面31海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室寬角法數(shù)據(jù)特點(diǎn)32海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室單點(diǎn)探測與寬角法記錄33海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室寬角法數(shù)據(jù)處理-動(dòng)校正34海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室3天線極化方向（偶極天線，優(yōu)選極化方向，天線剖面垂直于目標(biāo)體走向的原則）垂直垂射35海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室關(guān)于天線分離距及其天線排列方向的現(xiàn)場試驗(yàn)36海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室37海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室0.8m0.4m1.6m1.2m38海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室0.40.81.239海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室4.探地雷達(dá)圖像的數(shù)字處理技術(shù)常規(guī)的數(shù)字處理方法：

預(yù)處理：點(diǎn)平均、道平均等數(shù)字濾波，低通、高通及帶通、中值波波等

增益調(diào)節(jié)：AGC、SEG、Const

偏移處理：以射線理論為基礎(chǔ)的偏移歸位方法波動(dòng)方程偏移

多次疊加技術(shù)特殊的數(shù)據(jù)處理方法：

復(fù)信號分析：瞬時(shí)相位、瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)頻率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：圖像的三維可視化、智能解釋功能40海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室oNMODMOABNMO、DMO、偏移處理41海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室42海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室自動(dòng)補(bǔ)償增益（AGC）

球面指數(shù)增益（SEC）

常數(shù)增益用戶自定義

43海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室44海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室5.探地雷達(dá)圖像的解釋方法地下介質(zhì)電性分布幾何分布已知資料波形特征分析45海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室46海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室5.1時(shí)間剖面的對比原則

拾取反射層，依據(jù)勘察孔進(jìn)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，就可在雷達(dá)剖面上找到相應(yīng)的反射波。

識(shí)別和追蹤同一界面的反射波形依據(jù)：

同相性、振幅顯著性變化、波形特征47海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室5.2干擾波的雷達(dá)圖像特征

如何識(shí)別干擾波與目標(biāo)體的圖像特征非常關(guān)鍵干擾信號在實(shí)際探測工作不可避免1)地面干擾地面架空電線（雙曲線）測線附近的金屬物（強(qiáng)振幅、密集的反射波組）地面上的礫石（多次反射，局部強(qiáng)振幅回波）測繩和皮尺（典型的“X”型干擾）2)地下異常的多次波在地質(zhì)體與地表面來回反射，嚴(yán)重影響目標(biāo)體的反射波信息，波形雜亂，不規(guī)則。48海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室5.3常見特殊地質(zhì)體的雷達(dá)圖像特征1)潛水面

水平的強(qiáng)振幅反射波潛水面上下介質(zhì)因?yàn)楹康牟顒e，介電常數(shù)產(chǎn)生較大的差異，反射系數(shù)較大。潛水面下的反射波組衰減較大49海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室2)不同土層的波場特征雜填土：反射波雜亂無序，粘土層：同相軸連續(xù)，波組平行粉質(zhì)粘土，振幅中等淤泥質(zhì)粘土，衰減大，振幅小砂層的波場特征與粘土層相似，中等及粗砂層，反射波同相軸不連續(xù)，存在有規(guī)律的繞射波中砂巖及粗砂巖粘土層50海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室3)基巖破碎帶的波場特征

同相軸錯(cuò)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(qiáng)51海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室4)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，電性差異大二者雷達(dá)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，邊界明顯52海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室5.4常見地下目的物的雷達(dá)圖像特征1)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(qiáng)，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同：金屬管：介電常數(shù)大，導(dǎo)率率極強(qiáng)，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

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)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)管線的半徑越大，反射弧的曲率半徑就越大53海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室陶瓷PVC金屬電纜污水管54海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室2)防空洞、地下室及污水箱涵

極強(qiáng)的反射振幅反射波的極性反轉(zhuǎn)55海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室6.探地雷達(dá)的應(yīng)用公用事業(yè)管線的探測56海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室地質(zhì)調(diào)查57海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室考古研究58海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室排雷59海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室垃圾填埋場的影響60海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室冰層的調(diào)查61海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室礦山巷道及隧道襯砌的探測62海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室大口徑管道、合流污水管道的滲漏探測63海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室道路質(zhì)量檢測64海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室專用高速公路路面墊層質(zhì)量檢測雷達(dá)系統(tǒng)65海洋與地球科學(xué)學(xué)