地质雷达原理及应用

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1、地质雷达理论及应用1904年，德国的Hulsemeyer首次尝试用电磁波信号来探测远距离地面金属体，这便是探地雷达的雏形。1910年，G.Letmbach和H.Lowy在一项德国专利中指出，用埋设在一组钻孔中的偶极天线探测地下相对高导电性的区域，正式提出了探地雷达的概念。1926年，德国的Httlsenberg第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路，并指出电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生反射，这个结论也成为了探地雷达研究领域的一条基本理论依据。1929年Stern进行地质雷达的首次实际应用，

2、他用无线电干涉法测量冰川的厚度。cook在1960年用脉冲雷达在矿井中做了试验。但是地下介质比空气对电磁波有更强的衰减特性，其传播规律比在空气中也要复杂的多，而早期地质雷达频率一般比较低，应用仅局限于对电磁波吸收很弱的诸如冰层、岩盐等介质中。随着现代应用电子技术的高速发展和人们对电磁波认识进一步加深，地质雷达的应用范围从低耗散介质扩展到土层、岩层、混凝土等有耗散介质中，例如：地质勘查、考古、无损检测、管线探测以及建筑结构调查等。非屏蔽天线可应用于：基岩探测、地质分层、岩熔及空洞探测、湖(河)底形态调查

3、、隧道超前探测、坝体深部探测、古墓及其它未知物探测、冰川调查、滑坡调查等土木建筑、地质学及水文地质学方面。探地雷达（GroundPenetratingRadar）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；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

4、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。一、基本原理地质雷达属于高频电磁波，工作原理是基于电磁波的反射原理。地质雷达由发射部分和接收部分组成。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。通过发射天线电磁波以60°～90°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

5、意图图中T为发射天线,R为接收天线,两者间距为X,H为反射点的埋深。波从T出发,按几何光学原理经。返回地面到达的时间为。设电磁波在介质中的传播速度为。由简单的几何关系可得出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，由公式求得目标体的深度H。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计算：c为光速；为地下介质的相对介电常数。介质相对介电常数电磁波速度V（m/ns)水810.033空气10.3雪（湿）4—120.09—0.15石灰岩7(6)0.11(

6、0.12)土壤(干)4(3—5)0.15(0.13—0.18)土壤（含水20%）10(4—40)0.095(0.05—0.15)冰3.20.17铜或铁1----常见介质的和波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确定。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑色和白色表示，或以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射界面。在波形记录上，各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。由于探地雷达的电磁波主要是在非理想介质中传播的所以其衰减的速度非常快，

7、这构成了雷达应用的主要障碍，即探测的深度有限。电磁波的电场强度随着距离的衰减规律是：其中为介质的吸收系数，它随电导率的增大和介电常数的减小而增大。趋肤深度发射天线发射电磁波穿透地下介质穿透深度取决于介质的介电常数和电导率记录反射时间介质中电磁波速度一般在50-150m/µs工作模式:反射（多数情况下使用）透射（层析成像、雷达CT,钻孔雷达或对穿探测）探地雷达是如何工作的？发射天线发射电磁波穿透地下介质穿透深度取决于介质的介电常数和电导率记录反射时间介质中电磁波速度一般在50-150m/µs工作模式:反

8、射（多数情况下使用）透射（层析成像、雷达CT,钻孔雷达或对穿探测）探地雷达是如何工作的？GPR工作方法–反射雷达探测的95%是用偶极反射模式从原理上将，GPR类似于声纳设备发射机发射一“列”电磁脉冲，该脉冲在介质中传播在地下介质的电特性有变化的地方发生反射(即散射)接收机拾取“背散射”信号，记录它并将其显示在计算机屏幕中GPR方法-反射Time[ns]Depth[m]?Length[m]GPR工作方法–层析成像(钻孔雷达)二、地下介质的电特性电特性要探测