第三章 第五节 探地雷达技术ppt课件.ppt

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1、第五节探地雷达技术目录第五节探地雷达技术一、探地雷达的基本原理二、探地雷达的野外工作方式三、探地雷达的数据处理与成果表达四、探地雷达的应用探地雷达(简称GPR),也称地质雷达，是利用高频率无线电波在地下电性界面上的反射从而来达到探测有关地质对象的一种电波勘探方法。它不仅具有很强的抗干扰性、极高的分辨率，而且由于数据处理技术的高度开发,其探测成果已具备高精度表现能力,从而扩展了方法的应用领域。目前，探地雷达已在地基调查、洞穴探测、考古研究等领域获得了广泛的应用。一、探地雷达的基本原理探地雷达和探空雷达的工作原理基本相同，二者都是利用高频电磁波束在界面上的反射来探测目标体。只是探空雷达所发射的电

2、磁波在空气中传播，衰减较小，可探测远距离的目标，而探地雷达所发射的电磁波在岩层内传播，由于岩层的强烈吸收作用，其衰减较大，因而探测距离较小。正因为探地雷达探测的是在地下有耗介质中的目标体，它形成了自己独特的发射波形与天线设计特点。根据已发表的资料，探地雷达使用的发射波形有调幅脉冲波、调频脉冲波、连续波等；使用的天线有对称振子天线、非对称振子天线、螺旋天线、喇叭天线等。由于对称振子型调幅脉冲时域探地雷达输出功率大，能实时监测测量结果，设备可做成便携式等优点，在商用地面探地雷达中，已得到广泛应用。本节主要介绍这种探地雷达。探地雷达所用的电磁波有一较宽的频谱，频段远大于一般的地面电磁法，属于分米波

3、。图3·5·1为探地雷达探测原理图，发射天线和接收天线紧靠地面，由发射机发射的短脉冲电磁波经发射天线辐射传入大地，电磁波在地下传播过程中遇到介质的分界面后便被反射或折射，反射回地面并被接收天线接收的电磁波，我们称为回波。显然，根据回波讯号及其传播时间便可判断电性界面的存在及其埋深。图3.5.1探地雷达探测原理图及反射波形显然，脉冲电磁波往返所需时间为式中h为电磁波所遇到的反射界面的深度；v为电磁波在地下岩层中的传播速度，它等于式中c为光速，为电常数。图3.5.1同时给出了雷达波的反射波形图，由图可见，反射波不仅发生在不同介质的分界面上，也发生在空气与岩石(空洞)或金属、非金属与埋土的界面上。

4、图的右部表示了垂直发射和接收的点沿地面改变位置时所得到的波形图。由于入射波抵达反射界面时，两种不同介质界面的反射系数不同，所以表征各界面存在的反射波幅度也不一样。导电性好的介质对电磁波具有较强的反射性能。其次，电磁波在地下介质中的传播，其能量将因介质的吸收而损耗，吸收的程度取决于岩层的吸收系数。吸收系数小，电磁波能量损耗小衰减慢；吸收系数大，则损耗大衰减快。由于探地雷达通常采用的频率在50MHz~900MHz之间，因此在较好的条件下，其探测范围已扩展为30~50m，探测的分辨率可达数厘米，深度符合率小于±5cm。二、探地雷达的野外工作方式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

5、环境，采用相应的测量方式并选择合适的测量参数，才能保证雷达记录的质量。目前常用的时域探地雷达测量方式有剖面法和宽角法两种。此外，还有在某些特殊情况下使用的环形剖面法和多天线雷达系统所采用的多天线测量方式。1、剖面法与多次覆盖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进行观测的一种测量方式。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像来表示。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走时，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。

6、这种记录能准确反映测线下方地下各反射界面的形态。图3.5.2为剖面法示意图及其雷达图像剖面。图3.5.2剖面观测方式(a)剖面法示意图；(b)探地雷达图像剖面(2)多次覆盖。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。这时可采用不同天线间距的发射—接收天线在同一测线上进行重复测量，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。2、宽角法或共中心点法宽角法是发射天线固定在地面某一点上不动，接收天线沿测线逐点移动，记录地下各个不同界面反射波双程走时的测量方式。也可以用两个天线，在保持中心点位置不变的情况下，不断改变两个天线之间的距离，

7、记录反波双程走时，这种方法称为共中心点法。当地下界面平直时，这两种方法结果一致。采用这两种测量方式的目的是求取地下介质的电磁波传播速度。图3.5.3是共中心点法观测方式示意图及其雷达图像。图3.5.3共中心点法观测方式与雷达图像深度h为的地下水平界面的反射波双程走时t满足(3.5.1)式中，x为发射天线与接收天线之间的距离，h为反射界面的深度，为电磁波的传播速度。地表直达波可看成是h=0的反射波。上式表示当地