探地雷達(dá)概論(孫)

1、1孫宏志孫宏志 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）Phone:hone:mailEmail：返回返回結(jié)束結(jié)束2返回返回結(jié)束結(jié)束3返回返回結(jié)束結(jié)束4返回返回結(jié)束結(jié)束5返回返回結(jié)束結(jié)束 探地雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例探地雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例6返回返回結(jié)束結(jié)束 探地雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例探地雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例7返回返回結(jié)束結(jié)束8 返回返回結(jié)束結(jié)束9返回返回結(jié)束結(jié)束10 返回返回結(jié)束結(jié)束11返回返回結(jié)束結(jié)束12返回返回結(jié)束結(jié)束13 返回返回結(jié)束結(jié)束探地雷達(dá)是一種探地雷達(dá)是一種非破壞性非破壞性的探測(cè)技術(shù)，可以安全地用的探測(cè)技術(shù)，可以安全地用于城市和正在建設(shè)中的工程現(xiàn)場(chǎng)。工作場(chǎng)地條件寬

2、松，于城市和正在建設(shè)中的工程現(xiàn)場(chǎng)。工作場(chǎng)地條件寬松，適應(yīng)性強(qiáng)適應(yīng)性強(qiáng)( (對(duì)于輕便類(lèi)的儀器對(duì)于輕便類(lèi)的儀器) )；抗抗電磁電磁干擾干擾能力強(qiáng)，可在城市內(nèi)各種噪聲環(huán)境下工作，能力強(qiáng)，可在城市內(nèi)各種噪聲環(huán)境下工作，環(huán)境干擾影響小；環(huán)境干擾影響??；具有工程上較滿(mǎn)意的具有工程上較滿(mǎn)意的探測(cè)深度和分辨率探測(cè)深度和分辨率. .現(xiàn)場(chǎng)直接提供現(xiàn)場(chǎng)直接提供實(shí)時(shí)剖面記錄圖，圖像清晰直觀；實(shí)時(shí)剖面記錄圖，圖像清晰直觀；便攜微機(jī)控制數(shù)字采集、記錄、存儲(chǔ)和處理。輕便類(lèi)便攜微機(jī)控制數(shù)字采集、記錄、存儲(chǔ)和處理。輕便類(lèi)儀器現(xiàn)場(chǎng)僅需儀器現(xiàn)場(chǎng)僅需3 3人或更少人員即可工作，人或更少人員即可工作，工作效率高工作效率高。 14 返回

3、返回結(jié)束結(jié)束/xz4t22/c探地雷達(dá)探地雷達(dá)利用高頻電磁波利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至千兆赫)以寬頻帶短以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過(guò)天線脈沖形式，由地面通過(guò)天線T送入地下，送入地下，經(jīng)地下地層或目的體反射后返回地面，經(jīng)地下地層或目的體反射后返回地面，為另一天線為另一天線R所接收所接收(圖圖1)。脈沖波行程脈沖波行程需時(shí)：當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時(shí)，可根據(jù)測(cè)到的精確的為已知時(shí)，可根據(jù)測(cè)到的精確的t值值(ns，1ns=lO-9s)。由上。由上式求出反射體的深度式求出反射體的深度(m)。式中。式中x(m)值在剖面探測(cè)中是固定的：值在剖面探測(cè)中是固定的：v值值(

4、m/ns)可以可以用寬角方式直接測(cè)量，也可以根據(jù)用寬角方式直接測(cè)量，也可以根據(jù)近似算出近似算出(當(dāng)介質(zhì)的導(dǎo)電率很低時(shí)當(dāng)介質(zhì)的導(dǎo)電率很低時(shí))4，其中，其中c為光速為光速(c=0.3m/ns)，為地，為地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)值，后者可利用現(xiàn)成數(shù)據(jù)或測(cè)定獲得。下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)值，后者可利用現(xiàn)成數(shù)據(jù)或測(cè)定獲得。15 返回返回結(jié)束結(jié)束雷達(dá)圖形雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的常以脈沖反射波的波形波形形式記錄。波形的正負(fù)峰分別以黑、形式記錄。波形的正負(fù)峰分別以黑、白色表示，或者以白色表示，或者以灰階灰階或或彩色彩色表示。這樣，表示。這樣，同相軸同相軸或等灰度、等色線或等灰度、等色線即可即可形象地表征出地下反射面

5、形象地表征出地下反射面。上圖為波形記錄的示意圖。圖上對(duì)照。上圖為波形記錄的示意圖。圖上對(duì)照一個(gè)簡(jiǎn)單的地質(zhì)模型一個(gè)簡(jiǎn)單的地質(zhì)模型. .，畫(huà)出了波形的記錄。在波形記錄圖上各測(cè)點(diǎn)均，畫(huà)出了波形的記錄。在波形記錄圖上各測(cè)點(diǎn)均以測(cè)線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面。與反射地震剖面相似，以測(cè)線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面。與反射地震剖面相似，雷達(dá)剖面亦同樣存在反射波的雷達(dá)剖面亦同樣存在反射波的偏移與繞射波的歸位問(wèn)題偏移與繞射波的歸位問(wèn)題。故雷達(dá)圖形。故雷達(dá)圖形也需作偏移處理。反射脈沖信號(hào)的也需作偏移處理。反射脈沖信號(hào)的強(qiáng)度強(qiáng)度，與界面的波反射系數(shù)和穿透，與界面的波反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的波吸收程度有關(guān)介質(zhì)

6、的波吸收程度有關(guān) 16 脈沖時(shí)間域探地雷達(dá)利用超高頻短脈沖電脈沖時(shí)間域探地雷達(dá)利用超高頻短脈沖電磁波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)磁波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)的分布。因?yàn)槿魏蚊}沖波都可以分解成不同的分布。因?yàn)槿魏蚊}沖波都可以分解成不同頻率的單諧波；對(duì)稱(chēng)振子型、發(fā)射和接受天頻率的單諧波；對(duì)稱(chēng)振子型、發(fā)射和接受天線間距離很小。因此線間距離很小。因此電偶極源產(chǎn)生的單諧電磁電偶極源產(chǎn)生的單諧電磁波場(chǎng)及傳播特征是探地雷達(dá)的理論基礎(chǔ)。波場(chǎng)及傳播特征是探地雷達(dá)的理論基礎(chǔ)。 均勻介質(zhì)中的電磁場(chǎng)均勻介質(zhì)中的電磁場(chǎng)脈沖時(shí)間域探地雷達(dá)的基本原理脈沖時(shí)間域探地雷達(dá)的基本原理電偶極源的電磁場(chǎng)電偶極源的

7、電磁場(chǎng)返回返回結(jié)束結(jié)束17 返回返回結(jié)束結(jié)束18 返回返回結(jié)束結(jié)束19 返回返回結(jié)束結(jié)束20 返回返回結(jié)束結(jié)束21 返回返回結(jié)束結(jié)束22 返回返回結(jié)束結(jié)束23 返回返回結(jié)束結(jié)束24 返回返回結(jié)束結(jié)束25 返回返回結(jié)束結(jié)束 u、分別為介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率。 角標(biāo)1和2分別代表入射介質(zhì)和透射介質(zhì)。 由關(guān)系式可以看出，反射系數(shù)反射系數(shù)與界面兩與界面兩邊介質(zhì)的電磁性質(zhì)和頻率有關(guān)。很明顯，邊介質(zhì)的電磁性質(zhì)和頻率有關(guān)。很明顯，電磁參數(shù)差別大者，反射系數(shù)也大，因電磁參數(shù)差別大者，反射系數(shù)也大，因而反射波的能量也大。而反射波的能量也大。 26 返回返回結(jié)束結(jié)束27 返回返回結(jié)束結(jié)束28 返回返

8、回結(jié)束結(jié)束 對(duì)于斜入射情況斜入射情況，反射系數(shù)將因波極化性質(zhì)而變，反射系數(shù)還與入射角大小有反射系數(shù)還與入射角大小有關(guān)關(guān)。 介質(zhì)的含水量一般也會(huì)對(duì)介質(zhì)的含水量一般也會(huì)對(duì)、值有所影值有所影響，含水多者響，含水多者、值變大，相應(yīng)地，反值變大，相應(yīng)地，反射系數(shù)也會(huì)不同射系數(shù)也會(huì)不同。波的吸收程度與衰減波的吸收程度與衰減因子有關(guān)因子有關(guān)。 29返回返回結(jié)束結(jié)束l剖面法與多次覆蓋剖面法與多次覆蓋（1）剖面法）剖面法 剖面法是發(fā)射天線（剖面法是發(fā)射天線（T）和接收天線（）和接收天線（R）以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)的一種測(cè)量方式。以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)的一種測(cè)量方式。 （2）多次覆蓋）多次覆蓋 應(yīng)用不同天線距

9、的發(fā)射應(yīng)用不同天線距的發(fā)射接收天線在同一接收天線在同一測(cè)線上進(jìn)行重復(fù)測(cè)量然后把測(cè)量記錄中相同測(cè)線上進(jìn)行重復(fù)測(cè)量然后把測(cè)量記錄中相同位置的記錄進(jìn)行疊加，這種記錄能增強(qiáng)對(duì)深部位置的記錄進(jìn)行疊加，這種記錄能增強(qiáng)對(duì)深部地下介質(zhì)的分辨能力。地下介質(zhì)的分辨能力。30 返回返回結(jié)束結(jié)束311分辨率分辨率 分辨率是方法分辨最小異常體的能力。分辨分辨率是方法分辨最小異常體的能力。分辨率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。 （1） 垂向分辨率垂向分辨率一般把地層厚度一般把地層厚度b=4作為垂直分辨率的作為垂直分辨率的下限。下限。 （2）橫向分辨率橫向分辨率探地雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)探地雷達(dá)的技術(shù)

10、參數(shù)返回返回結(jié)束結(jié)束32 返回返回結(jié)束結(jié)束指對(duì)多個(gè)目的體的區(qū)分或小目的體的識(shí)別能力指對(duì)多個(gè)目的體的區(qū)分或小目的體的識(shí)別能力。概括地說(shuō)，。概括地說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題決定于脈沖的寬度，即與脈沖頻帶的設(shè)計(jì)有關(guān)。這個(gè)問(wèn)題決定于脈沖的寬度，即與脈沖頻帶的設(shè)計(jì)有關(guān)。頻帶越寬，時(shí)域脈沖越窄，它在射線方向上的時(shí)域空間頻帶越寬，時(shí)域脈沖越窄，它在射線方向上的時(shí)域空間分辨能力就越強(qiáng)，或可近似地認(rèn)為深度方向的分辨率高，分辨能力就越強(qiáng)，或可近似地認(rèn)為深度方向的分辨率高，其關(guān)系式為：其關(guān)系式為： 。式中。式中B Beffeff有效頻帶寬度，為分辨界有效頻帶寬度，為分辨界面的有效波形之間的時(shí)間間隔。若從波長(zhǎng)的角度來(lái)考慮，面的有效

11、波形之間的時(shí)間間隔。若從波長(zhǎng)的角度來(lái)考慮，則工作主頻率越高則工作主頻率越高( (即波長(zhǎng)短即波長(zhǎng)短) )，雷達(dá)反射波的脈沖波形，雷達(dá)反射波的脈沖波形就越窄，其分辨率越高。實(shí)際應(yīng)用中可以半波長(zhǎng)為尺度就越窄，其分辨率越高。實(shí)際應(yīng)用中可以半波長(zhǎng)為尺度來(lái)表明來(lái)表明縱向分辨率縱向分辨率。例如，對(duì)于例如，對(duì)于100MHZ100MHZ的中心頻率，在的中心頻率，在粘土中，波長(zhǎng)粘土中，波長(zhǎng)=0.6m(=0.6m(以以v=0.06m/nsv=0.06m/ns計(jì)計(jì)) )，其分辨能力，其分辨能力為為0.3m0.3m。 effBt/1effBt/1t33 返回返回結(jié)束結(jié)束 水平空間方向上的分辨能力水平空間方向上的分辨能力

12、，在很大程，在很大程度上決定于介質(zhì)的度上決定于介質(zhì)的吸收特性吸收特性。介質(zhì)吸收。介質(zhì)吸收越強(qiáng)，目的體中心部位與、邊緣部位的越強(qiáng)，目的體中心部位與、邊緣部位的反射能量相對(duì)差別也越大，水平方向的反射能量相對(duì)差別也越大，水平方向的分辨能力相對(duì)也就較強(qiáng)。分辨能力相對(duì)也就較強(qiáng)。 分辨率還與地下各個(gè)方向上脈沖波的能分辨率還與地下各個(gè)方向上脈沖波的能量分布情況，即天線的量分布情況，即天線的方向圖方向圖有關(guān)。有關(guān)。 34 返回返回結(jié)束結(jié)束35 返回返回結(jié)束結(jié)束36目的體特性與所處環(huán)境分析目的體特性與所處環(huán)境分析（1）天線中心頻率選擇）天線中心頻率選擇 （2）時(shí)窗選擇）時(shí)窗選擇（3）采樣率選擇）采樣率選擇（4）

13、測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距選擇）測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距選擇（5）天線間距選擇）天線間距選擇 探地雷達(dá)測(cè)量的設(shè)計(jì)探地雷達(dá)測(cè)量的設(shè)計(jì)v返回返回結(jié)束結(jié)束37返回返回結(jié)束結(jié)束 剖面法剖面法(CDP) (CDP) ：發(fā)射天線和接收天線以固定間距發(fā)射天線和接收天線以固定間距(TR=z=D)(TR=z=D)沿探測(cè)線同步移動(dòng)，記錄點(diǎn)位于沿探測(cè)線同步移動(dòng)，記錄點(diǎn)位于TRTR的中點(diǎn)。測(cè)量中測(cè)點(diǎn)間的中點(diǎn)。測(cè)量中測(cè)點(diǎn)間距應(yīng)小于波長(zhǎng)的距應(yīng)小于波長(zhǎng)的l/4l/4。 寬角法寬角法(WARR)(WARR)：采用一個(gè)天線固定，移動(dòng)另一個(gè)天線的方采用一個(gè)天線固定，移動(dòng)另一個(gè)天線的方式，或者兩天線同時(shí)由一中心點(diǎn)向兩側(cè)反方向移動(dòng)。此時(shí)式，或者兩天線同時(shí)由一中心點(diǎn)向

14、兩側(cè)反方向移動(dòng)。此時(shí)記錄的是電磁波脈沖通過(guò)地下各個(gè)不同介質(zhì)層的雙程傳播記錄的是電磁波脈沖通過(guò)地下各個(gè)不同介質(zhì)層的雙程傳播時(shí)間，它反映地下成層介質(zhì)的速度分布。時(shí)間，它反映地下成層介質(zhì)的速度分布。 多天線法多天線法(MAM)(MAM)：這種測(cè)量方式是利用多個(gè)接收天線，同利用多個(gè)接收天線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。但這種方法必須考慮天線的屏蔽，以避時(shí)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。但這種方法必須考慮天線的屏蔽，以避免直達(dá)波或泄漏波在天線之間多次反射造成的干擾免直達(dá)波或泄漏波在天線之間多次反射造成的干擾。 透射法：透射法：做電磁波CT時(shí)使用。但用得較少。 38 返回返回結(jié)束結(jié)束地下介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對(duì)波的不同程度

15、的吸收以及介質(zhì)的不均勻性質(zhì)，使得脈沖到達(dá)接收天線時(shí)，波幅被減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差別。此外，不同程度的各種隨機(jī)噪聲和干擾波，也歪曲了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此，必須對(duì)接收信號(hào)實(shí)施適當(dāng)?shù)奶幚?，以改善?shù)據(jù)資料，為進(jìn)一步解釋提供清晰可辨的圖像。 39數(shù)字記錄的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)類(lèi)似于數(shù)字記錄的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)類(lèi)似于反射地震反射地震數(shù)據(jù)，反射地震數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，反射地震數(shù)字處理許多有效技術(shù)通過(guò)某種形式改變均可以應(yīng)用于探地雷達(dá)資處理許多有效技術(shù)通過(guò)某種形式改變均可以應(yīng)用于探地雷達(dá)資料的處理。料的處理。例如：例如：多次重復(fù)測(cè)量多次重復(fù)測(cè)量取取平均平均，以抑制隨機(jī)噪聲；，以抑制隨機(jī)噪聲；鄰近的不同位置的多次測(cè)量鄰近的不同

16、位置的多次測(cè)量取取平均平均，以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；，以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；自動(dòng)時(shí)變?cè)鲆婊蚩刂圃鲆孀詣?dòng)時(shí)變?cè)鲆婊蚩刂圃鲆嬉匝a(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波；以補(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波；濾波處理濾波處理或或時(shí)頻變換時(shí)頻變換以除去高頻雜波或突出目的體、降低背景噪聲和余振影響，以除去高頻雜波或突出目的體、降低背景噪聲和余振影響，一維、二維一維、二維空間濾波空間濾波設(shè)計(jì)與脈沖波形有關(guān)的設(shè)計(jì)與脈沖波形有關(guān)的反濾波反濾波或或匹配濾波器匹配濾波器做與目的體有做與目的體有關(guān)的關(guān)的三維處理三維處理 3. 探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理與資料解釋探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理與資料解釋(1). 探地雷達(dá)的探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)

17、處理返回返回結(jié)束結(jié)束40（補(bǔ)充速度的求?。ㄑa(bǔ)充速度的求?。?1時(shí)間剖面的解釋方法時(shí)間剖面的解釋方法（1）反射層的拾取）反射層的拾?。?）時(shí)間剖面的解釋?zhuān)r(shí)間剖面的解釋2資料解釋的資料解釋的專(zhuān)家系統(tǒng)專(zhuān)家系統(tǒng)介紹介紹（1）對(duì)雷達(dá)圖像信息進(jìn)行反褶積處理。）對(duì)雷達(dá)圖像信息進(jìn)行反褶積處理。 （2）利用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）利用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) （3）根據(jù)專(zhuān)家領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行地層性質(zhì)判別）根據(jù)專(zhuān)家領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行地層性質(zhì)判別 (2). 探地雷達(dá)的資料解釋方法探地雷達(dá)的資料解釋方法v返回返回結(jié)束結(jié)束41 返回返回結(jié)束結(jié)束識(shí)別異常識(shí)別異常 ：在很大程度上基于地質(zhì)雷達(dá)圖像的正演成果在很大程度上基于地質(zhì)雷達(dá)圖像的正演成果。通過(guò)理論計(jì)算和大量的物理模擬實(shí)驗(yàn)，為識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)中可能遇到的種種有限目的體所引起的異常，以及對(duì)各類(lèi)圖像進(jìn)行地質(zhì)解釋提供理論依據(jù)。 地質(zhì)解釋?zhuān)旱刭|(zhì)解釋?zhuān)汉退形锾郊夹g(shù)一樣，它是一個(gè)和所有物探技術(shù)一樣，它是一個(gè)“系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程”，它包含了物理原理、儀器技術(shù)特點(diǎn)、地質(zhì)和地理、工程人文它包含了物理原