探地雷達技術(shù)介紹

1、,,,,探地雷達技術(shù)介紹,北京雷迪公司,電話 010-67621208,,,,,目 錄,,探地雷達原理探地雷達的主要組成部件探地雷達的工作方法探地雷達的技術(shù)參數(shù)測量參數(shù)的選擇雷達管線探測識圖與RD4000管線儀結(jié)合做管線探測市場上幾種商用雷達的主要技術(shù)特色探地雷達在其他方面的應(yīng)用,,,,,,一，探地雷達原理： 探地雷達由地面上的發(fā)射天線將高頻短脈沖(106---109Hz)的電磁波定向送入地

2、下，這種高頻電磁波遇到存在電性差異的地下地層或目標體反射后返回地面，由接收天線接收。 高頻電磁波在傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化，故通過對時域波形的采集、處理與分析，可確定地下界面或地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu) 其最大的特點是高分辯率和高工作效率，它已成為地球物理勘探中一種有力武器，在國民經(jīng)濟的諸多領(lǐng)域發(fā)揮著作用!,,,,,,雷達電磁波傳播示意圖,它的傳播遵循麥克斯韋波動

3、方程理論,,,,,,探地雷達通常通常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負峰分別以黑白、灰階或彩色表示，這樣同相軸或等灰線、等色線即可形象地表征地下反射面或目標體。在波形圖上種測點均以測線的鉛垂反向記錄波形，構(gòu)成雷達剖面,,,,,,二，探地雷達的主要組成部件 其示意圖,1，天線-----發(fā)射天線和接收天線 1-1，天線的分類 按測量方法設(shè)計分為：收發(fā)分體和收發(fā)同體

4、 按頻率劃分可分為：低頻(80HZ以下)、中頻(100HZ—1000HZ)、高頻(1GHZ以上) 按結(jié)構(gòu)特點劃分為：非屏蔽和屏蔽天線 按電性參數(shù)劃分為：偶極子天線、反射器偶極子天線、喇叭狀天線 按其耦合類型可分為 ：地面耦合和空氣耦合型,,,,,,1-2，三大類天線特點及相關(guān)應(yīng)用 采用不同種天線結(jié)構(gòu)是為了獲得較高的發(fā)射效率。 頻率在80MHz以下的為低頻天線，通常采

5、用非屏蔽式半波偶極子桿狀天線。無反射器，無屏蔽。輻射場具有軸對稱性，能量分散，能流密度小。因發(fā)射頻率低，介質(zhì)中衰減小，可用于較深目標的探測，在場地勘察中經(jīng)常采用。 頻率在100MHz-1000MHz范圍內(nèi)的天線稱為中頻天線，采用屏蔽式半波偶極子天線。反射器將輻射到后方的能量集中到前方，在前方形成較大的能流密度。具有天線體積小，發(fā)射效率高的特點。在工程勘查與檢測中常使用該類天線，包括300MHZ、600MHZ、900MHZ。1

6、00MHZ加強型天線也屬于該類天線，它采用高功率發(fā)射技術(shù)，探測深度可達15m左右，場地勘察、線路勘察和隧道超前預(yù)報中常使用該種天線。 高頻天線：頻率高于1GHZ的稱為高頻天線。高頻天線常采用喇叭形狀，以提高輻射效率。該天線輻射能量集中，分辨率高，目前主要用于路面、跑道的質(zhì)量檢測。,,,,,,1-3，偶極子天線輻射方向,非屏蔽天線的輻射是以天線軸為對稱的，并且在垂直天線軸的中心平面內(nèi)輻射強度最大，向兩側(cè)變小。,屏蔽天線輻射的方

7、向性與屏蔽結(jié)構(gòu)有關(guān)，其輻射成一個錐形面向下輻射 前后角，左右角個成一定角度。輻射能量較為集中，能流密度較大，有利于增大探測深度。 一般來說，地下介質(zhì)的介電常數(shù)愈大，偶極子源的輻射功率就愈往地下集中，地下輻射場E在臨界角(Sinøc=(εo/εr)1/2)方向上輻射強度最大。,,,,,,2，控制單元的的A/D轉(zhuǎn)換,A/D轉(zhuǎn)換是決定地質(zhì)雷達技術(shù)指標的核心部件，因為采樣率非常高，采樣間隔間隔在10-1-10-2ns之間，A/

8、D轉(zhuǎn)換的分辨率與采樣率茅盾突出，通常采用多次發(fā)射，移位采樣的方式達到提高采樣率的目的。A/D轉(zhuǎn)換的分辨率有24Bit、16Bit和8Bit幾種，多數(shù)地質(zhì)雷達采用16Bit和8Bit，只有少數(shù)地質(zhì)雷達達到24Bit。采用高頻天線時一般都采用8Bit工作方式。,,,,,3，控制單元的采集和顯示器,雷達的數(shù)據(jù)采集主要是在控制單元中完成的，它可在監(jiān)視器進行實時顯示，也可不用各廠家生產(chǎn)的監(jiān)視器，控制單元直接接筆記本電腦進行采集和顯示的控制。目前多

9、數(shù)據(jù)廠家生產(chǎn)的雷達都有這兩種功能，如果現(xiàn)場不要進行數(shù)據(jù)處理工作，也可回到室內(nèi)通過高速USB口下載數(shù)據(jù)到電腦中，用專用的數(shù)據(jù)處理軟件進行處理，解釋。,,,,,,三，探地雷達的工作方法,1，剖面法 這是發(fā)射天線(T)和接收天線(R) 以固定間隔距離沿測線同步移動的一種測量方式。發(fā)射天線和接收天線同時移動一次便獲得一個記錄。,,,,,,2，共深點反射法 探地雷達探測來自深部界面的反射波時，會由于信噪比過低，不易識別。這時

10、可采用類似地震的多次覆蓋技術(shù)，應(yīng)用不同的天線距的發(fā)射—接收天線對在同一測線進行重復測量，然后把所得的測量記錄中測點位置相同(共深點)記錄進行疊加，能增加所得記錄對地下介質(zhì)的分辯率。,S1,O1,O4,,地面,,R,,M,,,,,,,,,,,,,,X1,,,X4,,h,,S4,T4,R4,T1,R1,,,,,,,3，寬角法,寬角法測量方式是發(fā)射天線固定在地表某點，接收天線沿地表逐點移動，此時的記錄是電磁波通過地下各不同層的傳播時間，從而反

11、映了不同層介質(zhì)的速度分布。,,,,,,四，探地雷達的技術(shù)參數(shù),1,分辯率,分辯率決定了地球物理方法分辯最小異常介質(zhì)的能力。目標體的幾何形狀、目標體的電性、圍巖的不均一性等都可影響雷達的分辯率。 探地雷達根據(jù)介電差異來區(qū)分物質(zhì)體的，那么目標體與圍巖的介電差異最小到底到什么程度雷達還可分辯出來？ 目標體功率反射系數(shù)為：,一般說目標體的功率反射系數(shù)應(yīng)不小于0.01,否則從理論上雷達是分辯不出來的,,,,,,分辯率可

12、分為垂直分辯率和水平分辯率。 水平分辨率 水平分辨率是雷達能夠分辨的物體的水平最小尺度。水平分辨率對于工程探測來說是頭等重要 的技術(shù)指標。根據(jù)Fresnel(菲涅爾)原理，菲涅爾帶中心垂直反射與邊緣反射的波程差為λ/2，菲涅爾帶半徑df為： df=(hλ/2+λ2/16)1/2 水平分辨率應(yīng)為菲涅爾帶半徑的1/2。 假定雷達波以錐面形式向下傳播，物體上表面將大部分能量反射回來，則水平分辨率可根據(jù)下式估算

13、： Rf= (λh+λ/4)1/2Rf :圓柱半徑, λ：電磁波長，h：柱體頂面埋深。 總結(jié)：那么也就是說當兩個目標體的水平距離大于Rf 時，雷達圖上才能分辯得到，從實踐中可知：對于單個目標體，雷達的水平分辯率可高達1/10 Rf,,,,,,垂向分辨率 垂向分辨率是能探測到的物體的垂向最小尺度根據(jù)應(yīng)用實踐，分辨率與深度有關(guān)，隨著深度h的增大，分辨率降低。可用下式估算垂向分辨率RV。 RV= 0.08*

14、h 0<h<3m； RV= 0.5*h 3≦h；舉例：當埋深為2米的目標體，雷達的垂向分辯率為0.16m，對于垂直方向小于這個尺寸的目標體，雷達是分辯不到的。,2，雷達探測深度 雷達的探測深度與天線的發(fā)射功率、使用的頻率、介質(zhì)的電導特性及儀器的動態(tài)范圍有關(guān)。 各種不同的儀器差別較大。發(fā)射功率大的儀器探測深，但是功率增大對探測深度的影響是對數(shù)關(guān)系，動態(tài)范圍的增大與探測射度成

15、線性關(guān)系。動態(tài)范圍大，探測深。反映動態(tài)范圍的指標是采樣位數(shù)，即A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，24Bit最好，16Bit次之，最差的是8Bit。在其他條件相通的條件下，三者的探測深度比為16：8：1,,,,,,雷達在電導率低，低渦流的介質(zhì)中特別適用，電磁波不易被吸收。對于富含水的介質(zhì)中電磁波易被吸收，它的測深大打折扣。,,,,,,以MALA雷達為例，在一般地質(zhì)條件下，使用不同中心頻率的天線，其最大測深與與相應(yīng)的關(guān)系為：,3，脈沖子波,雷達工作時控制部

16、分輸出觸發(fā)波形，觸發(fā)波形是矩形脈沖，上升沿1/2—2ns，脈沖寬度10ns(100MHZ天線)。重復頻率50KHZ、25KHZ。天線是由高速開關(guān)電路驅(qū)動的，開關(guān)電路與天線類似于微分電路，將矩形脈沖變成震蕩小波輸出。,發(fā)射波形,,,,,,對于一個觸發(fā)脈沖，天線實際發(fā)射的是一個子波，也可成為一個小波。子波的波形并不像圖中畫出的那樣簡單，后邊可能帶有衰減震蕩。子波越簡單越有利于分析鑒別。各種雷達天線子波的形式可以現(xiàn)場實測,五，測量參數(shù)的選擇,

17、1，時窗長度 時窗的選取是頭等重要的，既不要選得太小丟掉重要數(shù)據(jù)，也不要選得太大降低垂向分辨率。一般選取探測深度H為目標深度的1.5倍。根據(jù)探測深度H和介電常數(shù)ε確定采樣時窗長度（Range/ns）： Range= 2H(ε)1/2/0.3(ns)= 6.6 H(ε)1/2(ns) 例如對于地層巖性為含水砂層時，介電常數(shù)為25，探測深度為3m時，時窗長度應(yīng) 選為100ns，時窗選擇略有富余，寧

18、大勿小。,,,,,,2，掃描樣點數(shù) 掃描樣點數(shù)Samples/Scan有128、256、512、1024、2048/scan可供選用，為保證 高的垂向分辨，在容許的情況下盡量選大。對于不同的天線頻率Fa、不同的時窗長度Range，選擇樣點數(shù)Samples應(yīng)滿足下列關(guān)系： Samples≧10-8*Range*Fa該關(guān)系保證在使用的頻率下一個波形有10個采樣點。

19、例如對于900MHZ天線，40ns采樣長度的時窗，要求每掃描道樣點數(shù)大于360Sanples/Scan，可以選擇接近的值512。3,掃描速率Scans/S： 掃描速率是定義每秒鐘雷達采集多少掃描線記錄，掃描速率大時采集密集，天線的移動速度可增大，因而可以盡可能的選大。 當掃描速率Scans/s決定后，要認真估算天線移動速度TV。估算移動速度的原則是要保證最小探測目標（SOB）內(nèi)只少有20條掃描線記錄：

20、 TV≦Scans*SOB/20 例如探測目標最小尺度為10cm、掃描速率64Scans/s時,推算天線運動速度應(yīng)小于32cm/s，相當于0.5cm/scan。,,,,,,4,時變增益 時變增益以指數(shù)形式對一道數(shù)據(jù)進行增益處理，即不同深度的數(shù)據(jù)的增益值不同、雙程走時（深度）越大的數(shù)據(jù)所加載的增益值越大，從而突出不同深度目標體的反射波振幅強度。時變增益用于識別不同深度的目標體，尤其是深部目標體。,5,濾波設(shè)置A，DC濾波---

21、---道上的 振幅經(jīng)常會發(fā)生漂移現(xiàn)象，我們稱它DC漂移。這種濾波去除了在數(shù)據(jù)上的DC分量，使數(shù)據(jù)更加準確可靠。它通常是按每道計算和消除的。B，平滑處理(運行平均濾波)---基于一個有效采樣中部的窗口，用這個窗口上所有樣點計算出的平均值來替換每一個樣點，以達到平滑雷達波形圖的目的。這個窗口越大平滑效果也就越大。C，抽取平均道----這個濾波通過抽取一個由所有道計算出的平均道來消除雷達圖上水平或近于水平特征影響的。它是抽取了居于道中心的

22、窗口計算出的平均道來濾波的。,,,,,,D，帶通濾波 帶通濾波 是去除所有道中不想要的頻率。低于最低截止頻率或高于最高截止頻率將被消弱或去除。ciesE，背景噪聲濾波這個濾波是去除數(shù)據(jù)中的水平或近于水平特征，通過運用一個水平空間高通濾波器。它的效果類似于抽取平均道濾波，目的是去除隨機和干擾的頻率。,6，波速估計與標定 電磁波速度的估計很重要，它是進行準確時深轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，有下面幾種方法估算電磁波速： a,根據(jù)地

23、層類型和含水情況使用參考速度值； V=C /(εr)1/2 b,利用已知埋深物體的反射走時求波速； V=2H/t0 c,幾何刻度法計算 d,共中心點計算波速，對于收發(fā)同天線，不太適用。,,,,,,六，雷達管線探測識圖,,,,,,,總結(jié)：地下管線的反射規(guī)律 1)，地下管線的反射走時曲線在幾何形態(tài)上呈雙曲線，并曲線開口向下。 2)，地下管線在水平地面的投影位置可由雙曲線同相軸的極

24、小點來確定。 3)，直徑越大的管道，雙曲線的曲率半徑越大。 4)，由于電磁波的傳播規(guī)律和記錄方式， 地下管線在雷達圖上常有相位偏移的現(xiàn)象，使反射面形態(tài)失真，這樣就要進行漂移處理，抽取平均道濾波。 5)，根據(jù)雙曲線同相軸的極小點，天線距和介質(zhì)傳播速度計算出管道的埋深。 金屬管線與非金屬管線雷達識圖的主要區(qū)別 1)，金屬管線所形成的雙曲線頂點比較尖，在雙曲線內(nèi)部管底反射波明顯。非金屬

25、管線所形成的雙曲線頂點較平滑些。 2)，金屬管線雙曲線向下延長得較多，且繞射現(xiàn)象明顯，非金屬管線向下延伸較小，且繞射現(xiàn)象不明顯。,,,,,,對于管道溝的雷達圖識別 管道溝在連續(xù)的反射波地層上面上有明顯下凹現(xiàn)象，由于波的繞射，常有一個“似背斜”的一段或整段曲線出現(xiàn)。,七，與RD4000管線儀結(jié)合做管線探測 地質(zhì)雷達與管線儀結(jié)合做管線勘察是最理想的工作方法，既能提高查找的準確性，雙可大大提高工作效率。

26、 一般的工作程序要求是： 1，對工區(qū)內(nèi)進行盡可能的環(huán)境調(diào)查，包括地層地質(zhì)情況，環(huán)境噪聲，地理及地上、地下有意義 的標志物。 2，用雷達進行初勘，進行網(wǎng)格狀較大線距測量。 3，對波形反映清晰的位置(大部分是金屬管線)，用管線儀尋蹤并與雷達相互驗證；對于不清晰或有疑問的位置(大部分是非金屬管線)用雷達進行密網(wǎng)拉線式的詳勘，以得到正確的判斷。,,,,,,,4，對重點位置，如總閘，管線交匯處，要靈

27、活運用雷達和管線儀交替使用和搜尋。,5，對于水平排列的管道，要根據(jù)實地情況，一般先用管線儀，如果干擾大，信號不好的情況下，再上雷達，對于垂直排列的管道，一般多利用雷達來完成目標的確定。,八，市場上幾種商用雷達的主要技術(shù)特色,1，美國的GSSI是規(guī)模較大的一家（勞雷代理），此外有PLUS RODAR（鄭州大學張培代理）和PENETRADAR（歐美大地代理）。 GSSI最新型號是SIR3000，它的產(chǎn)品是一種從25MHZ-2GHZ的全

28、兼容地質(zhì)雷達，市場占有率較高，它的技術(shù)和設(shè)計理念與我們?nèi)鸬銶ALA公司生產(chǎn)的CU II極其相似。從技術(shù)的成熟性和客戶的信任度方面，是專業(yè)人士認可的。但勞雷的售后服務(wù)跟不上。 美國PLUS RODAR公司的PLUS RODAR Ⅴ型路用雷達，采用空氣耦合雙及型天線，有250MHz，500MHz，1GHz，2GHz多種型號。同時可安裝4個不同頻率的天線，測量速度可達110km/h,,,,,,,,,,,加拿大探頭與軟件公司PLUSE-E

29、KKO雷達 ，加拿大的Sensors&Software公司生產(chǎn)的Pulse EKKO系列地質(zhì)雷達在上世紀初就進入了中國(雷迪公司代理)，,該儀器的特點是接收與數(shù)字采樣都放在天線中，通用光纖與筆記本電腦通訊，筆記本電腦作為記錄器，抗干擾性強。但聯(lián)線太多，野外使用不太方便。其產(chǎn)品分為EKKO-100(12.5HZ-200HZ,深層地質(zhì)調(diào)查效果好)和EKKO-1000(225HZ-1200HZ)兩種型號， noggin系列專用雷達。但

30、他們的經(jīng)銷商推廣和售后做得都不好，可能是核工業(yè)地質(zhì)研究所的張鵬和彼岸在代理這個產(chǎn)品。 拉脫維亞產(chǎn)品的ZOND-12E)，制做和設(shè)計粗糙，價格便宜(40來萬)，35-75-150M 組合天線，空氣耦合型，最高是2GHZ，非屏蔽天線。做地質(zhì)深層調(diào)查還不錯。國內(nèi)是楊役冀在做，香港是歐美大地，但他也常在國內(nèi)銷售。中科院電子所曾買過一套，目前在國內(nèi)也有一定的客戶。,,,,,,九，探地雷達在其他方面的應(yīng)用,施工場地勘察（建筑/工程行業(yè)）◆查

31、明所有管線的分布、位置和深度◆查明地下障礙物的分布特定目標體/埋藏物查找（地下勘察行業(yè)）◆地下埋藏物探測◆考古行業(yè)：遺址測繪，墓穴探測，文物搜尋 公路、鐵路、橋梁、機場的路面檢測（公路交通/鐵路交通行業(yè)）◆檢測公路尤其是高等級公路的路面厚度，公路質(zhì)量監(jiān)控與檢查：專用公路雷達配置◆路面各層內(nèi)缺陷及空洞/裂縫定位◆橋面厚度檢測◆飛機場跑道的缺陷及空洞探測,,,,,,樁基、路基及橋基的勘察檢測（交通建設(shè)行業(yè)）◆空洞及裂縫的

32、安全調(diào)查，地下管線分布 防空洞、隧道、洞穴、溶洞等地下設(shè)施及障礙物探測◆探測防空洞◆探測隧道◆探測洞穴土木結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測（工程質(zhì)量監(jiān)督行業(yè)）◆混凝土構(gòu)筑物的質(zhì)量檢測：混凝土層厚度檢測，空洞與充填物定位，施工質(zhì)量評價◆土木結(jié)構(gòu)中的鋼筋、管線，張拉鋼纜等內(nèi)部設(shè)施的探測與質(zhì)量檢查◆墻壁，地板，樓板的質(zhì)量檢測◆新建筑和既有建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、支撐物的檢測與質(zhì)量控制◆車場、車庫的結(jié)構(gòu)與地面檢測,,,,,,隧道及采礦坑道的檢測（工程建

33、設(shè)/采礦行業(yè)）◆隧道襯砌質(zhì)量的檢測◆隧道底部溶洞等隱患的探測◆礦井巷道/采礦作業(yè)面的圍巖松動圈、巖層位置及厚度、地質(zhì)構(gòu)造異常及采空區(qū)的探測工程勘察行業(yè)◆土壤分層：探地雷達能反映和區(qū)分地下不同介質(zhì)層的界面，精確計算其深度厚度和介質(zhì)性質(zhì)，配合鉆探觸探等勘察手段則能夠起到提高勘察質(zhì)量降低成本的目的，并可進一步給出勘察場區(qū)的地層分布立體圖?！魩r溶探測：查明巖溶地區(qū)特有的淺表風化、溶洞發(fā)育、溶溝遍布及斷裂和裂隙?！舻鼗{(diào)查/基巖面探

34、測/地下目標體探測◆地下礦井探測◆地下水研究◆評估工程：場地評估/垃圾和廢棄物場地評估/回填形態(tài)評估,,,,,,地質(zhì)災(zāi)害檢測/安全評估行業(yè)◆地基加固效果檢測：地基強夯加固效果檢測、灌漿質(zhì)量檢測、水泥預(yù)制樁沉樁質(zhì)量檢測、復合地基檢測樁體傾斜性檢測等?！舻虊问┕べ|(zhì)量及隱患探測：探測防浪堤淤填石工藝施工后諸如防浪堤下界面寬度、堤下部淤泥塊石混合層厚度、堤壩各部位的密實度及堤底殘留淤泥分布情況，評價工程質(zhì)量?！艚幼o岸工程施工質(zhì)量檢

35、測◆滑坡成因圈定、滑坡范圍探測◆擋土墻的結(jié)構(gòu)調(diào)查◆隧道的安全調(diào)查 軍事單位◆軍事場地的爆炸物探測：傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)探雷器是利用金屬對磁場影響來探測含有金屬的地雷，目前塑料地雷使用廣泛，傳統(tǒng)的探雷器就無能為力，況且戰(zhàn)場上彈片較多，感應(yīng)探雷器的虛警率太高，使得探雷操作很困難。而探地雷達主要是利用地雷反射信號來探測地雷，且有目標成像能力，可以較好地解決傳統(tǒng)探雷器所面臨的問題?！麸w行跑道檢測◆壕溝路徑選址,,,,,,謝謝指導,,,,

36、,,b,水是使介質(zhì)發(fā)生變化的主要因素 介質(zhì)的實際介電常數(shù)(εr)不僅與介質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與介質(zhì)中的含水率有如下關(guān)系： εr＝ (1-Ф ) εmr+ n εwr+(Ф- n) εo εmr 介質(zhì)相對介電常數(shù) εwr 水的相對介電常數(shù)=81 εo 空氣的相對介電常數(shù)=1 Ф 為介質(zhì)總的孔隙度 n 為含水率 上式可寫成： εr＝ (1-Ф ) εmr + Ф +(81-1)