探地雷达理论_精品文档.ppt

1、探地雷达原理与工作方法北京博泰克机械有限公司目录雷达雷达理论理论12345雷达基本介绍雷达基本介绍雷达基本介绍雷达基本介绍探地雷达基本理论探地雷达基本理论探地雷达基本理论探地雷达基本理论探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点工程质量检测中的地质雷达技术解释工程质量检测中的地质雷达技术解释工程质量检测中的地质雷达技术解释工程质量检测中的地质雷达技术解释岩土工程介质的电磁学特性岩土工程介质的电磁学特性岩土工程介质的电磁学特性岩土工程介质的电磁学特性雷达基本介绍雷达基本介绍探地雷达方法简介GPR方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz3GHz）

2、电磁技术。一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接收地下介质界面的反射波。利用回波的回程时间、振幅和波形资料，可推断介质的结构。雷达基本介绍雷达基本介绍探地雷达方法发展探地雷达始于1910年，源于德国，用于探测地下相对高导电性质的区域。1926年，德国专家提出脉冲技术确定地下结构的思路。1960年，Cook将脉冲雷达应用于矿井中。1970年，雷达用于南极冰盖探测。70年代末，雷达技术成熟，并进行商用生产雷达基本介绍雷达基本介绍探地雷达特点发射天线和接收天线间距小，当地层倾角不大时，反射波路径与地层垂直。工作效率高，在地质介质中以位移电流为主。电磁波传播理论与弹性波的传播理论类似。雷达基本介绍

3、雷达基本介绍天线设计探地雷达天线设计强调天线的脉冲响应，频带宽，还要考虑接收-发射天线之间的耦合以及介质典型与几何形状对天线探测的影响。AA振子天线振子天线BB行波天线行波天线C C频率独立天线频率独立天线DD开孔天线开孔天线雷达基本介绍雷达基本介绍振子天线低方向性有效频带宽体积小，可在狭窄条件下使用辐射特征容易分析雷达基本介绍雷达基本介绍行波天线行波天线的场强和电流可用一个以上行波表示短脉冲响应频率独立天线该频率天线形状完全由螺旋角来决定，其性能与频率无关。自我阻抗补偿雷达基本介绍雷达基本介绍开孔天线最常见的一种为喇叭口天线天线体积小天线带宽可达0.22GHz目前商用探地雷达中使用的天线主要

4、目前商用探地雷达中使用的天线主要为振子天线为振子天线探地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁场理论电磁场理论电磁波的传播特点电磁波的传播特点介质交界面的特性介质交界面的特性电磁波在多层介质中传播电磁波在多层介质中传播雷达基本理论雷达基本理论探地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁场理论电磁波是横波，电场强度E、磁场强度H和波矢量K三者互相垂直，组成右手螺旋关系。右手螺旋关系含义如下，四个手指并拢伸直指向电场方向，然后四指回握90指向磁场方向，大拇平伸则指向波的传播方向k。电磁波的电场、磁场、与波矢量的关系如下图所示。在波的传播过程中其空间方向是固定不变的，即使是发生了反射与折射，也只是传播方向K发生变

5、化，电场与磁场的方向依然不变。在空气中电场与磁场是同向位的，两者同时达到极大和极小值，电场强度与磁场强度的比值刚好等于电磁波速。在工程介质中因为有传导电流能量损失，电场与磁场的相位再不同步，磁场落后与电场一个相位，电导率越高，落后的相位越大。探地雷达基本理论探地雷达基本理论电场、磁场和波矢量探地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁波的传播特点电矢量E、磁矢量H和都与波的传播方向k垂直，因此电磁波是横波。E和H式中同频率，同相位。任意时刻E和H的幅值成比例。E和H分别在各自的平面内振动，这一特性成为偏振性。探地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁波的传播特点电磁波的传播速度v的大小为：电磁波的频率越高，

6、相应的波长就越短。无线电波的频率最低（波长最长），而射线的频率最高（波长最短）。目前人类通过各种方式已产生或观测到的电磁波的最低频率为10-2Hz，其波长为点球半径的5000倍，二电磁波的最高频率为1025Hz，它来自于宇宙的射线。探地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁波的传播特点探地雷达是利用电磁波的发射和接收进行目标体的探测。其发射的电磁波为线极化平面波。电场强度与入射平面垂直的平面波称为垂直极化平面波，而电场强度与入射面平行的平面波成为平行极化平面波。探地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁波的传播特点电磁波在介质中传播，其规律满足麦克斯韦方程，电场强度分量可用于下面的关系式表示：式中，Ex为

7、传播距离Z=x处的电场强度；Eo为传播距离Z=0出的电场强度；k=+j，为传播常数，其中为衰减常数，表示每单位距离衰减程度的常数；为相移常数，表示每单位距离落后的相位。探地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁波的传播特点式中，w为电磁波的角频率（w=2f，f为电磁波中心频率）；为介质的磁导率；为介质的电导率；为介质的介电常数。探地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁波的传播特点高阻介质：电磁波在高阻介质中传播时，（/w0）1：上面公式表明，衰减常数除与电导率成正比例关系外，还同电磁波角频率有关。不同的电磁波频率，衰减常数变化，探测能力亦不同，在相同介质中，地质雷达天线频率越高，探测深度越小。探地雷达基

8、本理论探地雷达基本理论电磁波的传播特点在低阻介质中，电磁波的传播速度V用下式表示：上面公式表明，在低阻介质中，电导率越大，电磁波速度越小。探地雷达基本理论探地雷达基本理论介质中电磁波波速与能量衰减特性 描述电磁波传播特性的波矢量k为复数：k=+i,描述波传播的相位，称为相位常数；描述波幅的衰减，称为衰减常数，它们是介质的性质。相位常数与衰减常数与介质电磁参数及频率的关系如下：=（）1/2（1+2/22）1/2+1）/21/2=（）1/2（1+2/22）1/2-1）/21/2根据介质的电磁性质，分三种情况对上式进行讨论。探地雷达基本理论探地雷达基本理论介质中电磁波波速与能量衰减特性对于低电导介质

9、，满足10-2S/m，/1，此时相位常数、衰减常数和电磁波速V为：=（）1/2V=/=（/）1/2上式说明在高导介质中，波速与频率的平方根成正比，与电导率的平方根成反比，波速是频率和电导率的函数，波速很低。如对于铜，电导率为5*107，在100MHZ时波速为3.5m/s；对于1GHZ的频率，电磁波速为11m/s。这一速度与空气及岩土介质中的电磁波速相比，可以认为导体中的电磁波速为0。也就是说，在导体中电磁波很难传播。探地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁波在介质交界面的特性平面电磁波到达两种不同的均匀介质的分界面处会发生反射与折射。入射波、反射波与折射波的方向，遵循反射定律和折射定律。如下图：探

10、地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁波在介质交界面的特性电磁波在到达界面时，还将发生能量再分配，根据能量守恒定理，界面两边的能量综合保持不变，因此入射部分的能量与透过界面的能量之差，即为反射波的能量。探地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁波在多层介质中传播电磁波在多层介质中传播电磁波在多种岩矿石组成的地下介质中传播时，情况相当复杂，我们这里主要介绍的是底层按照该不同电磁性质呈平面接触，而且在层内底层的电磁性质均匀。探地雷达研究的问题大部属于园区的入射问题，下面以几何光学原理近似探地雷达的反射波前。探地雷达基本理论探地雷达基本理论电磁波在多层介质中传播电磁波在多层介质中传播探地雷达基本理论探地雷达基

11、本理论薄层探测薄层：当某层介质的厚度小于半波长时，即h/2时，波在该层内的双程走时小于波的周期:2h/vT探地雷达基本理论探地雷达基本理论薄层探测上层进入薄层的折射波与薄层下界面的反射波、多次反射波相干涉，使得从薄层上界面的回来的反射波与薄层返回到上层的折射波相互叠加，使得上界面反射能量加强，视反射系数加大。当薄层内双程走时恰好等于波的周期时，层内相长干涉，能量最强，进入上层的能量大。当薄层内双程走时不等于波的半周期时，层内相消干涉，能量最小，进入上层的能量也少。因而反射的能量的大小与薄层厚度及频率有关，在某些频率带宽内反射信号增强，某些频段内反射很弱，厚度为h的薄层表现出滤波器的作用。探地雷

12、达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点仪器设备的组成探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点天线类型以频率划分为低频、中频和高频 以结构特点又划分为非屏蔽、屏蔽天线 以电性参数分有偶极子天线、反射器偶极子天线、喇叭状天线 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点天线类型低频天线：通常采用非屏蔽式半波偶极子杆状天线。无反射器，无屏蔽。天线每半极的长度为/4，天线总长度为雷达/2。辐射场具有轴对称性，能量分散，能流密度小。因发射频率低，介质中衰减小，可用于较深目标的探测，在场地勘察中经常采用。探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点低频天线：非屏蔽天线的辐射是以天线轴为对称的，并且在垂

13、直天线轴的中心平面内辐射强度最大，向两侧变小。探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点天线类型中频天线：频率在100MHz-1000MHz范围内的天线称为中频天线，采用屏蔽式半波偶极子天线。天线采用有反射器的半波偶极子天线，天线每半极的长度为/4，天线总长度为雷达/2。反射器将辐射到后方的能量集中到前方，在前方形成较大的能流密度。具有天线体积小，发射效率高的特点。在工程勘查与检测中常使用该类天线，包括200MHZ、400MHz、600MHZ、900MHZ。探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点天线类型高频天线：频率高于1GHZ的称为高频天线。高频天线常采用喇叭形状，以提高辐射效率。该

14、天线辐射能量集中，分辨率高，目前主要用于路面、跑道的质量检测。探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点天线探测范围屏蔽天线辐射的方向性与屏蔽结构有关，以IDS公司的100MHz屏蔽天线为例，其辐射角前后90，左右60。辐射能量较为集中，能流密度较大，有利于增大探测深度。天线天线雷达可测量信号到达目标的雷达可测量信号到达目标的传传输时间输时间 利用估算的传播速率计算出利用估算的传播速率计算出目目标的距离标的距离当满足下面条件时，隐当满足下面条件时，隐蔽物可由雷达探出：蔽物可由雷达探出：在天线信号范围之内在天线信号范围之内 信噪比适当信噪比适当 时时间间x探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构

15、与特点频带宽度频率与频带宽度是天线重要技术指标，关系到天线的探测能力。不同型号的仪器会有所差异。雷达天线的频带宽度近似等于中心频率。探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点雷达脉冲和子波 雷达工作时控制部分输出触发波形，触发波形是矩形脉冲，脉冲宽度10ns(100MHZ天线)。探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点雷达脉冲和子波对于一个触发脉冲，天线实际发射的是一个子波，也可成为一个小波。子波的波形并不像图中画出的那样简单，后边可能带有衰减震荡。子波越简单越有利于分析鉴别。探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点水平分辨率水平分辨率是雷达在水平向分辨相似物体的能力。水平分辨率对于

16、工程探测来说是头等重要的技术指标。根据Fresnel(菲涅尔)原理，菲涅尔带中心垂直反射与边缘反射的波程差为/2，菲涅尔带半径df为：df=(h/2+2/16)1/2水平分辨率应为菲涅尔带半径的1/2。探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点水平分辨率假定雷达波以锥面形式向下传播，物体上表面将大部分能量反射回来，则水平分辨率可根据下式估算：Rf=(h+/4)1/2Rf:圆柱半径,：电磁波长，h：柱体顶面埋深。从上述公式中可以看出，水平分辨率与埋深及波长有关，而波长是由天线频率和介质波速决定的。探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点水平分辨率探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点垂直分辨率垂直分辨率定义为雷达在垂直向能够分辨两个相同物体的能力。按波的干涉理论，物体上下界面反射波最小可识别双向波程差为/4-/8，因而垂向分辨率RV 与工作频率有关：RV=/8-/4根据应用实践，分辨率与深度有关，随着深度h的增大，分辨率降低。可用下式估算垂向分辨率RV。RV=0.08*h 0h3m；RV=0.5*h 3h；探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点垂直分辨率探地雷达仪器结构