探地雷达理论讲解

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 1 2 3 4 5 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 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）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

2、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。 振子天线振

3、子天线 行波天线行波天线 频率独立天线频率独立天线 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

4、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 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

5、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，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

6、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为传播距离Z=x处的电场强度；Eo为传播距离

7、 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。 探地雷达基本理论探地

8、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

9、衰减特性 对于低电导介质，满足10-2S/m，/1，此时相位常 数、衰减常数和电磁波速V为： =（）1/2 V=/=（/）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

10、与折射波的方向，遵循反射定 律和折射定律。如下图： 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 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

11、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

12、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

13、 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、400

14、MHz、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 传输时间传输时间 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

15、标的距离目标的距离 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

16、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

17、式估算： Rf= (h+/4)1/2 Rf :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

18、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 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 参数意义 探测深度与时窗长度time range 探测深度的选取是头等重要的，既不要选得太小丢掉重要 数据，也不要选得太大降低垂向分辨率。一般选取探测深 度H为目标深度的1.5倍。根据探测深度H和介电常数确 定采样时窗长度（Range/ns）： Range= 2H()1/2/0.3(ns)= 6.6 H()1/2(ns) 例如对于地层岩性为含水砂层时，介电常数为25，探测深 度为3m时，时窗长度应 选为100ns，时窗选择略有富余，宁大勿小。 探地雷达

19、仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 参数意义 A/D采样分辨率 雷达的A/D转换有8Bit、16Bit、24Bit可供选用。选择24Bit 动态大，强弱反射 信号都能记录下来，探测深度大、时窗长时采用。16Bit， 动态中等，中高频天线、探测2-5m时采用；选择8Bit动态 小，采集速度快，探测深度小于1m、时窗小时采用 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 参数意义 采样点数 扫描样点数Samples/Scan有128、256、512、1024、2048/scan可供 选用，为保证高的垂向分辨，在容许的情况下尽量选大。对于不同的 天线频率Fa、不同的时窗长度Range，选择样点数S

20、amples应满足下 列关系： Samples10-8*Range*Fa 该关系保证在使用的频率下一个波形有10个采样点。例如对于 900MHZ天线，40ns采样长度的时窗，要求每扫描道样点数大于 360Sanples/Scan，可以选择接近的值512。对于100MHZ天线， 500ns采样长度，样点数应大于500Sanples/ Scan,可以取512或1024。 样点数大对提高资料的质量有利，但耗时较大，影响前进速度。 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 参数意义 扫描速率Scans/S 扫描速率是定义每秒钟雷达采集多少扫描线记录，扫描速率大时采集 密集，天线的移动速度可增大，因

21、而可以尽可能的选大。但是它受仪 器能力的限制。对于一种类型的雷达，他的A/D采样位数、扫描样点 数和扫描速度三者的乘积应为常数。当扫描速率Scans/s决定后，要 认真估算天线移动速度TV。估算移动速度的原则是要保证最小探测目 标（SOB）内只少有20条扫描线记录： TVScans*SOB/20 例如探测目标最小尺度为10cm、扫描速率64Scans/s时,推算天线运 动速度应小于32cm/s，相当于0.5cm/scan。如果最小目标为0.5m,则 天线移动速度可达1.5m/s。 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 参数意义 滤波设置 滤波设置是为了改善记录质量。滤波分垂向滤波和水平

22、滤 波。垂向滤波分高通和低通，高通频率选为天线频率的 1/6，高于这个频率的信号顺利通过，相当于带通滤波器 里的低截频率。垂向低通频率选为天线频率的2倍，低于 该频率的波顺利通过，相当于带通滤波器里的高截频率。 水平滤波分水平平滑和背景剔除，目的是消除仪器和环境 的背景干扰。水平平滑通常取3道平滑，背景剔除功能只 在回放时起作用。 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 探地雷达观测方法 目前对于探地雷达的探测来讲，中高频天线的设置多采用 收发一体式设置，低频天线多采用收发分体式设计，对于 这种设计方法我们提出要根据现场的情况设计不同的观测 方法。主要的观测方法包括： 剖面法 宽角法 环

23、形探测法 多天线法 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 探地雷达观测方法 剖面法 发射天线（TX）和接收天线（RX）以固定间距距离沿测线 移动的一种探测方法。 适用于各种形式的天线 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 探地雷达观测方法 宽角法 当一个天线固定在地面某一点上不动，而另一个天线沿测 线移动，记录地下各个不同层面反射波的双程走时。这种 方法主要用来求取地下介质的电磁波传播速度。 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 探地雷达观测方法 宽角法 只适用于收发分体天线 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 探地雷达观测方法 环形剖面法 对于一些体积过小的

24、目标体进行探测时，如墩体，使用剖 面法时由于石墩上的测点过少影响对墩的评价。 环形剖面法式异常体的中心为圆心，在不同半径的圆周上 相对顿新的不同方位上布置天线进行测量。通过不同半径 的图像特征很容易判定石墩的质量及其影响范围。 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 探地雷达观测方法 多天线法或天线阵法 对于探地雷达来讲，单一天线的探测结果准确度有限，为 了提高探测的准确率而提出多天线同时工作的方法。 由于每一种频率天线的探测范围和精度有限，要对整个探 测剖面全面扫描，多天线同时工作。 探地雷达仪器结构与特点探地雷达仪器结构与特点 单次扫描探测目标物 探测概率大大增加 岩土工程介质的电磁

25、学特性 在工程地球物理研究中将各类岩石、土、混凝土、 木材、玻璃、塑料、金属等材料通称为工程介质。 雷达探测的基本原理是使用电磁波穿透工程介质， 当存在电磁性质差异界面时，电磁波发生反射， 根据反射波的时程与动力学特征确定介质的结构。 因而研究各类工程介质的电磁性质及差异，是了 解电磁波在各类介质中传播、衰减、折射、反射 规律的基础，是应用地质雷达的基础，也是资料 解释的基础。介质的电磁学性质可用电导率、介 电常数和磁导率来表征。 岩土工程介质的电磁学特性 介电常数的物理含义 介电常数是一个无量纲物理量，它表征一种物质在外加电 场情况下，储存极化电荷的能力。自然界中物质的介电常 数最大的物质是

26、水，介电常数为81，最小的是空气与金属， 数值为1。工程状态下的岩土介质，其介电常数的主要差 异决定其含水量的大小。介电常数不同的两种介质的界面， 会引起电磁波的反射，反射波的强度与两种介质的介电常 数及电导率的差异有关。即使介电常数的差异小到1时， 也能产生雷达可以检测到反射。 岩土工程介质的电磁学特性 磁导率的物理含义 磁导率是一个无量纲物理量，它表征介质在磁场作用下产 生磁感应能力的强弱。绝大多数工程介质都是非铁磁性物 质，磁导率都接近1，对电磁波传播特性无重要影响。纯 铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体等材料为铁磁性物质，其磁 导率很高，达到102-104，电磁波在这些物质中传播时波 速和衰减

27、都受到重要影响。 岩土工程介质的电磁学特性 电导率的物理含义 电导率（电阻率的倒数）是表征介质导电能力的参数，单位为S/m， 它对于电磁波的传播有重要影响。 低电导：10-7S/m 满足/1，电磁波衰减小，适宜雷达工 作；此类介质有：空气，干燥花岗岩，干燥灰岩，混凝土，沥青，橡 胶，玻璃，陶瓷等； 中电导：10-7S/m10-2S/m，满足/1，电磁波衰减极大，难于传播；此 类介质有：湿粘土，湿页岩，海水，海水冰，湿沃土，含水砂岩，含 水灰岩，金属物等； 介质类型电导率(S/m)相对介电常数 空气01 纯水10-43*10-281 海水481 淡水冰10-34 花岗岩（干燥）10-85 石灰岩

28、（干燥）10-97 粘土（饱水）10-118-12 坚硬雪10-610-51.4 干砂10-710-34-6 饱水砂10-410-230 饱水淤泥10-310-210 海水冰10-210-14-8 玄武岩（湿）10-28 花岗岩（湿）10-37 页岩（湿）10-17 砂岩（湿）4*10-26 石灰岩（湿）2.5*10-28 铜5.8*10-71 铁1061 冻土10-510-24-8 土 壤 干砂1.4*10-42.6 湿砂6.9*10-325 干沃土1.1*10-42.5 湿沃土2.1*10-219 干粘土2.7*10-42.4 湿粘土5.0*10-215 岩土工程介质的电磁学特性 水对工程

29、介质电磁性质的影响 很多工程事故都与水有关，水的存在改变了介质的工程力 学性质，这是大家熟知的。但是水的存在还可以大大的改 变介质的电磁学性质，为地质雷达检测提供一些便利。 水是自然界中介电常数最大、电磁波速最低的介质。纯净 水是高阻的，并不导电。但水是自然界中最好的溶剂，当 水中溶解一定量的矿物质时，水溶液具有很好的导电性， 电导较高。 岩土工程介质的电磁学特性 岩土工程介质的电磁学特性 介质电磁特性对电磁波传播的影响 工程介质既不是理想状态的导体，也不是 理想状态的绝缘体，它是具有一定电阻率 的电介质。因为有一定的电导率，电磁波 在工程介质中传播时，在电磁场的作用下 会产生传导电流，发热做

30、功，造成电磁波 能的损耗。因而在工程介质中电磁波传播 的距离是有限的，介质的电导率越高衰减 越大，传播距离越近。 岩土工程介质的电磁学特性 介质电磁特性对电磁波传播的影响 大多数的工程介质的介电常数为中等值。 自然界中物质的介电常数最小为1，是空气， 最大为81，是水。岩石、土、混凝土等常 见的工程介质的介电常数在4-9之间。粗略 说来，岩土介质的电磁波速是水的3倍，空 气的电磁波速又是岩土介质的3倍。因而岩 土介质与空气、水有较大的波阻抗差异， 其接触界面反射强烈。 探地雷达数据解释 了解对象的地质、工程与结构特点；了解对象的地质、工程与结构特点； 波相的识别和同相轴追踪；波相的识别和同相轴

31、追踪； 振幅的大小、极性分析与散射体特征的关振幅的大小、极性分析与散射体特征的关 系；系； 雷达信号频率与散射体特征分析；雷达信号频率与散射体特征分析； 探地雷达数据解释 雷达资料预处理雷达资料预处理 去水平波，背景处理去水平波，背景处理 变增益显示变增益显示/彩色显示；彩色显示； 波相识别：极性、时程波相识别：极性、时程 表面反射波位置和极性，初衬二衬及内部表面反射波位置和极性，初衬二衬及内部 界面，空洞，钢筋，多次波；界面，空洞，钢筋，多次波； 工程解释工程解释 衬砌厚度，空洞，欠实区，含水带，钢筋密衬砌厚度，空洞，欠实区，含水带，钢筋密 度；度； 探地雷达数据解释 波相分析 散射波的振幅

32、与方向散射波的振幅与方向 第一：按散射原理，散射振幅的大小，与第一：按散射原理，散射振幅的大小，与 界面两侧介质的电磁学性质差异、，散射界面两侧介质的电磁学性质差异、，散射 体大小、散射频率、接收方位有关；从散体大小、散射频率、接收方位有关；从散 射振幅上可以判定两侧介质的性质、属；射振幅上可以判定两侧介质的性质、属； 探地雷达数据解释 波相分析 散射波的振幅与方向散射波的振幅与方向 第二点散射波的极性，波从介电常数小进第二点散射波的极性，波从介电常数小进 入介电常数大的介质时，即从高速介质进入介电常数大的介质时，即从高速介质进 入低速介质，从光疏进入光密介质时，散入低速介质，从光疏进入光密介

33、质时，散 射系数为负，即散射波振幅反向。反之，射系数为负，即散射波振幅反向。反之， 从低速进入高速介质，散射波振幅与入射从低速进入高速介质，散射波振幅与入射 波同向。这是判定界面两侧介质性质与属波同向。这是判定界面两侧介质性质与属 性的又一条依据；性的又一条依据； 探地雷达数据解释 探地雷达数据解释 反射波的频谱特征 不同介质有不同的结构特征，内部散射波的高、低频率特 征明显不同，这可以作为区分不同物质界面的依据。如混 凝土与岩层相比，比较均质，没有岩石内部结构复杂，因 而围岩中内反射波明显，特别是高频波丰富。而混凝土内 部反射波较少，只是有缺陷的地方有散射。又如，表面松 散土电磁性质比较均匀

34、，反射波较弱；强风化层中矿物按 深度分化布，垂向电磁参数差异较大，呈现低频大振幅连 续反射；其下的新鲜基岩中呈现高频弱振幅反射，从频率 特性中可清楚地将各层分开。如围岩中的含水带也表现出 低频高振幅的反射特征，易于识别。节理带、断裂带结构 破碎，内部反射和闪射多，在相应走时位置表现为高频密 纹反射。但由于破碎带的散射和吸收作用，从更远的部位 反射回来的后续波能量变弱，现号表现为平静区。 探地雷达数据解释 频谱特征 探地雷达数据解释 频谱特征 探地雷达数据解释 同向轴特征 雷达记录资料中，同一连续界面的反射信号形成 同相轴，依据同向轴的时间、形态、强弱、方向 反正等进行解释判断是地质解释最重要的

35、基础。 同向轴的形态与埋藏的物界面的形态并非完全一 致，特别是边缘的反射效应，使得边缘形态有较 大的差异。对于孤立的埋设物其反射的同向轴为 向下开口的抛物线，有限平板界面反射的同向轴 中部为平板，两端为半支下开口抛物线 探地雷达数据解释 干扰波识别 雷达检测场地的环境干扰较多，如隧道侧壁、台 车等都会形成反射，空气中的雷达波速是岩体中 的3倍，干扰波可能与衬砌、岩体内反射波叠加在 一起。路基路面检测中，路边的陡坎、电线杆都 可以形成明显的侧反射，呈弧形，容易误认为是 路基下有空洞。测量中改变天线位置，注意记录 地表地形地物，排除干扰波。 探地雷达数据解释 探地雷达数据解释 探地雷达数据解释 一

36、维滤波的应用 对地质雷达信号而言，一维数字滤波（以后称为一维滤波）对地质雷达信号而言，一维数字滤波（以后称为一维滤波） 处理具有如下意义：处理具有如下意义： 地质雷达信号存在不同频率干扰，对干扰信号需要去除地质雷达信号存在不同频率干扰，对干扰信号需要去除 不同地下介质对雷达波的响应特征不同，主要表现在能量不同地下介质对雷达波的响应特征不同，主要表现在能量 吸收，波长变化和频率变化等。吸收，波长变化和频率变化等。 采集系统存在低频漂移需要压制。采集系统存在低频漂移需要压制。 因此，利用一维滤波处理可以压制干扰信号，提高剖面因此，利用一维滤波处理可以压制干扰信号，提高剖面 的信噪比；也可以提取地下

37、介质的响应特征信号等。一维的信噪比；也可以提取地下介质的响应特征信号等。一维 滤波处理在雷达资料处理具有重要地位。滤波处理在雷达资料处理具有重要地位。 一维滤波处理可以分为两种形式：一维滤波处理可以分为两种形式：FIR滤波和滤波和IIR滤波。滤波。 探地雷达数据解释 一维滤波形式 低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器、带陷滤波器低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器、带陷滤波器 摘 要 探地雷达数据表示 法 探地雷达数据解释 的一般方法 探地雷达数据解释 的高级方法 探地雷达图 它不是所测量介质的“图象” 有时候它能得到有关目标体复杂 几何形态的信息 可对它进行如下分析（描述）: A 扫描 (一维)

38、 B 扫描 (二维) C 扫描 (三维) A 扫描类型可视化图 “A 扫描” 可视化图 它是每种雷达数据表 示法的基础 (单信号) 但是它对所测目标体 的用处不是很大 探地雷达得到许多A 扫描(扫)，用来“构 建”雷达图 (B扫描) X轴上的值是时间(延 迟) 纵向处理 假设扫描是独立的，我们把它应用于每一扫 上。 它是“纵向”的解释(在Y方向上) 它是一种 “非记忆性的” 处理(不受之前和 以后的各扫影响) 它主要进行下面的处理: 清除平均值 (除去或清除Y) 高通滤波器 低通滤波器 带通滤波器 叠加 傅立叶变换 (信号的频谱) 清除中间值 起始信号 (红色) 是一 个非零的中间值 清除平均

39、值 (蓝色) 允 许 overwork 所有有 用的 “dinamic” 这称为 “清除Y” 这种解释可以用一个 “高通”滤波器来代 替 滤波器的定义 有四种类型的滤波器: 低 通 带 通 高 通 带 阻 滤波器既可以用于时域，也可用于频域 探地雷达中用到的滤波器 一般我们使用FIR滤波器 (“有限长冲击响应”) FIR Y 频率域滤波器使分析更加困 难 (图中的绿色曲线) 通常我们使用带通滤波器 (BP) 用来去除低频成分 用来减少高频噪声 这表示 去除了对探地雷达来 说“无用的”成分 叠 加 用来减少无关的噪声干扰 增益值为10 log10(Ns), 这里Ns 是平均值 (叠加因子) 如果

40、Ns = 10, 能量的衰减为 10dB 如果Ns = 100, 能量的衰减 为 20 dB 传播深度上的增益仍然受限制 叠加过程一般由探地雷达自动 进行处理 傅立叶变换 应用于单次扫描求值 在介质中传播减弱了 不同的频率 设置滤波器的截止频 率以去除无用的成分 一般我们在调频等幅类 型的探地雷达中使用傅 立叶变换, 除非是发射脉 冲电磁波的探地雷达(如 意锐雷达) B 扫描类型可视化图 B 扫描可视化图 它被用于检测感兴趣的目标 体 它是一种二维表示法 X轴上是扫描距离 Y轴上是回声延时 信号的振幅通常用颜色的变 化 来表示 (点模式) 或用笛卡 儿图来表示 (线模式) 水平处理 应用于所有

41、的图象或图象的某些部分上. 这是水平方向的 解释 (在x方向上) 它是一种 “记忆性”的处理 (计算所得的参数可以用于所 有图象或图象的某些部分上) 它主要进行下面的处理: 土壤采样 背景偏移 (清除X) 线性增益 (STC) 和 “平滑” 水平带通滤波器 (FIR X) 移植 MTI(移动目标体指示)滤波器 另外 估计传播速度 “主带” 是最先到达接受天线的 信号 (红色) 它沿着空气与地面的分 界面 是探测中的无用信号, 但 是它可用来校准零深度 值 它的振幅能表明浅目标 体的存在 土壤采样 它可用来校准零深度值 它使用的是主带, 因此应在去除前使用 背景偏移 它用来对沿着扫描方向的中值进

42、行偏移处理 (清除X) 它用来去除主带和由于天线和地面之间的缝 隙而产生的水平噪声 (响声) 当存在伪水平层时不能使用该方法. 增益或STC 它用于补偿由于在介质中传播所造成的衰减 探地雷达所接收到的信号的变化范围很大 (从几伏特到几微伏), 因此必须进行压缩，以 用有限数目的颜色种类来表示 人的眼睛很难区分256等级的灰度值 它需要压缩接收到信号的范围以观察振幅的 微小变化 在RIS系统中, STC (时间敏感控制) 应用于 两个方面 探地雷达信号的范围 用红线来表示 400 MHz天线 接收到的中间能量的趋势 本例中有用信号的范围大于 70 dB (最大值和最小值的比 大于 3000) 红色曲线的两个变化之间的 联系可以用来估计穿透范围 蓝色曲线是由RIS系统计算 出来，以用于线性