雷达高级理论

1、L E T S M A K E I T V I S I B L EL E T S M A K E I T V I S I B L EL E T S M A K E I T V I S I B L E高级雷达理论高级雷达理论L E T S M A K E I T V I S I B L E GPR 方法方法, 速度探测速度探测 GPR 方法方法, 多道探测多道探测 CART (Computer Aided Radar Tomography) （计算机辅助雷达层析成像）（计算机辅助雷达层析成像） 地下介质电特性地下介质电特性 现场探测方法现场探测方法 数据判读和解释数据判读和解释内容内容:L E

2、T S M A K E I T V I S I B L EGPR 方法方法, 速度探测速度探测L E T S M A K E I T V I S I B L EGPR 方法方法 速度探测速度探测 (WARR) 速度探测是估计介质中信号速度的方法速度探测是估计介质中信号速度的方法 宽角反射折射宽角反射折射 (WARR)和共中心点和共中心点 (CMP) 是两种速度探测的最常用的方法。这两种方是两种速度探测的最常用的方法。这两种方 法都需要分离的发射机和接收机法都需要分离的发射机和接收机 WARR 法采集数据时，需要一个平坦的水法采集数据时，需要一个平坦的水 平的反射体平的反射体 但采集时很快速和容

3、易但采集时很快速和容易速度地表波斜率的倒数 dx/dtL E T S M A K E I T V I S I B L EGPR 方法方法 速度探测速度探测 (CMP) CMP 采集时比较麻烦采集时比较麻烦 但只需要一个点状反射体但只需要一个点状反射体 212221222221tttxtxZ2122212222212121)4(tttxtxxtVL E T S M A K E I T V I S I B L EGPR 方法方法 速度探测速度探测 不过，实际使用时，最常用的方法是做一条剖不过，实际使用时，最常用的方法是做一条剖面面 在剖面中寻找一个已知点（如管线、钻孔等）在剖面中寻找一个已知点（如

4、管线、钻孔等）， 通过已知目标物的深度计算出速度，然后得出通过已知目标物的深度计算出速度，然后得出其其 它地下物体的速度。它地下物体的速度。 V=2d/tL E T S M A K E I T V I S I B L EGPR 方法方法, 多道探测多道探测L E T S M A K E I T V I S I B L E多道雷达多道雷达传统多道传统多道RAMAC/GPR RAMAC/GPR 多道多道L E T S M A K E I T V I S I B L E多道模块答疑多道模块答疑:我需要使用多少个发射机和接收机我需要使用多少个发射机和接收机?MC4 允许同时连接允许同时连接2个发射机和

5、两个接收机。个发射机和两个接收机。 MC16 允许同时连接允许同时连接4 个发射机和个发射机和4个接收机。个接收机。L E T S M A K E I T V I S I B L E为什么是为什么是4 道和道和 16道道?道数道数 4 和和 16 指的是每个多道单元可以使用的数据道数。指的是每个多道单元可以使用的数据道数。 采用该模块采用该模块, 你可以完全自由地连接发射机和接收机。你可以完全自由地连接发射机和接收机。 用用MC4， 你可以用发射机你可以用发射机1发射发射, 用接收机用接收机 1 和和 2接收；用发射机接收；用发射机2 发射，接收机发射，接收机 1 和和 2接收。这样可以得到接

6、收。这样可以得到 4 道数据。道数据。 多道模块答疑多道模块答疑:用用MC16， 你可以用发射机你可以用发射机1发射发射, 用接收机用接收机 1,2,3,4接收；接收； 用发射用发射机机2发射发射, 用接收机用接收机1,2,3,4接收；接收； 以此类推。以此类推。 这样可以得到这样可以得到 16道数道数据据 。L E T S M A K E I T V I S I B L E用用MC16进行天线设计的实例进行天线设计的实例 :多道模块答疑多道模块答疑:L E T S M A K E I T V I S I B L E我可以同时连接不同频率的天线吗我可以同时连接不同频率的天线吗?可以可以, 采用

7、多道模块你可以完全自由地组合任意频率的采用多道模块你可以完全自由地组合任意频率的RAMAC/GPR 天天线。每个数据道都可以分别进行参数设置，如时间窗，叠加和道间距。线。每个数据道都可以分别进行参数设置，如时间窗，叠加和道间距。 多道模块答疑多道模块答疑:L E T S M A K E I T V I S I B L E使用它们会有什么好处使用它们会有什么好处?缩短探测时间缩短探测时间增加两个剖面之间的位置精度增加两个剖面之间的位置精度可以提取连续速度信息可以提取连续速度信息更多更多?多道模块答疑多道模块答疑:L E T S M A K E I T V I S I B L ECARTL E T

8、 S M A K E I T V I S I B L ECART = 计算机辅助雷达层析成像计算机辅助雷达层析成像发射机接收机顶视图等效16 道天线阵 (双稳态固定偏移距)9-Tx & 8-Rx2 米CART 200 MHz 雷达天线阵 50 to 400 MHz 带宽带宽 200 MHz时土壤中的波长是时土壤中的波长是 15 in. 分辨率是分辨率是2-3 in.L E T S M A K E I T V I S I B L E在理想状态下, 该雷达天线阵可以区分出金属和 塑料在13“ 深度切片4“ 金属管金属管 在32“ 深度切片4“ PE 煤气管煤气管L E T S M A K

9、E I T V I S I B L E内部有金属棒的塑料管内部有金属棒的塑料管 Cathedral Parkway walkway north of Central ParkVirtual Excavation below walkwayL E T S M A K E I T V I S I B L E地下介质的电特性地下介质的电特性L E T S M A K E I T V I S I B L E电特性电特性 要探测的介质的电特性要探测的介质的电特性, 决定雷达方法是否适用。决定雷达方法是否适用。 在用雷达进行地质勘探时在用雷达进行地质勘探时, 水是决定电特性的最主要的因素。水是决定电特性的

10、最主要的因素。 电导率电导率 (穿透深度穿透深度) 相对介电常数相对介电常数 (对比度对比度, 信号速度信号速度, “足印足印”) 水水 (与上面参数有关与上面参数有关)L E T S M A K E I T V I S I B L E GPR 技术是使用电磁场来探测地下物体。电磁场是随时间技术是使用电磁场来探测地下物体。电磁场是随时间 变化的，它是由磁场变化的，它是由磁场H 和电场和电场 E 构成。对地下介质来说，电构成。对地下介质来说，电 场是控制雷达探测的主要因素。场是控制雷达探测的主要因素。 电场导致电荷的移动，即电场导致电荷的移动，即move电流。这就是电流。这就是 “能量消耗能量消

11、耗 原理。原理。 有两种电流有两种电流: 传导电流和位移电流传导电流和位移电流电特性电特性L E T S M A K E I T V I S I B L E传导电流传导电流: Jc = s E s = 电导率电导率(S/m) s = 1/r (电阻率电阻率, W m) 电导率是一个物体传导电流的能力（或电荷在介质中流动电导率是一个物体传导电流的能力（或电荷在介质中流动 的难易程度。的难易程度。 如如: - 电子在金属板内电子在金属板内 - 水中离子的移动水中离子的移动 No E-field E-fieldappliedNo E-field 电特性电特性L E T S M A K E I T V

12、 I S I B L EGPR信号的穿透深度信号的穿透深度 与土壤的导电率有关与土壤的导电率有关 (低致金属目标体低致金属目标体):电特性电特性0204060801001200,512481632土壤导电率土壤导电率 mS/m Depth (feet)01020302551535 Depth (meter)L E T S M A K E I T V I S I B L E土壤中的水含量与电导率土壤中的水含量与电导率-8-7-6-5-4-3-2-10051015202530水含量水含量 (水的重量水的重量/土壤重量土壤重量)电导率的对数电导率的对数 (mS/m)电特性电特性L E T S M A

13、 K E I T V I S I B L E 频率频率(MHz) 用途用途深度深度 (m)10 地质地质, 土工土工, 采矿采矿. 可达可达6025 地质，土工，采矿地质，土工，采矿.- 可达可达 5050 地质地质, 土工土工, 河流河流, 湖泊湖泊. 可达可达 40 环境环境100 地质地质, 土工土工, 河流河流, 湖泊湖泊, 可可达达 30 环境环境, 土壤土壤 .200-250 浅层地质浅层地质, 土木工程土木工程, 可达可达 10 公用事业公用事业, 考古考古, 河流河流, 湖泊湖泊, 土壤土壤, 环境环境350-500 土木工程土木工程, 公用事业公用事业, 考古考古 可达可达

14、7,5 空洞空洞, 管线探测管线探测, 雪和雪和 冰的厚度冰的厚度800 混凝土混凝土, 空洞空洞, 路面路面, 桥梁桥梁, 公用事业公用事业, 可达可达 2,5 未知物体未知物体, 管线探测管线探测, 雪和雪和 冰的厚度冰的厚度1000 混凝土混凝土, 未知物体未知物体, 冰的厚度冰的厚度 可达可达 1.5电特性电特性L E T S M A K E I T V I S I B L E关于电导率和关于电导率和GPR 探测的有用建议探测的有用建议: “当地下介质当地下介质(寄主寄主)的电导率大于的电导率大于 10 mS/m (或小于或小于100 Ohmm), GPR 不是一个合适的方法不是一个合

15、适的方法”电特性电特性L E T S M A K E I T V I S I B L E从好的低电导率从好的低电导率土壤土壤(石英沙石英沙 )中中得到的雷达剖面得到的雷达剖面从高电导率土从高电导率土壤（粘土）中壤（粘土）中得到的雷达剖得到的雷达剖面。可见信号面。可见信号衰减较大。衰减较大。L E T S M A K E I T V I S I B L EGPR 在美国使用适用性分布图在美国使用适用性分布图L E T S M A K E I T V I S I B L E极化电流极化电流: D = e E e = 介电常数介电常数 (F/m) er = e/ e 自由空间自由空间 (标量标量)

16、相对介电常数的值表示将介质中电荷分开的力。相对介电常数的值表示将介质中电荷分开的力。 如如: - 分子偶极子的移动分子偶极子的移动 一些分子的特性一些分子的特性 - 金属物体中的电荷金属物体中的电荷 嵌在周围环境内嵌在周围环境内 No E-field E-fieldappliedNo E-field 电特性电特性L E T S M A K E I T V I S I B L E相对介电常数和相对介电常数和GPR 信号速度的关系信号速度的关系: v = 介质中介质中GPR 信号的速度信号的速度 c = 光速光速 er = 相对介电常数相对介电常数电特性电特性L E T S M A K E I T

17、 V I S I B L E相对介电常数和相对介电常数和“足印足印”的关系的关系:“足印足印” 定义为探测的定义为探测的 “有效区域有效区域 ” 电特性电特性L E T S M A K E I T V I S I B L E反射系数反射系数: 电磁波反射是由地下土壤中电阻抗的变化电磁波反射是由地下土壤中电阻抗的变化 产生的。产生的。 对对GPR 频率范围，地下介质的阻抗变化频率范围，地下介质的阻抗变化 主要由相对介电常数的变化决定的。主要由相对介电常数的变化决定的。 rzzzz()()2121z11z22zjj jf12magnetic suseptibilitydielectric cons

18、tant此处此处: z1 = 第第 1层的阻抗层的阻抗 z2 = 第第2层的阻抗层的阻抗 r = 反射系数反射系数电特性电特性L E T S M A K E I T V I S I B L E当当Pr 0.01时时 就能有足够的反射就能有足够的反射反射系数反射系数: 对对GPR, 反射系数近似等于反射系数近似等于 “反射能力反射能力” (Pr)电特性电特性L E T S M A K E I T V I S I B L E电特性电特性列表值列表值: 取自科学文献取自科学文献 列表中的值可以给出有用信息，列表中的值可以给出有用信息， 得出雷达方法是否适用得出雷达方法是否适用 v(rel.)ms/m

19、m/nsdB/mAir100,30Fresh water800,50,0330,1Sea water803x10e40,011000Dry sand3-50,010,150,01Saturated sand20-300,1-10,060,03-0,3Limestone4-80,5-20,120,4-1Shales5-151-1000,091-100Silt5-301-1000,071-100Clay5-402-10000,061-300Granite4-60,01-10,130,01-1Ice3-40,010,160,01L E T S M A K E I T V I S I B L E020

20、40608010011020304050607081 % 水含量水含量相对介电常数相对介电常数电特性电特性水含量与相对介电常数水含量与相对介电常数: 多数干燥的地下介质，多数干燥的地下介质， 其相对介电常数值其相对介电常数值 10 水的相对介电常数是水的相对介电常数是81 L E T S M A K E I T V I S I B L E电特性电特性综述综述: 高电导率的介质高电导率的介质(大于大于 10 mS/m 或小于或小于 100 ohmm) 雷达探测会比较困难。雷达探测会比较困难。 有水的地方，其水中的离子有水的地方，其水中的离子 (带电粒子）会增加导电率。带电粒子）会增加导电率。 介

21、质的相对介电常数决定介质的相对介电常数决定GPR 信号的速度信号的速度 和信号如何在介质中传播和信号如何在介质中传播 (“足印足印”). 寄主介质和目标体的相对介电常数的对比寄主介质和目标体的相对介电常数的对比 决定目标体是否决定目标体是否 “可见可见”. 水含量是决定介质中相对介电常数的主要因素水含量是决定介质中相对介电常数的主要因素 。 L E T S M A K E I T V I S I B L E现场探测方法现场探测方法L E T S M A K E I T V I S I B L E现场探测现场探测内容包括内容包括: VVVVVVVL E T S M A K E I T V I S

22、 I B L EV确定要解决的问题最终要回答以下问题确定要解决的问题最终要回答以下问题: - GPR 是否适用于解决该问题是否适用于解决该问题?以及该方法是否是解决问题的最佳方法。以及该方法是否是解决问题的最佳方法。帮助决定雷达是否适用的几个问题帮助决定雷达是否适用的几个问题: 目标体的深度是多少目标体的深度是多少? - 在理想状态下，是否超出在理想状态下，是否超出GPR 探测范围探测范围? 目标体的几何状况目标体的几何状况? - 尺寸尺寸, 宽度宽度, 长度长度, 走向走向, 倾角等。倾角等。 目标体的电特性是什么目标体的电特性是什么? - 寄主和目标体之间是否有足够的对比度寄主和目标体之间

23、是否有足够的对比度? 寄主介质是什么寄主介质是什么? - 雷达是否有足够的穿透深度雷达是否有足够的穿透深度? - 不均匀性不均匀性? - 出现水出现水/潜水面潜水面? 探测环境探测环境? - 是否有足够的探测空间是否有足够的探测空间? - 背景是否有干扰背景是否有干扰? 现场探测现场探测L E T S M A K E I T V I S I B L EVV公用事业管线- 已知方向已知方向: 应该垂直于管线方向探测应该垂直于管线方向探测- 管线方向未知时管线方向未知时: 使用网格方式通过测线使用网格方式通过测线 决定管线方向决定管线方向有限尺寸的物体- 需要需要100% 确定物体时确定物体时:

24、采用正交网格采用正交网格, 点距等于最小探测物体的尺寸点距等于最小探测物体的尺寸- 不需要不需要100%确定物体时确定物体时 : 先采用比较大的网格，先采用比较大的网格， 随后用较小的网格进行探测。随后用较小的网格进行探测。- 圆柱状物体圆柱状物体: 采用正交网格。采用正交网格。面状物体（基岩（基岩, 潜水面潜水面)- 网格空间由感兴趣的最小目标体的尺寸决定网格空间由感兴趣的最小目标体的尺寸决定- 一个方向的网格通常已足够一个方向的网格通常已足够现场探测现场探测L E T S M A K E I T V I S I B L EVVV102550100200500800100021,00,50,250,1250,050,030,025中心中心 频率频率 (MHz)分辨率分辨率 (m)605040251262,51,5最大最大 穿透深度穿透深度(m)注注: 目标体的尺寸至少是目标目标体的尺寸至少是目标体深度的体深度的1/10 现场探测现场探测L E T S M A K E I T V I S I B L E概述概述: 确认电池已