探地雷达基本原理

探地雷达基本原理第1页，课件共32页，创作于2023年2月探地雷达基本原理（A部分）手机号码Q

号码：77055062邮箱地址：zgf770416@张国峰第2页，课件共32页，创作于2023年2月主要内容1.什么是雷达2.什么是探地雷达(GPR)

3.GPR的优点及局限性4.GPR基本方法原理5.RAMAC/GPR系统示意图6.地下介质电特性第3页，课件共32页，创作于2023年2月1.什么是雷达RADIODETECTIONANDRANGING（无线电探向和测距）雷达最初是用于军事目的探测空中目标体.RADAR第4页，课件共32页，创作于2023年2月2.什么是探地雷达采用电磁波探测的一种技术，频率一般在5-3000MHz，用于对地下结构，埋藏物以及人造结构成像。地下不同物体或介质的差异，会对电磁波进行反射，使用者根据反射图像判断地下异常体的位置。采用脉冲雷达体制，最早的脉冲雷达系统是Melton于1937年提出的。基本工作模式：反射，速度探测，层析成像（雷达CT)。GPR(groundpenetratingradar)第5页，课件共32页，创作于2023年2月3.GPR的优点及局限性设备轻便,携带方便GPR是无损探测技术与其它地球物理方法相比，数据采集速度非常快水平和垂直精度高图像比较直观第6页，课件共32页，创作于2023年2月探测深度和目标体的分辨能力依赖于土壤（或地下介质）特性.高导电率介质会使GPR方法无效（如海水、盐碱地、金属矿、含水粘土层等）.目标体和周围介质要有足够的电性差异（介电常数和电阻率）GPR数据的解释因人而异

解释者的经验非常重要.3.GPR的优点及局限性第7页，课件共32页，创作于2023年2月4.GPR基本方法原理用电磁波穿透地下介质穿透深度取决于介质的介电常数和电导率记录反射时间速度一般在50-150m/µs第8页，课件共32页，创作于2023年2月雷达探测的95%是用偶极反射模式

从原理上将，GPR类似于声纳设备发射机发射一“列”电磁脉冲，该脉冲在介质中传播

在地下介质的电特性有变化的地方发生反射(即散射)接收机拾取“背散射”信号，记录它并将其显示在计算机屏幕中

4.GPR基本方法原理第9页，课件共32页，创作于2023年2月Time[ns]Depth[m]?Length[m]4.GPR基本方法原理第10页，课件共32页，创作于2023年2月孔中雷达4.GPR基本方法原理第11页，课件共32页，创作于2023年2月4.GPR基本方法原理速度(地面雷达)CMP,commonmidpointmeasurement（共中心点）WARR,wideanglereflectionrefraction（宽角反射折射）

给出速度剖面用于把时间记录转换成深度

需要可分离天线(Tx发射/Rx接收)RAMAC/GPR比竞争对手的优势第12页，课件共32页，创作于2023年2月4.GPR基本方法原理

层析成像(钻孔雷达)第13页，课件共32页，创作于2023年2月4.GPR基本方法原理实际使用时，最常用的方法是做一条剖面在剖面中寻找一个已知点（如管线、钻孔等），通过已知目标物的深度计算出速度，然后得出其它地下物体的速度。V=2d/t速度探测第14页，课件共32页，创作于2023年2月5.RAMAC/GPR系统示意图触发信号触发信号数据第15页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性

要探测的介质的电特性，决定雷达方法是否适用。

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。

电导率(穿透深度…)

相对介电常数(对比度,信号速度,“足印”…)

水(与上面参数有关)第16页，课件共32页，创作于2023年2月传导电流:Jc=sE

s=电导率(S/m)s=1/r(电阻率,Wm)

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）

如:-电子在金属板内-水中离子的移动NoE-field

E-fieldapplied6.地下介质的电特性NoE-field

第17页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性GPR信号的穿透深度与土壤的电导率有关(低致金属目标体):0204060801001200,512481632土壤电导率mS/m

Depth(feet)01020302551535

Depth(meter)第18页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性土壤中的水含量与电导率-8-7-6-5-4-3-2-10051015202530水含量(水的重量/土壤重量)电导率的对数(mS/m)第19页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性频率[MHz]用途探测深度[m]

10地质,土工,采矿….50-60

25地质,土工,采矿….40-50

50

地质,土工,河流,湖泊,环境….30-40

100

地质,土工,河流,湖泊, 环境,土壤….20-30

200-250

浅层地质,土木工程,公用事业,考古,河流,湖泊,土壤,环境…10-15

350-500

土木工程,公用事业,考古,空洞,管线探测,雪和冰的厚度可达7.5800混凝土,空洞,路面,桥梁,公用事业,未知物体,管线探测,雪和冰的厚度可达2.5第20页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性关于电导率和GPR探测的有用建议:“当地下介质(寄主)的电导率大于10mS/m(或小于100Ohmm),GPR不是一个合适的方法”第21页，课件共32页，创作于2023年2月从好的低电导率土壤(石英沙)中得到的雷达剖面从高电导率土壤（粘土）中得到的雷达剖面。可见信号衰减较大。6.地下介质的电特性第22页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性极化电流:D=eE

e=介电常数(F/m)er=e/e自由空间

(标量)相对介电常数的值表示将介质中电荷分开的力。如:-分子偶极子的移动

一些分子的特性 -金属物体中的电荷

嵌在周围环境内NoE-field

E-fieldappliedNoE-field

第23页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性相对介电常数和GPR信号速度的关系:v=介质中GPR信号的速度c=光速er=相对介电常数第24页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性相对介电常数和“足印”的关系:“足印”定义为探测的“有效区域”第25页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性反射系数:电磁波反射是由地下土壤中电阻抗的变化

产生的。对GPR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。

此处:z1=第1层的阻抗z2=第2层的阻抗r=反射系数第26页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性当Pr>0.01时就能有足够的反射反射系数:对GPR,反射系数近似等于“反射能力”(Pr)第27页，课件共32页，创作于2023年2月列表值:

取自科学文献

列表中的值可以给出有用信息，得出雷达方法是否适用

6.地下介质的电特性第28页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性02040608010011020304050607081%水含量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，其相对介电常数值<10水的相对介电常数是81第29页，课件共32页，创作于2023年2月6.地下介质的电特性

介质

电导率S/m相对介电常数速度(m/µs)空气01300干沥青0.01-0.12-4212-150湿沥青0.001-0.16-12122-86干粘土0.1-12-6212-122湿粘土0.1-15-40134-47干煤0.001-0.013.5160湿煤0.001-0.18106干混凝土0.001-0.014-40150-47湿混凝土0.01-0.110-2095-67淡水10-0.018133淡水冰10-104150干花岗岩10-105134湿花岗岩0.001-0.017113干灰岩10-107113湿灰岩0.01-0.18106永久冻土10-0.014-8150-106典型介质的相对介电常数,电导率和电磁波速度的列表第30页，课件共32页，创作于2023年2月

介质

电导率S/m相对介电常数速度(m/µs)干结晶盐10-0.014-7150-113干沙10-0.0012-6212-122湿沙0.001-0.0110-3095-54干砂岩10-102-5212-134湿砂岩10-0.015-10134-95海水1008133海水冰0.01-0.14-8150-106干页岩0.001-0.014-9150-100饱和页岩0.001-0.19-16100-75硬雪10-10