【《探地雷达基本原理与数据采集案例分析》2600字】

探地雷达基本原理与数据采集案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u10617探地雷达基本原理与数据采集案例分析 1323261.1电磁波传播特性 1216211.2探地雷达的有效探测区域 3320231.3雷达的分辨率 4181291.4雷达数据的采集 6图2-1显示了地面寻地雷达系统的简单图。地面探测雷达的具体工作原理可以概括为：地面探测雷达接收发射机后会产生传输信号，与天线耦合后将高频超宽带信号传送到地面，传输信号在地下介质突变或不连续的反射位置，反向器中的信号被雷达接收的天线吸引和接受，经过采样和信号处理后，进行数据分析和处理，获取目标信息，实现地表以下的目标探测。图1.1探地雷达工作原理1.1电磁波传播特性麦克斯韦方程组主要指的是专门用来研究描述力学宏观和流体电磁学动力学向量现象的一组基本向量方程。两个旋转角度函数方程分别被广泛认为可以是法拉第电磁环流感应旋度定律和安培环流感应定律的两种偏移旋度函数微分形式,麦克斯韦方程函数组的几种主要表现形式如下:∇×E=∇×H=J+∂D∂t(∇∙B=0∇∙D=ρ(1.2)在上述式子中，E表示电场强度，单位为V／m；B表示磁通量密度，单位为Wb／m2：H表示磁场强度，单位为A／m；J表示电流密度，单位为A／m2；D表示电通量密度，单位为C／(1.2)对上式中的前两个方程进行转换，可以得到式(2．2)：∆2∆2将式(1.2)与数理方程中的标准波动方程进行比较,可以简单地得到地磁波的传播频率和速度分别为式(1.3),电磁波的波长表达式定义为式(1.4)。v=1με(λ=vfε其中μ为磁导率，ε为介电系数，f为频率。常见介质的介电常数如表1所示。材质相对介电常数材质相对介电常数粉质粘土6水81干砂3～5灰岩4～8湿砂20～30花岗岩4～7金属300砂岩6PVC塑料3.3页岩5～15混凝土6.4淤泥5～30空气1海水80粘土5～40表1各种常见介质的介电常数电磁波脉冲在地质界面上的反射系数为：(1.5)1.2探地雷达的有效探测区域探地雷达系统进行地下探测时,当地下的一个目标体位于雷达天线正下方,如果地下目标体仍然位于地下探地雷达有效探测位置外的区域内时,雷达也很有可能会被地下探测器找到。地下检查探测气体介质的相对介电常数及其大小与否会直接关系影响地下探测介质雷达探地检查探测介质雷达的工作有效性和探地检测雷达区域覆盖范围,其之间的介电关系可用公式表示为:a=λ4+式中,λ为检测介质的相对辐射电磁波谱的波长,εr为检测介质的相对介电常数,d值则为检测介质所使用检测器得到的介电深度。图1.2为无线探地探测雷达有效信号检测区域范围的无线示意图,有效雷达检测范围区域无线范围的值b=图2．2探地雷达有效探测范围示意图1.3雷达的分辨率1.3.1垂直分辨率地质探测雷达的具体垂直发射分辨率主要是根据地质探测雷达发射波长的大约二分之一长度来进行确定。从这种波形能量传播的方法和粒子物理学中的规律我们得以可知,识别一个目标体的最小尺寸一般都至少需要远远不能超过一个大于1/2的垂直波长,假设它的垂直最小厚度能够被准确分辨到超出每一层的物体厚度是Dm。则它的数学运算公式可写为:Dm=0.5λ=C/2fε其中,c为电磁波在真空环境中的传播运动速度。对于一个离散的立体反射界面,一般理论认为其反射分辨率的最大距离极限的取值函数应该为它是λ/4,对于一个无限长度扩张的离散平面反射层而言,其最大距离极限的反射分辨率的值应该为它的λ/30。1.3.2水平分辨率地质雷达的水平分辨率就是一种地质探测雷达从一个接近水平面的方位上开始进行深度测量时所需的能够准确分辨并得出的最低异常体尺寸。通常可以采用Fresenel公式方法来精确描述和直接表示,当一个大的反射空隙天线对地面的反射埋深大约为一个H,发射、接收两个天线之间的反射空隙天线长度远不会小于这个H时,RF=(λH+RF即为一个低于水平像素分辨率的最低像素尺寸。由此可在计算公式中我们同样可以计算得到。当雷达目标体的埋深较大,雷达上的信号发射波长的频率相对较低,而雷达波长相对较短,那么雷达RF也就可能会随之变得越大,水平雷达分辨率也就可能会随之变得越低。反之,水平的分辨率也就愈来越高。可以通过菲涅尔带来解释说明横向分辨率。如图1.3。图2．3菲涅尔带示意图当入射波在到达介质的部分接触面上时,它们会以一个为中心的地方发生反射,这些与介质的反射波互相叠加而发生干预,形成了一个能量的累加或者是相减,也叫菲涅尔带。通常可以用式(1.9)来计算雷达能探测的最小水平间隔:∆h=λd=cd其中d代表目标深度，单位为m。1.4雷达数据的采集雷达数据采集的步骤如下：1.4.1仪器安装调试①从安全角度出发，必须在断开电源的状态下进行安装和拆卸，以防触电；②要注意保持防潮，尽量放在干燥的地方;1.4.2现场地质记录要记得对现场的地质情况进行记录,以免现场雷达受到外界干扰，造成误差而扰乱最终结果解释；1.4.3布置测线如果确定了已知检测物体的大致走向,尽量让检测线路与其他物体的大致走向正交;1.4.4参数设置探地雷达中直接关系至采集和提高数据质量的一个重要工作就是参数的设置,各项设定参数如下:Collect菜单（如图1.4）：注:①增益:为了能够使我们同时能够更好地准确检测和得到一个信号的振动特征,我们首先采用了一个增益(gain)的波函数。②系统位置的确定:可以在我们进行天线探测时在一个地面上随意放置一根探测电缆与进行检测时看到的一个天线运行保持一个正交,通过这些标志信号来准确辨认这根电缆就已经成为可以准确判断零的天线。图1.4collect菜单的注解Playbacck菜单（如图1.5）该子菜单的功能是实时浏览已经被使用者所采集的文档。图1.5Playbacck菜单的注解Output菜单（见图1.6）这个菜单用于显示参数以及数据导出。图1.6Output菜单的注解System菜单参数设置（见图1.7）图1.7System菜单的注解1.4.5参数现场调试不同的情况下有不同的调试方法：如果数据出现振幅过小或过大的现象，调节增益设置；如果出现雪花现象，则需要增加叠加次数；=3\*GB3③在两个探地雷达中分别存在着一个深度已知很深的一个目标体且使该具有深度的目标体能够在整个雷达的微观剖面上被准确识别的情况下,就等于可以通过对该深度目标体及其深度的介电计算公式得出来准确地进行反算其介电波速,进而可以得到雷达相应的介电常数。1.4.6数据采集注意事项：拖动探地雷达天线过程中要匀速，不要发生跳动现