【地质雷达原理综述2600字】

地质雷达原理综述1.1工作原理探地雷达雷达是通过向地下发射脉冲形式的高频宽带电磁波，通过在地下介质中的反射来反映地下介质的一种无损探测方法。地质雷达包括了两大部分：雷达主机，天线系统。利用波的透射性，向地下发射某种电磁波，电磁波在遇到地下某一目标体或者界面时，产生反射，反射的信号会被地面上的接收器接收，通过对反射波的信号的处理可以确定地下介质的形态，目标体的位置，结构，大小，物理属性，从而实现了对地下未知物体的探测。图3-1地质雷达技术在20世纪50年代就开始发展起来了，到如今，雷达探测技术已被广泛应用于各个领域，并且地质雷达本身的优点，它的高效性、精准性、无损性、抗干扰强等特性使得地质雷达无疑是一种优先考虑的探测方法。使用地质雷达不仅可以探测到大坝坝体填充材料及土体的特性，还能收集坝体中由于渗漏或者病虫害造成的地下空洞的发育情况，还能够对大坝的检修起到及时的补充作用，通过对探测情况的分析，及时的给出预防性的建议，对大坝的修复与维护有着重要意义。图3-2反射探测原理图3-3雷达波记录示意图（1）电磁波的双程旅行时间t=4z式（1）中：z——探测目标体的埋深；x——发射天线与接收天线的距离；v——电磁波在介质中传播速度。式（1）中x和t已知，如若能确定v则目标体埋深z即可求出。（2）电磁波传播速度v=c/εrμr式（2）中：c——电磁波在真空的传播速度，m/ns；εr——介质的相对介电常数；μr——介质的相对磁导率（μr≈1）。（3）电磁波反射系数rr=（ε2−ε1）/（式（3）中：ε1ε23．2地质雷达的探测方式探地雷达采集数据的方法主要有两大类：即反射探测，透射探测。反射探测又包括剖面法、共中心点反射法、宽角法。采用不同的方法探测地下渗漏时会接收到不同的电磁波信号。（1）剖面法只用一个发射天线和一个接收天线进行地下探测，在地面上布置时保持接收天线与发射天线的间隔不变，然后向统一方向移动两个设备进行测量，如下图所示图3-4剖面法（2）、宽角法发射天线在地表的某一点固定不动，接收天线沿着1某一观测方向移动的接收电磁波的探测方法。如下图所示图3-5宽角法（3）共中心点反射法发射天线与接收天线在探测时位置不停的改变，间距也随之改变，然后由此的变化进一步得到电磁波传播速度与深度的变化关系。探测方式如下图图3-6共中心点反射法（4）、透射探测法这种方法首先是在探测区打两个钻孔，一个钻孔放置发射天线，另一个钻孔防止接收天线，通过对电磁波传播时间的测量以及振幅的变化实现对目标体的识别与定位。探测方式如下图所示图3-7透射探测法3．3探地雷达分辨率地质雷达的性能与应用效果主要由分辨率与探测深度影响。在对大坝进行渗漏检测时，渗漏区的大小和雷达的天线频率决定了分辨率，电磁波通过在两个界面上的来回反射，分辨出不同的介质。地质雷达的分辨率包括两种：垂直分辨率、横向分辨率。地下渗漏区的形状，电性的不同都会影响到雷达的分辨率。（1）垂直分辨率垂直分辨率是指在垂直方向上可以区分一个以上的界面或者最小厚度。顶底面的反射波会产生相消性干涉，而当地层变薄时，顶底面会出现相长性干涉，当地层变得更薄时，干涉变强，直至反射消失。因此探地雷达需要满足的条件是△d≥实际工作时，通常将1/4波长作为垂直分辨率下限。（2）横向分辨率在水平方向上，地质雷达能分辨最小异常体的尺寸。根据光学观点，入射波在各个异常体表面可以作为新的波源，然后产生二次波，被观测点接收，各次波场会因为路程，相位不同产生相互干渉。在第一菲涅尔带内，法线反射波与反射波的光程差为λ/2，发生相长性干涉，振幅增强；在第二菲涅尔带内，发生相消性干涉，振幅减弱。横向分辨率可以表示为：△L≥dλλ——雷达波长d——目标物体深度1.4渗漏区的电磁特性研究地质雷达通过传播高频电磁率，在地下介质中经过反射，折射，探测地下介质，不同的介质中，电磁特性的参数会有较大差异。（1）磁导率磁导率是指介质在磁场中的磁感应能力的大小，一般情况下，将磁导率的大小设置为1，说明它对地质雷达电磁波的传播几乎没有影响。当存在有磁导率很大的磁性物体，磁导率就会增大很多。（2）介电常数物质材料拥有存储以及释放能量的特性，同样可以表示为约束自由电荷的特性，在探地雷达试验中，介电常数主要决定着电磁波的速度，介电常数与电磁波速成正相关，通常用相对介电常数εr①绝对介电常数ε0=式中：μ0c——真空中的光速。②介电常数是指电通量密度D与电场强度E的比值。它的国际单位是F/m，通用单位是uF/m、nF/m、pF/m。ε=D或者ε=ε0（1+χ式中：ε0χ③相对介电常数是指介电常数除以真空中的介电常数。εr=地下介质的介电性质的不同会影响探地雷达电磁波的传播，因此在用地质雷达探测地下介质时，必须先了解该地区土体的介电特性，下表是一些常见的物质的电导率、介电常数、波速，以及衰减系数。表3-1常用介质的电磁参数介质电导率（S/m）介电常数（相对值）速度（m/ns）衰减系数（dB/m）空气010.30纯水10−3~810.0330.1海水4810.0110冰1.20.170.01花岗岩（干）1050.150.01~1花岗岩（湿）1070.10.01~1玄武岩（湿）1080.15（干）灰岩（干）1070.110.4~1灰岩（湿）2.5×1080.4~1砂（干）10−7~4~60.150.01砂（湿）10−4~300.060.03~0.3黏土（湿）10−18~120.061~300页岩（湿）1070.110.4~1砂岩（湿）4×6土壤1.4×2.6~150.13~0.1720~30~5.0×~400.095（εr0.15（εr肥土150.078素混凝土5×10−26.40.12沥青3~50,。12~0.18（3）、电导率是指某一介质导电性能的大小。用σ表示，单位S/m，与电阻率的关系是σ=1电导率会影响电磁波在地下介质中的传播，以及GPR的信号，出现衰减特征，电磁波的衰减与电导率呈正相关。当σ≥0.01S/m时，满足σ/εω≫1，是高电导率介质，电磁波衰减极大，几乎难以传播，常见的有黏土、海水、含水页岩、金属等；当电导率满足10−7S/m<σ<10−2S/m，电磁波这时衰减较大，属于中电导介质，地质雷达的探测效果受天线频率决定，探测深度也受限制；当σ<渗漏区介质含水量对电磁