地质雷达培训讲授--上部

1、云南交通职业技术学院,李 昆 副教授 Email: L 学习、交流、合作-共同进步！,准备知识：,雷达发展的历史（见：翻译文稿） 目前市场上地质雷达的类型及其竞争（见：radar1类型ppt；辽宁公路比武与2000年世界著名雷达比武荣获第一；最新的格威雷达资料） 本次研修班使用的雷达简况： 1、型号：RIS-2k A (最新RIS-k2 ) 2、硬件：四套天线及主机系统 3、软件：四个配套数据处理软件 4、参见意大利RIS雷达资料（精选）ppt,云交院雷达系统,雷达系统、探测及其解译图示,意大利RIS雷达资料（精选）,参阅： 1、加拿大蒙工实验室GPR情况： （文件夹：蒙工GPR仪器照片） 2

2、、Groundvue系列地质雷达（李昆）.doc,反射剖面模式下的GPR原理 a) 一套发射与接收天线沿剖面方向匀速移动，在图（c）GPR剖面上天线位置56、91、226的反射波路径略图 b)在 wiggle模式下，这些位置处接收信号的显示 c) 在海岸环境下用200MHz系统获得的GPR剖面。水平轴显示沿剖面的距离，左边的垂直轴显示双程走时，右边显示转换的深度。 直达波问题！,问题一:GPR图谱黑白线条的含义？！（注意：直达波问题？！）,参见：翻译文章第八章第一节,在接收雷达上看到的单个信号脉冲与反射的结构图,异常的发现图解：,Wiggle图：,导致雷达信号强度减弱的过程如右图。其中，频率越

3、高衰减就越大；在频率一定的情况下，湿度越大的介质衰减也越大。,问题二:振幅激化方向问题？！,1、 振幅反射系数 R 表征反射能量的大小，与介质两侧相对介电常数差值大小有关： 2、R值为正，即高波速介质进入低波速介质（空气进入岩石内，正振幅，以红色表示）；为负，即低波速介质进入高波速介质（从混凝土内部进入其空洞，负振幅，以兰色表示）,振幅正负值与颜色,问题三：探测深度与时窗长度 的问题？！,探测深度的选取是GPR探测开始就要面临的重要问题。 处理原则：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。 时窗的选择决定雷达系统对反射回来的雷达信号取样

4、的最大时间范围，这就决定了雷达记录所反映的最大探测深度。,雷达最大探测深度的问题？-实际运用中存在着两个公式，这是一个容易引起混乱的问题！,时窗主要取决于最大探测深度d与地层电磁波速度v，数据采集时所开的时窗W可由下式决定（经验公式）: 由于系统默认 v = 0.1 m/nsec ,故上式写成：w = dmax201.3 上式中时窗的选用值增加30%，是为了介质中电磁波速度与目标深度的变化所设的校正值。 根据探测深度H和介电常数推导得来的时窗长度（Range/ns）公式： Range(t)=(2/0.3)H()1/2 =6.6H()1/2 (单位：ns) 例如对于地层岩性为含水砂层时，介电常数

5、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。 （工作中关键是：介电常数不易获得！） 仪器使用中，各天线有其默认的最大时窗wmax值，它对应一个最大探测深度。,问题四：各使用天线的垂直与水平分辨率具体值如何确定？！,-这是一个很少人给出具体说明的问题！,电磁波波束宽度决定水平空间分辨率,在保证分辨率且场地条件许可时, 尽量使用中心频率低的天线。天线 的中心频率可由下式确定: 其中: X 为空间分辨率，m 。,SSI公司对两个不同位置的点目标在两种天线频率探测下的分辨率演示提示我们野外工作要选对天线！ a)在模型空间中部1m深埋设单管；b) 模型中部1m和1.

6、2m深上、下埋设双管；c)双管1m深，水平0.5m间距,雷达垂直分辨率：/4 /2,例如：80MHz天线垂直分辨率估算 周期 T=1/（80106 ）=125 10-10 s 平均波速v =0.1m/ nsec = 1108 m/s 波长= v T = 1.25 m 雷达垂直分辨率：0.312 0.625 m,水平分辨率及其计算公式：L=(r/2)1/2例如：40MHz1/fc =25 ns r=2mc=0.1x25=2.5 L=(2.5)1/2L=1.58m (?)目标介质特性和地质雷达的中心频率一定时，d 越深,能够分辨的物体尺寸要越大。,几个基本概念：,地下不同介质形状不同，电磁性不同，

7、产生的反射波的振幅、相位、频率均相应产生变化，地质雷达图像上显示的反射波是反射波的振幅，相位、频率等参数综合显示的实信号（注：与复信号相对 ）。瞬时振幅波形反映了给定时刻反射信号能量大小及能量衰减状况，利用它可以推测地下介质的性质。瞬时相位波形反映地下介质相位的变化，地下介质电磁性差异常引起相位的变化，因此利用它可推测地下介质的连续性。另外瞬时相位大小与反射波的振幅无关，因此利用它可研究地下深层介质的性质。瞬时频率波形也反映了地下介质性质的变化，利用它可推测地下介质的形状及性质。 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

8、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。 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

9、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Samples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500 Samples/ 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。,增益点数的选择：增益点的作用是使记录线上不同时段有不同放大倍数，使各段的信号都能清楚的显现出来，增益点

10、的位置最好是在反射信号出现的时段附近。SIR型雷达设计的增益点从2到8个，时窗短时选2点增益，时窗长时选4或5足以。点之间的增益是线性变化的，增益的变化是平滑的。增益大小的调节是使多数反射信号强度达到满度的60%-70%，增益太大将造成削顶，增益太小将丢失弱小信号。 地质雷达数据采集时的信号触发方式一般有4种，即测量轮触发、时间触发、键盘触发、线式触发 GPR图谱识别的几个概念： 地质雷达图像剖面是地质雷达资料解释的基础，只要掌子面前方介质中存在电性差异，就可以在雷达剖面图中找到相应的反射波与之对应。根据相邻道上反射波的对比，把不同道上同一个反射波相同相位连接起来的对比线称为同相轴，雷达剖面图的识别主要是确定具有相同特征的反射波组的同相轴。 构造断裂带在雷达剖面图上的波形反映一般是与断裂带走势相同的一条曲线；软弱夹层和岩溶洞穴的波形反映一般是由许