探地雷达技术介绍

1、,探地雷达技术介绍,北京雷迪公司,电话目 录,探地雷达原理 探地雷达的主要组成部件 探地雷达的工作方法 探地雷达的技术参数 测量参数的选择 雷达管线探测识图 与RD4000管线仪结合做管线探测 市场上几种商用雷达的主要技术特色 探地雷达在其他方面的应用,一，探地雷达原理： 探地雷达由地面上的发射天线将高频短脉冲(106-109Hz)的电磁波定向送入地下，这种高频电磁波遇到存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，由接收天线接收。 高频电磁波在传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性及几何形态而变化，故通过对时域波形的采集、处理与分析，可确定地下界面或

2、地质体的空间位置及结构 其最大的特点是高分辩率和高工作效率，它已成为地球物理勘探中一种有力武器，在国民经济的诸多领域发挥着作用!,雷达电磁波传播示意图,它的传播遵循麦克斯韦波动方程理论,探地雷达通常通常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑白、灰阶或彩色表示，这样同相轴或等灰线、等色线即可形象地表征地下反射面或目标体。在波形图上种测点均以测线的铅垂反向记录波形，构成雷达剖面,二，探地雷达的主要组成部件 其示意图,1，天线-发射天线和接收天线 1-1，天线的分类 按测量方法设计分为：收发分体和收发同体 按频率划分可分为：低频(80HZ以下)、中频(100HZ1000HZ)、高频(1GH

3、Z以上) 按结构特点划分为：非屏蔽和屏蔽天线 按电性参数划分为：偶极子天线、反射器偶极子天线、喇叭状天线 按其耦合类型可分为 ：地面耦合和空气耦合型,1-2，三大类天线特点及相关应用 采用不同种天线结构是为了获得较高的发射效率。 频率在80MHz以下的为低频天线，通常采用非屏蔽式半波偶极子杆状天线。无反射器，无屏蔽。辐射场具有轴对称性，能量分散，能流密度小。因发射频率低，介质中衰减小，可用于较深目标的探测，在场地勘察中经常采用。 频率在100MHz-1000MHz范围内的天线称为中频天线，采用屏蔽式半波偶极子天线。反射器将辐射到后方的能量集中到前方，在前方形成较大的能流密度。具有天线体积小，发

4、射效率高的特点。在工程勘查与检测中常使用该类天线，包括300MHZ、600MHZ、900MHZ。100MHZ加强型天线也属于该类天线，它采用高功率发射技术，探测深度可达15m左右，场地勘察、线路勘察和隧道超前预报中常使用该种天线。 高频天线：频率高于1GHZ的称为高频天线。高频天线常采用喇叭形状，以提高辐射效率。该天线辐射能量集中，分辨率高，目前主要用于路面、跑道的质量检测。,1-3，偶极子天线辐射方向,非屏蔽天线的辐射是以天线轴为对称的，并且在垂直天线轴的中心平面内辐射强度最大，向两侧变小。,屏蔽天线辐射的方向性与屏蔽结构有关，其辐射成一个锥形面向下辐射 前后角，左右角个成一定角度。辐射能量

5、较为集中，能流密度较大，有利于增大探测深度。 一般来说，地下介质的介电常数愈大，偶极子源的辐射功率就愈往地下集中，地下辐射场E在临界角(Sinc=(o/r)1/2)方向上辐射强度最大。,2，控制单元的的A/D转换,A/D转换是决定地质雷达技术指标的核心部件，因为采样率非常高，采样间隔间隔在10-1-10-2ns之间，A/D转换的分辨率与采样率茅盾突出，通常采用多次发射，移位采样的方式达到提高采样率的目的。A/D转换的分辨率有24Bit、16Bit和8Bit几种，多数地质雷达采用16Bit和8Bit，只有少数地质雷达达到24Bit。采用高频天线时一般都采用8Bit工作方式。,3，控制单元的采集和

6、显示器,雷达的数据采集主要是在控制单元中完成的，它可在监视器进行实时显示，也可不用各厂家生产的监视器，控制单元直接接笔记本电脑进行采集和显示的控制。目前多数据厂家生产的雷达都有这两种功能，如果现场不要进行数据处理工作，也可回到室内通过高速USB口下载数据到电脑中，用专用的数据处理软件进行处理，解释。,三，探地雷达的工作方法,1，剖面法 这是发射天线(T)和接收天线(R) 以固定间隔距离沿测线同步移动的一种测量方式。发射天线和接收天线同时移动一次便获得一个记录。,2，共深点反射法 探地雷达探测来自深部界面的反射波时，会由于信噪比过低，不易识别。这时可采用类似地震的多次覆盖技术，应用不同的天线距的

7、发射接收天线对在同一测线进行重复测量，然后把所得的测量记录中测点位置相同(共深点)记录进行叠加，能增加所得记录对地下介质的分辩率。,S1,O1,O4,地面,R,M,X1,X4,h,S4,T4,R4,T1,R1,3，宽角法,宽角法测量方式是发射天线固定在地表某点，接收天线沿地表逐点移动，此时的记录是电磁波通过地下各不同层的传播时间，从而反映了不同层介质的速度分布。,四，探地雷达的技术参数,1,分辩率,分辩率决定了地球物理方法分辩最小异常介质的能力。目标体的几何形状、目标体的电性、围岩的不均一性等都可影响雷达的分辩率。 探地雷达根据介电差异来区分物质体的，那么目标体与围岩的介电差异最小到底到什么程

8、度雷达还可分辩出来？ 目标体功率反射系数为：,一般说目标体的功率反射系数应不小于0.01,否则从理论上雷达是分辩不出来的,分辩率可分为垂直分辩率和水平分辩率。 水平分辨率 水平分辨率是雷达能够分辨的物体的水平最小尺度。水平分辨率对于工程探测来说是头等重要 的技术指标。根据Fresnel(菲涅尔)原理，菲涅尔带中心垂直反射与边缘反射的波程差为/2，菲涅尔带半径df为： df=(h/2+2/16)1/2 水平分辨率应为菲涅尔带半径的1/2。 假定雷达波以锥面形式向下传播，物体上表面将大部分能量反射回来，则水平分辨率可根据下式估算： Rf= (h+/4)1/2 Rf :圆柱半径, ：电磁波长，h：柱

9、体顶面埋深。 总结：那么也就是说当两个目标体的水平距离大于Rf 时，雷达图上才能分辩得到，从实践中可知：对于单个目标体，雷达的水平分辩率可高达1/10 Rf,垂向分辨率 垂向分辨率是能探测到的物体的垂向最小尺度 根据应用实践，分辨率与深度有关，随着深度h的增大，分辨率降低。可用下式估算垂向分辨率RV。 RV= 0.08*h 0h3m； RV= 0.5*h 3h； 举例：当埋深为2米的目标体，雷达的垂向分辩率为0.16m，对于垂直方向小于这个尺寸的目标体，雷达是分辩不到的。,2，雷达探测深度 雷达的探测深度与天线的发射功率、使用的频率、介质的电导特性及仪器的动态范围有关。 各种不同的仪器差别较大

10、。发射功率大的仪器探测深，但是功率增大对探测深度的影响是对数关系，动态范围的增大与探测射度成线性关系。动态范围大，探测深。反映动态范围的指标是采样位数，即A/D转换位数，24Bit最好，16Bit次之，最差的是8Bit。在其他条件相通的条件下，三者的探测深度比为16：8：1,雷达在电导率低，低涡流的介质中特别适用，电磁波不易被 吸收。对于富含水的介质中电磁波易被吸收，它的测深大打折扣。,以MALA雷达为例，在一般地质条件下，使用不同中心频率的天线，其最大测深与与相应的关系为：,3，脉冲子波,雷达工作时控制部分输出触发波形，触发波形是矩形脉冲，上升沿1/22ns，脉冲宽度10ns(100MHZ天

11、线)。重复频率50KHZ、25KHZ。天线是由高速开关电路驱动的，开关电路与天线类似于微分电路，将矩形脉冲变成震荡小波输出。,发射波形,对于一个触发脉冲，天线实际发射的是一个子波，也可成为一个小波。子波的波形并不像图中画出的那样简单，后边可能带有衰减震荡。子波越简单越有利于分析鉴别。各种雷达天线子波的形式可以现场实测,五，测量参数的选择,1，时窗长度 时窗的选取是头等重要的，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。根据探测深度H和介电常数确定采样时窗长度（Range/ns）： Range= 2H()1/2/0.3(ns)= 6.6 H(

12、)1/2(ns) 例如对于地层岩性为含水砂层时，介电常数为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。,2，扫描样点数 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

13、值512。 3,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，因而可以尽可能的选大。 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。,4,时变增益 时变增益以指数形式对一道数据进行增益处理，即不同深度的数据的增益值不同、双程走时（深度）越大的数据所加载的增益值越大，从而突出不同深度目标

14、体的反射波振幅强度。时变增益用于识别不同深度的目标体，尤其是深部目标体。,5,滤波设置 A，DC滤波-道上的 振幅经常会发生漂移现象，我们称它DC漂移。这种滤波去除了在数据上的DC分量，使数据更加准确可靠。它通常是按每道计算和消除的。 B，平滑处理(运行平均滤波)-基于一个有效采样中部的窗口，用这个窗口上所有样点计算出的平均值来替换每一个样点，以达到平滑雷达波形图的目的。这个窗口越大平滑效果也就越大。 C，抽取平均道-这个滤波通过抽取一个由所有道计算出的平均道来消除雷达图上水平或近于水平特征影响的。它是抽取了居于道中心的窗口计算出的平均道来滤波的。,D，带通滤波 带通滤波 是去除所有道中不想要

15、的频率。低于最低截止频率或高于最高截止频率将被消弱或去除。cies E，背景噪声滤波 这个滤波是去除数据中的水平或近于水平特征，通过运用一个水平空间高通滤波器。它的效果类似于抽取平均道滤波，目的是去除随机和干扰的频率。,6，波速估计与标定 电磁波速度的估计很重要，它是进行准确时深转换的基础，有下面几种方法估算电磁波速： a,根据地层类型和含水情况使用参考速度值； V=C /(r)1/2 b,利用已知埋深物体的反射走时求波速； V=2H/t0 c,几何刻度法计算 d,共中心点计算波速，对于收发同天线，不太适用。,六，雷达管线探测识图,总结：地下管线的反射规律 1)，地下管线的反射走时曲线在几何形

16、态上呈双曲线，并曲线开口向下。 2)，地下管线在水平地面的投影位置可由双曲线同相轴的极小点来确定。 3)，直径越大的管道，双曲线的曲率半径越大。 4)，由于电磁波的传播规律和记录方式， 地下管线在雷达图上常有相位偏移的现象，使反射面形态失真，这样就要进行漂移处理，抽取平均道滤波。 5)，根据双曲线同相轴的极小点，天线距和介质传播速度计算出管道的埋深。 金属管线与非金属管线雷达识图的主要区别 1)，金属管线所形成的双曲线顶点比较尖，在双曲线内部管底反射波明显。非金属管线所形成的双曲线顶点较平滑些。 2)，金属管线双曲线向下延长得较多，且绕射现象明显，非金属管线向下延伸较小，且绕射现象不明显。,对

17、于管道沟的雷达图识别 管道沟在连续的反射波地层上面上有明显下凹现象，由于波的绕射，常有一个“似背斜”的一段或整段曲线出现。,七，与RD4000管线仪结合做管线探测 地质雷达与管线仪结合做管线勘察是最理想的工作方法，既能提高查找的准确性，双可大大提高工作效率。 一般的工作程序要求是： 1，对工区内进行尽可能的环境调查，包括地层地质情况，环境噪声，地理及地上、地下有意义 的标志物。 2，用雷达进行初勘，进行网格状较大线距测量。 3，对波形反映清晰的位置(大部分是金属管线)，用管线仪寻踪并与雷达相互验证；对于不清晰或有疑问的位置(大部分是非金属管线)用雷达进行密网拉线式的详勘，以得到正确的判断。,4

18、，对重点位置，如总闸，管线交汇处，要灵活运用雷达和管线仪交替使用和搜寻。,5，对于水平排列的管道，要根据实地情况，一般先用管线仪，如果干扰大，信号不好的情况下，再上雷达，对于垂直排列的管道，一般多利用雷达来完成目标的确定。,八，市场上几种商用雷达的主要技术特色,1，美国的GSSI是规模较大的一家（劳雷代理），此外有PLUS RODAR（郑州大学张培代理）和PENETRADAR（欧美大地代理）。 GSSI最新型号是SIR3000，它的产品是一种从25MHZ-2GHZ的全兼容地质雷达，市场占有率较高，它的技术和设计理念与我们瑞典MALA公司生产的CU II极其相似。从技术的成熟性和客户的信任度方面

19、，是专业人士认可的。但劳雷的售后服务跟不上。 美国PLUS RODAR公司的PLUS RODAR 型路用雷达，采用空气耦合双及型天线，有250MHz，500MHz，1GHz，2GHz多种型号。同时可安装4个不同频率的天线，测量速度可达110km/h,加拿大探头与软件公司PLUSE-EKKO雷达 ，加拿大的Sensors&Software公司生产的Pulse EKKO系列地质雷达在上世纪初就进入了中国(雷迪公司代理)，,该仪器的特点是接收与数字采样都放在天线中，通用光纤与笔记本电脑通讯，笔记本电脑作为记录器，抗干扰性强。但联线太多，野外使用不太方便。其产品分为EKKO-100(12.5HZ-20

20、0HZ,深层地质调查效果好)和EKKO-1000(225HZ-1200HZ)两种型号， noggin系列专用雷达。但他们的经销商推广和售后做得都不好，可能是核工业地质研究所的张鹏和彼岸在代理这个产品。 拉脱维亚产品的ZOND-12E)，制做和设计粗糙，价格便宜(40来万)，35-75-150M 组合天线，空气耦合型，最高是2GHZ，非屏蔽天线。做地质深层调查还不错。国内是杨役冀在做，香港是欧美大地，但他也常在国内销售。中科院电子所曾买过一套，目前在国内也有一定的客户。,九，探地雷达在其他方面的应用,施工场地勘察（建筑/工程行业） 查明所有管线的分布、位置和深度 查明地下障碍物的分布 特定目标体

21、/埋藏物查找（地下勘察行业） 地下埋藏物探测 考古行业：遗址测绘，墓穴探测，文物搜寻 公路、铁路、桥梁、机场的路面检测（公路交通/铁路交通行业） 检测公路尤其是高等级公路的路面厚度，公路质量监控与检查：专用公路雷达配置 路面各层内缺陷及空洞/裂缝定位 桥面厚度检测 飞机场跑道的缺陷及空洞探测,桩基、路基及桥基的勘察检测（交通建设行业） 空洞及裂缝的安全调查，地下管线分布 防空洞、隧道、洞穴、溶洞等地下设施及障碍物探测 探测防空洞 探测隧道 探测洞穴 土木结构质量检测（工程质量监督行业） 混凝土构筑物的质量检测：混凝土层厚度检测，空洞与充填物定位，施工质量评价 土木结构中的钢筋、管线，张拉钢缆等内部设施的探测与质量检查 墙壁，地板，楼板的质量检测 新建筑和既有建筑的内部结构、支撑物的检测与质量控制 车场、车库的结构与地面检测,隧道及采矿坑道的检测（工程建设/采矿行业） 隧道衬砌质量的检测 隧道底部溶洞等隐患的探测 矿井巷道/采矿作业面的围岩松动圈、岩层位置及厚度、地质构造异常及采空区的探测 工程勘察行业 土壤分层：探地雷达能反映和区分地下不同介质层的界面，精确计算其深度厚度和介质性质，配合钻探触探等勘察手段则能够起到提高勘察质量降低成本的目的，并可进一步给出勘察场区的地层分布立体图