1、4.5 探地雷达探地雷达 探地雷达探地雷达（Ground Penetrating Radar简简称称GPR）是用频率介于）是用频率介于106109Hz的的无线电无线电波波来确定地下介质分布的一种方法。来确定地下介质分布的一种方法。对称振子型调幅脉冲时域探地雷达对称振子型调幅脉冲时域探地雷达输出输出功率大，能实时监测测量结果，设备可做成功率大，能实时监测测量结果，设备可做成便携式等优点，在商用地面探地雷达中，已便携式等优点，在商用地面探地雷达中，已得到广泛应用。下面主要介绍这种探地雷达。得到广泛应用。下面主要介绍这种探地雷达。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院4.5.1 脉冲时间域
2、探地雷达的基本原理脉冲时间域探地雷达的基本原理 脉冲时间域探地雷达利用超高频短脉冲电脉冲时间域探地雷达利用超高频短脉冲电磁波在地下介质中的传播规律来探测地下介质磁波在地下介质中的传播规律来探测地下介质的分布。因为任何脉冲波都可以分解成不同的分布。因为任何脉冲波都可以分解成不同频率的单谐波；对称振子型、发射和接受天频率的单谐波；对称振子型、发射和接受天线间距离很小。因此线间距离很小。因此电偶极源产生的单谐电磁电偶极源产生的单谐电磁波场及传播特征是探地雷达的理论基础。波场及传播特征是探地雷达的理论基础。4.5.1.1 电偶极源的电磁场电偶极源的电磁场1、均匀介质中的电磁场均匀介质中的电磁场成都理工
3、大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院水平电偶极子源在主剖面中的辐射场为水平电偶极子源在主剖面中的辐射场为 rxrepHrzrepHrepEikryikrxikry4k4k42 （2.4-25）特点特点：在主剖面中，电场和发射天线在主剖面中，电场和发射天线（偶极子轴偶极子轴）方向平行，而磁场与圆心位于原点的同心圆的切线方向平行，而磁场与圆心位于原点的同心圆的切线方向一致。方向一致。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院1电磁波在介质中的传播速度电磁波在介质中的传播速度 探地雷达测量的是地下界面的反射波的探地雷达测量的是地下界面的反射波的走时走时，为了，为了获取地下获取地下界面的深度
4、界面的深度，必须要有介质的，必须要有介质的电磁波传播速度电磁波传播速度v，其值为，其值为 2/12)1)(1(2v （2.4-27）成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院绝绝大大多多数数岩岩石石介介质质属属非磁性、非导电介质，常常常常满满足足1，于于是是可可得得 rcv （2.4-28）式式中中c为为真真空空中中电电磁磁波波传传播播速速度度，rm/ns;3.0c为为相相对对介介电电常常数数。上上式式表表明明对对大大多多数数非非导导电电、非非磁磁性性介介质质来来说说，其其电电磁磁波波传传播播速速度度主主要要取取决决于于介介质质的的介介电电常常数数。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院
5、息工程学院2电电磁磁波波在在介介质质中中的的吸吸收收特特性性 吸吸收收系系数数决决定定了了场场强强在在传传播播过过程程中中的的衰衰减减速速率率，探探地地雷雷达达工工作作频频率率高高，在在地地下下介介质质中中以以位位移移电电流流为为主主，即即1/，这这时时的的近近似似值值为为 2 （2.4-29）即即与与导导电电率率成成正正比比，与与介介电电常常数数的的平平方方根根成成正正比比。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院表表 2.4.2 列出了一些常见介质的相对介列出了一些常见介质的相对介电常数、导电常数、导电率、传播速度与吸收系数电率、传播速度与吸收系数。注意注意高阻与低阻介质高阻与低阻
6、介质的的r、的不同。的不同。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院表 2.4.2 介质相对介电常数r、导电率、速度与吸收系数 媒 质 r mS/m)()m/ns(dB/m)(空 气 1 0 0.3 0 淡 水 80 0.5 0.033 0.1 海 水 80 3104 0.01 103 干 砂 35 0.01 0.15 0.01 饱和砂 2030 0.11.0 0.06 0.030.3 石灰岩 48 0.52 0.12 0.41 泥 岩 515 1100 0.09 1100 粉 砂 530 1100 0.07 1100 粘 土 540 21000 0.06 1300 花岗岩 46 0.
7、011 0.13 0.011 岩 盐 56 0.011 0.13 0.011 冰 34 0.01 0.16 0.01 成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院垂直极化波垂直极化波（电场矢量垂直入射面电场矢量垂直入射面）在界面的在界面的反射与折射反射与折射：电磁波在跨越介质交界面时电磁波在跨越介质交界面时，紧靠界面两侧的电场，紧靠界面两侧的电场强度和磁场强度的切向分量强度和磁场强度的切向分量分别相等分别相等，则得则得 ttrriitriHHHEEEcoscoscos （2.4-30）成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院令令itirEETEER/,/1212，分别表示波从介质，
8、分别表示波从介质 1 入射入射到介质到介质 2 时界面的反射系数和折射系数。时界面的反射系数和折射系数。)sin/(coscos2)sin/(cos)sin(cos2212222212iiiiiiinTnnR （2.4-31）其中其中n表示折射率，表示折射率，*11*22/n。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院下面讨论下面讨论不同入射角时，反射系数不同入射角时，反射系数12R与折射系数与折射系数12T的的变化规律变化规律。1 0i，即 垂 直 向 射，此 时，即 垂 直 向 射，此 时)1/(2);1/()1(1212nTnnR。当。当1n时，时，012R，112T；rE与与iE
9、反向，反向，rH与与iH同向。当同向。当1n时，则与时，则与上述情况相反。上述情况相反。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院 290,sintin。于是折射波沿界面在。于是折射波沿界面在介质介质 2 中“滑行”，并折向第中“滑行”，并折向第 1 介质，而无向下传介质，而无向下传播的波。这时的入射角称为播的波。这时的入射角称为临界角临界角c。目前常用的时域探地雷达测量方式有目前常用的时域探地雷达测量方式有剖面法剖面法和宽角法和宽角法两种。两种。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院l剖面法与多次覆盖剖面法与多次覆盖（1）剖面法剖面法 剖面法是发射天线（剖面法是发射天线（T）
10、和接收天线（）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。（2）多次覆盖多次覆盖 应用不同天线距的发射应用不同天线距的发射接收天线在接收天线在同一测线上进行重复测量然后把测量记录同一测线上进行重复测量然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。强对深部地下介质的分辨能力。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院2宽角法或共中心点法宽角法或共中心点法 222224vhvxt （2.4-36）利用宽角法或共中心点法测量所得到的地下利用宽角法或共中心点法测量所得到的地下
11、界面反射波双程走时界面反射波双程走时t，由公式，由公式（2.4-36）就可求得就可求得到地层的电磁波速度。到地层的电磁波速度。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院4.5.2.2 探地雷达的技术参数探地雷达的技术参数 1分辨率分辨率 分辨率是方法分辨最小异常体的能力。分辨分辨率是方法分辨最小异常体的能力。分辨率可分为垂向分辨率与横向分辨率。率可分为垂向分辨率与横向分辨率。（1）垂向分辨率垂向分辨率一般把地层厚度一般把地层厚度b=4作为垂直分辨率的作为垂直分辨率的下限。下限。（2）横向分辨率横向分辨率成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院2/hrf （2.4-37）2探测距离
12、与探距方程探测距离与探距方程 lg10minTsWWQ （2.4-38）成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院 雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗 Q 可由可由雷达探距方程来描述。来描述。)64lg(104342regGGQrrtrt （2.4-39）满足满足 Qs+Q0 的距离的距离r，称为探地雷达的探测距，称为探地雷达的探测距离，亦即处在距离离，亦即处在距离 r 范围内的目的体的反射信号可范围内的目的体的反射信号可以为以为雷达系统所探测雷达系统所探测。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院4.5.2.4 探地雷达测量的设计探地雷达测
13、量的设计1目的体特性与所处环境分析目的体特性与所处环境分析（1）天线中心频率选择）天线中心频率选择（2）时窗选择）时窗选择（3）采样率选择）采样率选择（4）测点点距选择）测点点距选择（5）天线间距选择）天线间距选择 成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院4.5.3 探地雷达的数据处理与资料解释探地雷达的数据处理与资料解释 4.5.3.1 探地雷达的数据处理探地雷达的数据处理 数字记录的探地雷达数据类似于数字记录的探地雷达数据类似于反射地反射地震震数据，反射地震数字处理许多有效技术通数据，反射地震数字处理许多有效技术通过某种形式改变均可以应用于探地雷达资料过某种形式改变均可以应用于探地
14、雷达资料的处理。的处理。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院4.5.3.3 探地雷达的资料解释方法探地雷达的资料解释方法（补充速度的求取）（补充速度的求取）1时间剖面的解释方法时间剖面的解释方法（1）反射层的拾取）反射层的拾取（2）时间剖面的解释）时间剖面的解释2资料解释的资料解释的专家系统专家系统介绍介绍 (1）对雷达图像信息进行反褶积处理。）对雷达图像信息进行反褶积处理。（2）利用自动识别系统）利用自动识别系统（3）根据专家领域知识进行地层性质判别）根据专家领域知识进行地层性质判别 成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院4.5.4探地雷达的应用探地雷达的应用4.5.4
15、.1在工程地质勘察中的应用在工程地质勘察中的应用1基岩面的探地雷达探测基岩面的探地雷达探测 广州花园。第四系地层覆盖在基岩广州花园。第四系地层覆盖在基岩（灰岩）上。第四系地层为淤泥、粉质粘土（灰岩）上。第四系地层为淤泥、粉质粘土与砂，比较松软；其下为灰岩，有较高的承与砂，比较松软；其下为灰岩，有较高的承载力。建筑物拟采用预制桩桩基础。图载力。建筑物拟采用预制桩桩基础。图2.4.34为该场地地层的探地雷达图像，为该场地地层的探地雷达图像，成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院图2.4.34 灰岩与覆盖地层的探地雷达图像成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院2岩溶地区的探地雷达
16、探测岩溶地区的探地雷达探测 岩溶（又称喀斯特）是指碳酸盐岩等可溶岩溶（又称喀斯特）是指碳酸盐岩等可溶性岩层受水的化学和物理作用所产生的沟槽裂性岩层受水的化学和物理作用所产生的沟槽裂隙和空洞，以及由于空洞顶板塌落使地表产生隙和空洞，以及由于空洞顶板塌落使地表产生陷穴、洼地等现象和作用的总称。陷穴、洼地等现象和作用的总称。（1）节理裂隙岩溶）节理裂隙岩溶 图图2.4.36为湖北黄石某地裂隙溶蚀带的探地为湖北黄石某地裂隙溶蚀带的探地雷达图像。雷达图像。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院图2.4.36 裂隙岩溶的探地雷达图像 成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院（2）溶蚀沟槽
17、）溶蚀沟槽 灰岩长期出露地表时，其表面遭受风化后灰岩长期出露地表时，其表面遭受风化后强度降低。灰岩表面地形变化剧烈的地方，会强度降低。灰岩表面地形变化剧烈的地方，会由于地表的大径流，使其表面受强烈侵蚀而形由于地表的大径流，使其表面受强烈侵蚀而形成成溶沟、溶槽溶沟、溶槽。图图2.4.37为广州花都市某处溶蚀沟的探为广州花都市某处溶蚀沟的探地地雷达图像。雷达图像。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院图2.4.37 溶蚀沟的探地雷达图像 成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院4.5.4.2 在地基基础施工中的应用在地基基础施工中的应用1探地雷达在桩基础施工障碍成因调查中的探地雷
18、达在桩基础施工障碍成因调查中的应用应用图图2.4.39为为基岩破碎带的探地雷达图像特征。基岩破碎带的探地雷达图像特征。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院图2.4.39 基岩破碎带探地雷达图像 成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院（2）桩基础下异常性质判断）桩基础下异常性质判断本场地为紧靠长江的滩地，为防洪在地表下本场地为紧靠长江的滩地，为防洪在地表下填充了大量杂填土。当杂填土中存在建筑垃填充了大量杂填土。当杂填土中存在建筑垃圾等杂物时，便形成了与周围介质差异极大圾等杂物时，便形成了与周围介质差异极大的强、宽反射波，这类异常没能在周围测线的强、宽反射波，这类异常没能在周
19、围测线形成有规则的排列，故定为硬性杂物，见图形成有规则的排列，故定为硬性杂物，见图2.4.41（a）。）。当杂填土堆积比较疏松，形成杂填土中的不当杂填土堆积比较疏松，形成杂填土中的不密实区，这类填土可能是生活垃圾等细软物密实区，这类填土可能是生活垃圾等细软物质，形成同相轴杂乱的反射波，见图质，形成同相轴杂乱的反射波，见图2.4.41（b）。）。成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院图2.4.41 三种地下异常的探地雷达图像 成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院（2）地下顶管前方障碍物探查）地下顶管前方障碍物探查图图2.4.43为为1#管超前探测环形剖面雷达图像，管超前探测环形剖面雷达图像，图图2.4.44为为1#管线地表剖面的雷达图像管线地表剖面的雷达图像 成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院 图2.4.43 1#管超前预报环形剖面雷达图像 1#顶管面前方 1014.5m 有孤立的接近0.3m 的块石 图 2.4.44 1#管线地表剖面雷达图像 成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院成都理工大学信成都理工大学信息工程学院息工程学院
