地質(zhì)雷達(dá)原理及應(yīng)用

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1、地質(zhì)雷達(dá)理論及應(yīng)用1904年，德國的Hulsemeyer首次嘗試用電磁波信號來探測遠(yuǎn)距離地面金屬體，這便是探地雷達(dá)的雛形。1910年，G.Letmbach和H.Lowy在一項德國專利中指出，用埋設(shè)在一組鉆孔中的偶極天線探測地下相對高導(dǎo)電性的區(qū)域，正式提出了探地雷達(dá)的概念。1926年，德國的Httlsenberg第一個提出應(yīng)用脈沖技術(shù)確定地下結(jié)構(gòu)的思路，并指出電磁波在介電常數(shù)不同的介質(zhì)交界面上會產(chǎn)生反射，這個結(jié)論也成為了探地雷達(dá)研究領(lǐng)域的一條基本理論依據(jù)。1929年Stern進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)的首次實際應(yīng)用，

2、他用無線電干涉法測量冰川的厚度。cook在1960年用脈沖雷達(dá)在礦井中做了試驗。但是地下介質(zhì)比空氣對電磁波有更強(qiáng)的衰減特性，其傳播規(guī)律比在空氣中也要復(fù)雜的多，而早期地質(zhì)雷達(dá)頻率一般比較低，應(yīng)用僅局限于對電磁波吸收很弱的諸如冰層、巖鹽等介質(zhì)中。隨著現(xiàn)代應(yīng)用電子技術(shù)的高速發(fā)展和人們對電磁波認(rèn)識進(jìn)一步加深，地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用范圍從低耗散介質(zhì)擴(kuò)展到土層、巖層、混凝土等有耗散介質(zhì)中，例如：地質(zhì)勘查、考古、無損檢測、管線探測以及建筑結(jié)構(gòu)調(diào)查等。非屏蔽天線可應(yīng)用于：基巖探測、地質(zhì)分層、巖熔及空洞探測、湖(河)底形態(tài)調(diào)查

3、、隧道超前探測、壩體深部探測、古墓及其它未知物探測、冰川調(diào)查、滑坡調(diào)查等土木建筑、地質(zhì)學(xué)及水文地質(zhì)學(xué)方面。探地雷達(dá)（GroundPenetratingRadar）是一種高科技的地球物理探測儀器，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于高速公路，機(jī)場的路面質(zhì)量檢測；隧道，橋梁，水庫大壩檢測；地下管線，地下建筑的檢測等諸多的工程領(lǐng)域。探地雷達(dá)利用一個天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接受來自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時

4、間（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料，可推斷地下介質(zhì)的分布情況。一、基本原理地質(zhì)雷達(dá)屬于高頻電磁波，工作原理是基于電磁波的反射原理。地質(zhì)雷達(dá)由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖波的發(fā)射機(jī)和向外輻射電磁波的天線(Tx)組成。通過發(fā)射天線電磁波以60°～90°的波束角向地下發(fā)射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面產(chǎn)生反射。反射波被設(shè)置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收，與此同時接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達(dá)波，反射波和直達(dá)波同時被接收機(jī)記錄或在終端將兩種顯示出來。圖1地質(zhì)雷達(dá)探測原理示

5、意圖圖中T為發(fā)射天線,R為接收天線,兩者間距為X,H為反射點的埋深。波從T出發(fā),按幾何光學(xué)原理經(jīng)。返回地面到達(dá)的時間為。設(shè)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度為。由簡單的幾何關(guān)系可得出當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時，可根據(jù)精確測得的走時t，由公式求得目標(biāo)體的深度H。式中x值即收發(fā)距，在剖面測量中是固定的；v值可用寬角法直接測量，也可以根據(jù)近似計算公式計算：c為光速；為地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。介質(zhì)相對介電常數(shù)電磁波速度V（m/ns)水810.033空氣10.3雪（濕）4—120.09—0.15石灰?guī)r7(6)0.11(

6、0.12)土壤(干)4(3—5)0.15(0.13—0.18)土壤（含水20%）10(4—40)0.095(0.05—0.15)冰3.20.17銅或鐵1----常見介質(zhì)的和波的雙程走時由反射脈沖相對于發(fā)射脈沖的延時而確定。雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負(fù)峰分別以黑色和白色表示，或以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線，即可形象地表征出地下反射界面。在波形記錄上，各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面。由于探地雷達(dá)的電磁波主要是在非理想介質(zhì)中傳播的所以其衰減的速度非?？?，

7、這構(gòu)成了雷達(dá)應(yīng)用的主要障礙，即探測的深度有限。電磁波的電場強(qiáng)度隨著距離的衰減規(guī)律是：其中為介質(zhì)的吸收系數(shù)，它隨電導(dǎo)率的增大和介電常數(shù)的減小而增大。趨膚深度發(fā)射天線發(fā)射電磁波穿透地下介質(zhì)穿透深度取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率記錄反射時間介質(zhì)中電磁波速度一般在50-150m/μs工作模式:反射（多數(shù)情況下使用）透射（層析成像、雷達(dá)CT,鉆孔雷達(dá)或?qū)Υ┨綔y）探地雷達(dá)是如何工作的？發(fā)射天線發(fā)射電磁波穿透地下介質(zhì)穿透深度取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率記錄反射時間介質(zhì)中電磁波速度一般在50-150m/μs工作模式:反

8、射（多數(shù)情況下使用）透射（層析成像、雷達(dá)CT,鉆孔雷達(dá)或?qū)Υ┨綔y）探地雷達(dá)是如何工作的？GPR工作方法–反射雷達(dá)探測的95%是用偶極反射模式從原理上將，GPR類似于聲納設(shè)備發(fā)射機(jī)發(fā)射一“列”電磁脈沖，該脈沖在介質(zhì)中傳播在地下介質(zhì)的電特性有變化的地方發(fā)生反射(即散射)接收機(jī)拾取“背散射”信號，記錄它并將其顯示在計算機(jī)屏幕中GPR方法-反射Time[ns]Depth[m]?Length[m]GPR工作方法–層析成像(鉆孔雷達(dá))二、地下介質(zhì)的電特性電特性要探測