大穿透深度地质雷达、探地雷达

100m大穿透深度地质雷达COBRAPlug-in一、前言常用的地质雷达探测深度一般在10-15米以内，要增加探测深度必须采用低频天线，然而它又使屏蔽发生困难，限制了低频天线的应用领域。为此，瑞典RADARTEM公司研发和生产了大穿透深度Cobraplug-In地质雷达，该系统采用先进的实时采样技术，使信噪比提高45dB，勘探深度增加一倍以上，采用具有强烈抗干扰能力的、半屏蔽技术的收发一体天线，进一步保障了最大勘探深度，勘探深度0-100m，在北京和厦门地区的应用结果表明，在很强干扰地区仍可获得十分可靠的探测结果。此外该公司研发的双通道、双天线CobraWifi地质雷达具有极高的分辨率和极强的抗干扰能力，探测深度0-10m。二、原理简介地质雷达探测的工作原理,简单地说是通过特定仪器向地下发送脉冲形式的高频、甚高频电磁波。电磁波在介质中传播,当遇到存在电性差异的地下目标体,如空洞、分界面等时,电磁波便发生反射,返回地面用接收天线接收，并对接收数据进行处理和分析,根据接收到的雷达波形、强度、双程时间等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态,从而达到对地下隐蔽目标物的探测(如图1所示)，可以非常安全和方便地用于很多领域,并具有很高的探测精度和分辨率。图1探地雷达工作原理示意图图1中T为发射天线,R为接收天线,电磁波在地下介质中遇到目标体和基岩时发生反射,信号返回地面由天线R接收并记录再通过主机的回放处理,就可以得到雷达记录的回波记录(如图2所示)。图2探地雷达回波记录示意图图2中横坐标的单位为m,横轴代表地表面的探测距离,纵坐标代表电磁波从发射到遇见地下目标体或基岩时反射回地面并被仪器接收所需要的时间t。，即双程反射时间t，按下式算出目标体的埋藏深度：其中,t为目标层雷达波的双程反射时间;c为雷达波在真空中的传播速度(0.3m/ns);ε𝑟为目标层以上介质的相对介电常数均值。地质雷达数据处理方法与地震反射法数据处理方法基本相同,主要有以下几方面:1)滤波及时频变换处理;2)自动时变增益或控制增益处理;3)多次重复测量平均处理;4)速度分析及雷达合成处理等。数据处理的目的旨在优化数据资料、突出目标体、最大限度地减少外界干扰,为进一步解释提供清晰可辨的图像。处理后的雷达剖面图和地震反射的时间剖面图相似,可依据该图进行地质解释。电磁波在地下介质具有比空气强得多的电磁衰减特性，加之地下介质情况的多样性，电磁波在地下的传播比空气中复杂的多，因此在探地雷达的运用中，探测结果能否反应出目标体与以下的因素有关：1)纵向分辨率：λ/4探地雷达在纵向上能分辨的最小厚度是发射电磁波波长的1/4。2)横向分辨率：𝑟𝑓=𝜆𝑕/2（λ-雷达子波波长，h-目标体的埋藏深度）探地雷达在水平能够分辨的最小尺寸为𝑟𝑓。3)反射能力：𝑃𝑟=(𝜀𝑕𝑜𝑠𝑡−𝜀𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡)(𝜀𝑕𝑜𝑠𝑡+𝜀𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡)2（𝜀𝑕𝑜𝑠𝑡-背景介质的相对介电常数，𝜀𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡-目标体的相对介电常数）当𝑃𝑟0.01就能有足够的反射。4)探测深度：约为雷达子波的波长的10倍。一般来说，时间等效采样技术的探地雷达其极限探测深度为10倍发射雷达子波波长，实时采样技术的地质雷达探测深度要大的多。三、实时采样与时间等效采样技术为了实现被测信号的重构，采集系统都需要对连续的信号进行离散化的采集，我们称之为数字采样。目前市场上出售的地质雷达一般都采用时间等效采样技术，而Cobraplug_In采用的是最先进的实时采样技术。所谓实时采样就是对雷达反射信号进行实时逐点顺序采样，只要采样速率满足奈奎斯特采样定理的要求，便可还原反射信号的真实波形，简单地说就是当一个信号周期完成后，被测信号也同时完成、同时储存，并且是反射信号的真实波形，（如图3）。图3实时采样示意图由于地质雷达的信号频率非常高，所以实时采样技术对采样速率的要求也非常高，对采样数据的存储速度和存储容量的要求也非常高。但A/D转换器的采样速率、数据存储速度、数据存储容量等，都是有限制的，所以一般的地质雷达无法实现实时采样。因而都采取一种变通的方式。也即把实时采样中的多个相同周期、不同时间的真实反射信号（图4A）。重新组合成一个相同周期的仿真信号（图4B），以降低采样数量、数据存储数据数量和存储容量。前提是，反射信号必须是严格的周期信号，但这是很难达到的，因此一般地质雷达所采用的时间等效采样技术会造成反射信号失真，降低了信噪比。然而，实时采样技术，由于采样量非常大，所以叠加次数非常多，其信噪比相对时间等效采样技术高45dB，理论研究和实际表明，信噪比每提高30dB，穿透深度就提高两倍。图4等效采样示意图简而言之，等效采样就是将多个周期的不同时间的采样点组合而成的一个完整周期的信号。这种采样方式虽然大大降低了对采集系统硬件的要求。但是，这种采样方式的前提必须是周期信号，地质雷达反射信号不是严格的周期信号，因此，等效采样会造成反射信号失真，影响了测量的准确性和正确性。理论研究和实践表明，实时采样技术比等效采样技术提高信噪比45dB，而信噪比每提高30dB穿透深度就提高两倍。四、SE低频天线的半屏蔽技术低于100Hz的低频天线（LF）无法像高频天线（HF）那样进行金属屏蔽，因为低频天线尺寸较大，屏蔽后体积太大，又笨重，无法应用，目前所有地质雷达制造商生产的低频天线都是非屏蔽天线。这些非屏蔽低频天线发射的雷达电磁波仅50%进入地下，50%进入空中。进入空中的电磁波遇到树木和其它地面物体时便会反射回来，形成强烈的干扰，限制了低频天线的应用。CobraPlug-in地质雷达采用的是SE系列半屏蔽低频天线，是radarteam公司从设计理念上制作的具有半屏蔽效果的低频天线，而非物理意义上的金属屏蔽天线，具有很强的抗干扰能力。它是电阻性负载的曲面天线，安装在圆柱体上，具有向地下发射的绝对优势和向空中发射最小的低频天线，90%电磁波能量进入地下，仅10%能量进入空中。所以SE低频天线穿透深度大，受地面物体例如树、路灯等干扰最小。图5SE系列半屏蔽天线模式雷达波射线五、仪器介绍RadarteamSwedenAB是全球探地雷达天线研发和制造的领导者，其COBRA系列探地雷达已经被广泛的运用于各个领域中，包括公路检测、溶洞探测、大坝病害诊断、地质构造探测、管线探测、军事与安全、考古探测、冰川考察等等。COBRA探地雷达系列包括最新一代具有实时采样技术的CobraPLUG-INGPR和双通道超高分辨率的CobraWifi。1.COBRAPLUG-INCOBRAplug-In探地雷达为Radarteam公司最新一代的产品，它将传统的分离式低频天线组合成了一体，大大的提升了施工的效率。COBRAplug-In基于不同的工作目的配有三种不同频率的天线可选。图6搭载SE-70天线的Cobraplug-In图7Cobra采集系统单元、控制单元以及天线SE-150、SE-40、SE-70（从左至右）作为现阶段最先进的低频雷达系统，Cobraplug-In相对与其他的雷达系统而言有如下特点：1)先进的实时采样技术使信噪比提高45dB，勘探深度是同频率的等效采样技术的两倍，最深可达100m。2)收发一体，空气耦合，体积小，重量小。施工非常方便，非困难地形条件下完全可以一个人完成工作。3)先进的半屏蔽技术，具有很强的抗电磁干扰能力。采集系统主要技术参数：动态范围192dB（32位）时间窗口0-1600ns采样间隔3.125ns(320MHz)扫描速率156kHz叠加次数64000次/s(45dB提升)天线型号SE-40、SE-70、SE-150SUBECHO系列天线主要技术指标：COBRAPlug-InSUBECHO系列天线SE-40SE-70SE-150频带范围（MHz）[带宽]15-105[90MHz]20-140[120MHz]20-280[260MHz]中心频率（MHz）@=95280124带宽与中心频率比（BW/CF）173%150%210%垂直分辨率@=9[]48cm31cm21cm水平分辨率@深度=141cm88cm59cm尺寸（长×宽×高）200×15×21cm139×15×21cm92×22×22cm重量（Kg）4.73.73.52.