探地雷达基本原理A

’SMAKEITVISIBLE1北京鑫衡运科贸有限责任公司联系电话：[phone]传真：[phone]公司网址：’SMAKEITVISIBLE探地雷达基本原理（A部分）手机号码：[phone]QQ号码：77055062邮箱地址：[e-mail]张国峰’SMAKEITVISIBLE主要内容1.什么是雷达2.什么是探地雷达(GPR)3.GPR的优点及局限性4.GPR基本方法原理5.RAMAC/GPR系统示意图6.地下介质电特性’SMAKEITVISIBLE1.什么是雷达RADIODETECTIONANDRANGING（无线电探向和测距）雷达最初是用于军事目的探测空中目标体.RADAR’SMAKEITVISIBLE2.什么是探地雷达•采用电磁波探测的一种技术，频率一般在5-3000MHz，用于对地下结构，埋藏物以及人造结构成像。•地下不同物体或介质的差异，会对电磁波进行反射，使用者根据反射图像判断地下异常体的位置。•采用脉冲雷达体制，最早的脉冲雷达系统是Melton于1937年提出的。•基本工作模式：反射，速度探测，层析成像（雷达CT)。GPR(groundpenetratingradar)’SMAKEITVISIBLE3.GPR的优点及局限性设备轻便,携带方便GPR是无损探测技术与其它地球物理方法相比，数据采集速度非常快水平和垂直精度高图像比较直观’SMAKEITVISIBLE探测深度和目标体的分辨能力依赖于土壤（或地下介质）特性.高导电率介质会使GPR方法无效（如海水、盐碱地、金属矿、含水粘土层等）.目标体和周围介质要有足够的电性差异（介电常数和电阻率）GPR数据的解释因人而异解释者的经验非常重要.3.GPR的优点及局限性’SMAKEITVISIBLE4.GPR基本方法原理•用电磁波穿透地下介质•穿透深度取决于介质的介电常数和电导率•记录反射时间•速度一般在50-150m/µs’SMAKEITVISIBLE•雷达探测的95%是用偶极反射模式•从原理上将，GPR类似于声纳设备•发射机发射一“列”电磁脉冲，该脉冲在介质中传播•在地下介质的电特性有变化的地方发生反射(即散射)•接收机拾取“背散射”信号，记录它并将其显示在计算机屏幕中4.GPR基本方法原理’SMAKEITVISIBLETime[ns]Depth[m]?Length[m]4.GPR基本方法原理’SMAKEITVISIBLE孔中雷达4.GPR基本方法原理’SMAKEITVISIBLE4.GPR基本方法原理速度(地面雷达)CMP,commonmidpointmeasurement（共中心点）WARR,wideanglereflectionrefraction（宽角反射折射）给出速度剖面用于把时间记录转换成深度需要可分离天线(Tx发射/Rx接收)RAMAC/GPR比竞争对手的优势’SMAKEITVISIBLE4.GPR基本方法原理层析成像(钻孔雷达)’SMAKEITVISIBLE4.GPR基本方法原理实际使用时，最常用的方法是做一条剖面在剖面中寻找一个已知点（如管线、钻孔等），通过已知目标物的深度计算出速度，然后得出其它地下物体的速度。V=2d/t速度探测’SMAKEITVISIBLE5.RAMAC/GPR系统示意图触发信号触发信号数据’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性要探测的介质的电特性，决定雷达方法是否适用。在用雷达进行地质勘探时，水是决定电特性的最主要的因素。电导率(穿透深度…)相对介电常数(对比度,信号速度,“足印”…)水(与上面参数有关)’SMAKEITVISIBLE传导电流:Jc=sEs=电导率(S/m)s=1/r(电阻率,Wm)电导率是一个物体传导电流的能力（或电荷在介质中流动的难易程度）如:-电子在金属板内-水中离子的移动NoE-fieldE-fieldapplied6.地下介质的电特性NoE-field’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性GPR信号的穿透深度与土壤的电导率有关(低致金属目标体):0204060801001200,512481632土壤电导率mS/mDepth(feet)01020302551535Depth(meter)’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性土壤中的水含量与电导率-8-7-6-5-4-3-2-10051015202530水含量(水的重量/土壤重量)电导率的对数(mS/m)’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性频率[MHz]用途探测深度[m]10地质,土工,采矿….50-6025地质,土工,采矿….40-5050地质,土工,河流,湖泊,环境….30-40100地质,土工,河流,湖泊,环境,土壤….20-30200-250浅层地质,土木工程,公用事业,考古,河流,湖泊,土壤,环境…10-15350-500土木工程,公用事业,考古,空洞,管线探测,雪和冰的厚度可达7.5800混凝土,空洞,路面,桥梁,公用事业,未知物体,管线探测,雪和冰的厚度可达2.5’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性关于电导率和GPR探测的有用建议:“当地下介质(寄主)的电导率大于10mS/m(或小于100Ohmm),GPR不是一个合适的方法”’SMAKEITVISIBLE从好的低电导率土壤(石英沙)中得到的雷达剖面从高电导率土壤（粘土）中得到的雷达剖面。可见信号衰减较大。6.地下介质的电特性’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性极化电流:D=eEe=介电常数(F/m)er=e/e自由空间(标量)相对介电常数的值表示将介质中电荷分开的力。如:-分子偶极子的移动一些分子的特性-金属物体中的电荷嵌在周围环境内NoE-fieldE-fieldappliedNoE-field’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性相对介电常数和GPR信号速度的关系:v=介质中GPR信号的速度c=光速er=相对介电常数’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性相对介电常数和“足印”的关系:“足印”定义为探测的“有效区域”’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性反射系数:电磁波反射是由地下土壤中电阻抗的变化产生的。对GPR频率范围，地下介质的阻抗变化主要由相对介电常数的变化决定的。rzzzz()()2121z11z22zjjjf12magneticsuseptibilitydielectricconstant此处:z1=第1层的阻抗z2=第2层的阻抗r=反射系数’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性当Pr0.01时就能有足够的反射反射系数:对GPR,反射系数近似等于“反射能力”(Pr)’SMAKEITVISIBLE列表值:•取自科学文献•列表中的值可以给出有用信息，得出雷达方法是否适用v(rel.)ms/mm/nsdB/mAir100,30Freshwater800,50,0330,1Seawater803x10e40,011000Drysand3-50,010,150,01Saturatedsand20-300,1-10,060,03-0,3Limestone4-80,5-20,120,4-1Shales5-151-1000,091-100Silt5-301-1000,071-100Clay5-402-10000,061-300Granite4-60,01-10,130,01-1Ice3-40,010,160,016.地下介质的电特性’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性02040608010011020304050607081%水含量相对介电常数水含量与相对介电常数:多数干燥的地下介质，其相对介电常数值10水的相对介电常数是81’SMAKEITVISIBLE6.地下介质的电特性介质电导率S/m相对介电常数速度(m/µs)空气01300干沥青0.01-0.12-4212-150湿沥青0.001-0.16-12122-86干粘土0.1-12-6212-122湿粘土0.1-15-40134-47干煤0.001-0.013.5160湿煤0.001-0.18106干混凝土0.001-0.014-40150-47湿混凝土0.01-0.110-2095-67淡水10-0.018133淡水冰10-104150干花岗岩10-105134湿花岗岩0.001-0.017113干灰岩10-107113湿灰岩0.01-0.18106永久冻土10-0.014-8150-10664386865典型介质的相对介电常数,电导率和电磁波速度的列表’SMAKEITVISIBLE介质电导率S/m相对介电常数速度(m/µs)干结晶盐10-0.014-7150-113干沙10-0.0012-6212-122湿沙0.001-0.0110-3095-54干砂岩10-102-5212-134湿砂岩10-0.015-10134-95海水1008133海水冰0.01-0.14-8150-106干页岩0.001-0.014-9150-100饱和页岩0.001-0.19-16100-75硬雪10-106-12122-86粘性干土0.01-0.14-10150-95粘性湿土0.001-110-3095-54干壤土10-104-10150-95湿壤土0.01-0.110-3095-54干沙土10-0.014-10150-95湿沙土0.01-0.110-3095-544