探地雷达方法原理简介 1 一 探地雷达的基本概念二 发展历史及现状三 方法特点及应用领域四 电磁理论基础及雷达波场特征 2 一 探地雷达的基本概念 图1探地雷达原理 电磁脉冲在地层介质中的旅行时间为雷达记录中波的旅行时间是以纳秒 ns 为单位 雷达波速以米 纳秒 m ns 为单位 3 关于这一方法的名称 ground penetratingradar ground probingradar Georadar subsurfaceradar surfacepenetratingradar Impulseradar 目前国际会议与刊物上常用 ground penetratingradar GPR Georadar 4 反射剖面法探测工作方式 反射剖面法 5 探地雷达数据采集方式 1 反射剖面法 6 横穿两隧道顶部的探地雷达剖面 7 探测古河道的探地雷达剖面 8 2 共中心点 CMP 或宽角反射折射法 WARR 9 采用共中心点 CMP 法进行速度测量的过程 10 ACMPRadarrecord 11 3 透射法 12 连续测量与离散测量 连续采样概念 13 Illustrationofdiscreteandcontinuousmeasurementwithequalspatialsamplinginterval Thetwomodesgiveequivalentresultswhengroundresponsevariesslowlywithrespecttothesamplinginterval 14 Examplesofcontinuousdataacquisitionatspeedof3 5km h topleftfig 7km h topright 14km h bottomleft and28km h bottomright respectively 15 二 发展历史及现状 电磁学发展过程简介 1785年 库仑研究电荷之间的相互作用 1786年 伽伐尼发现了电流 1820年 奥斯特发现了电流的磁效应 1831年 法拉第发现电磁感应现象 1864年 麦克斯韦总结出了麦克斯韦方程组 提出了光的电磁理论 并预言了电磁波的存在 1888年 赫兹证实了电磁波的存在 16 GPR技术发展历史1904 H lsmeyer提出采用电磁信号确定遥远地表的金属物体的存在 1910 德国人G leimbach L wy以专利形式提出用电磁波技术探测地下埋设体 1926 H lsenbeck第一个采用脉冲电磁技术确定地下埋设体的结构 他指出 介电系数的差异也同样会产生反射 同时由于容易制造电磁辐射的定向源 故有优于地震方法的长处 17 1930 1950 极地探险发现冰的电磁波 透明性 美国人AmoryWaite开发无线电回波测深技术用于南极冰川厚度测量 1950 1960 极地冰川探测 冰川冻土研究 煤及岩盐矿等介质的探测 1970年代初期 Apollo登月计划 美 加两国联合运用安装在月球轨道飞行器上的脉冲雷达探测对月表结果进行探测研究 1970 1980 GSSI SSI等国际著名的探地雷达开发与制造公司成立 1980以后 18 PulseEKKOIVradarsystem 1 加拿大Sensor SoftwareInc EKKO系列 19 GPRfieldsurveywithEKKO100system 20 GPRfieldsurveywithEKKO100system 21 PulseEKKOPROThisnextgenerationGPRisthemostpowerfulandflexiblecommercialGPRsystemintheworld 22 23 24 探地雷达系统按使用天线的中心频率可分为 高频雷达 200兆赫芝 2500兆赫芝低频雷达 10兆赫芝 200兆赫芝高频与低频雷达系统的功用不同高频雷达主要用于检测低频雷达主要用于勘探 探地雷达系统分类及功用 25 为什么要配置多种中心频率的天线 26 27 28 29 30 GSSI 50MHzantennahousingunitsspaced4 4mApartandundertowbyatrackedvehicle InvestigategroundwaterandbedrockinanareaofDiscontinuouspermafrost 31 SIR 20Radarconsole GSSI 32 GSSI探地雷达3000型 400MHZ屏蔽天线 33 SPRscanradarsystem ERATechnology U K 4 国外其它系列探地雷达系统 34 SeekerSPR探地雷达系统其前身是英国ERA航空电子工程公司开发研制 能探测非金属塑胶地雷 现由美国USRadar SubsurfaceImagingSystems公司进一步开发研究 天线主频 2G 1G 500M 250M系列天线 系统动态范围 130dB时间窗范围 6 3 820ns 35 英国UTSIELECTRONICS公司Groundvue系列 Groundvue5 2 6G Groundvue6 15M 36 意大利IDS公司的RIS探地雷达系统 DETECTOR数字化管线雷达 37 38 瑞典Radarteam公司CobraPlug in探地雷达系统 SUBECHO 150 105MHz SUBECHO 40 60MHz SUBECHO 70 80MHz 39 SUBECHO 150 105MHz机载 SUBECHO 350 300MHz机载 SUBECHO 250 500MHz 40 SUBECHO 350 300MHz 空气耦合天线 41 国内探地雷达介绍 LTD系列探地雷达由中国电波传播研究所自主研发 系统由LTD 2100探地雷达主机 GC900MHz GC400MHz屏蔽天线 AL1 5GHz车载喇叭天线 LTD系列探地雷达 中国电波传播研究所 42 主频为900MHz高频天线 43 44 深层探地雷达 突破了高功率脉冲产生技术 射频前端增益控制技术 低频宽带天线小型化设计等关键技术 研制出低频深层探地雷达工程样机 天线中心频率包括100MHz 50MHz和25MHz等 与国外多个同类产品相比 该样机发射机与接收机之间没有同步电缆 接收机通过USB接口与笔记本电脑进行数据传输 也可以通过WiFi或蓝牙方式传输数据 而且接收机功耗低 直接用笔记本电脑的USB接口供电 使用方便 独特之处 发射天线和接收天线之间无电缆 发射机输出脉冲幅度大于3000V 中科院电子所探地雷达系统 45 中科院电子所探地雷达系统 46 中浅层探地雷达工程样机 47 三维探地雷达技术介绍 由美国3D Radar公司推出 采用阵列天线技术 可以设置多通道 进行高速扫描 实现高分辨勘探适合与高速公路及城市道路快速扫描检测 特点 主机采用数字频率步进式技术 天线采用电子扫描无线阵列技术 实时三维显示测试数据及分析结果 适合高分辨道路无损检测 48 3dRadarASwww 3d sales 3d thegroundisnolimit 49 单道记录 一维 1 D 概念 t1 2 深度 时间关系 d1 t1 v 2 v Velocity 50 x t 雷达剖面 二维 2 D 概念 51 数据体 DATACUBE 三维 3 D 概念 52 3d RadarPrincipleofOperation GeoScopeRadarUnit OperatorPC 12 24V DC y x Time ns or depth z GPSantenna Optional Surveywheel odometer GPSReferenceStation Optional 53 GeoScopeTMMkIV3 dimensionalGPR频率步进式雷达系统SingleTransmitter DualReceiver50MHz 3050MhzGPS TotalStationinterface VX 系列超宽带天线阵列200MHz 3 0GHz9 41通道 75mm间隔0 9 3 3m覆盖宽度内置GPS粗略定位 3d RadarCoreGPRProducts US Pat 7 170 449NorwegianPatent NO0 316 658 EU Appl No 0375676 8 approved 54 GeoScopeMKIVStep frequencyRadar Step frequencytechnology 频率步进式技术 在频率域采集数据 信号穿透深度与分辨率达到最佳组合ExcellentSignaltoNoiseRatio在更大的深度获得更高分辨率成像FlexiblescanpatternsandHighscanrates能够以车辆行驶速度进行道路检测 现场工作耗时较少VX Seriesantennaarrays Airlaunched 7 5cmspacing uniformresponse 高密度三维影像 55 VX Seriesmulti channelantennaarraysMountingoptionsandaccessories Trailermount Vehiclefront Vehicleback 56 道路检测铁路道渣层机场跑道及滑道检测路面设施检测 管道 电缆 考古调查地雷 未知爆炸物及犯罪证据调查 ApplicationAreas 57 EV6 HP8 Melhus S r Tr ndelag Drainageculverts 58 桥面检测 Depth14cm Reinforcement 59 Depth24cm Delamination 脱层 桥面检测 60 Railwayapplications 61 Measurements ballastthicknessbaselayerscablesandpipes Ballast Bedrock RailwayBallastInspection 62 RailwayBallastInspection 63 AirfieldInspection Measurements asphaltthicknessbaselayersvoidscablesandpipes Airfieldpavement subsidencecracking 64 Runwaysection 43cmdepth Concretehasbeentrenched Point likeanomalies AirportRunwayInspection 65 EKKO多通道地雷探测系统 66 LTD多通道公路检测探地雷达系统 67 三 方法特点及应用领域 68 1 探地雷达与地震方法的相似之处 探地雷达所采用的电磁波频率很高 雷达波在通常的目标介质中传播时以位移电流为主 并满足波动方程 因此 探地雷达方法与地震方法具有相似之处 二者均采用脉冲源激发波场 雷达波与地震波在地下介质中传播均满足波动方程 二者都是通过记录来自目标介质内部物性 电性或弹性 分界面上的反射波或透射波来探查介质体内部结构或确定目标体位置 由于雷达波与地震波在运动学上的相似性 当探地雷达与地震勘探采用相似的数据采集系统工作时 可 借用 目前地震勘探中已发展成熟的数据处理与显示技术来处理和显示探地雷达数据 探地雷达方法的基本特点 69 探地雷达方法的基本特点 1 探地雷达剖面分辨率高 其分辨率是目前所有地球物理探测手段中最高的 能清晰直观地显示被探测介质体的内部结构特征 2 探地雷达探测效率高 对被探测目标无破坏性 其天线可以贴近或离开目标介质表明面进行探测 探测效果受现场条件影响小 适应性较强 3 抗干扰能力强 探地雷达探测不受机械振动干扰的影响 也不受天线中心频段以外的电磁信号的干扰影响 4 探地雷达具有定向探测特征 70 自由空间电偶极子天线辐射方向图 71 置于地表面偶极天线辐射特征 7