【正文】 量參數(shù)選擇 測(cè)量參數(shù)選擇合適與否關(guān)系到測(cè)量的效果。網(wǎng)格大小等于目的體尺小。 (1)管線方向已知，測(cè)線應(yīng)垂直管線長(zhǎng)軸；如果方向未知，則應(yīng)采用方格網(wǎng)。當(dāng)圍巖與目的體相對(duì)介電常數(shù)分別為 εr1與 εr2時(shí)，目的體功率反射系數(shù)的估算式為 : 2121rrrrR???????一般來(lái)說(shuō)目的體的功率反射系數(shù)應(yīng)不小于 。 (3)目的體的電性 (介電常數(shù)與導(dǎo)電率 )必須搞清。 (5)測(cè)區(qū)的工作環(huán)境 必須稿請(qǐng)。如果目的體為非等軸狀，則要搞清目的體走向、傾向與傾角，這些將關(guān)系到測(cè)網(wǎng)的布置。目的體尺寸包括高度、長(zhǎng)度與寬度。雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)距離可根據(jù)雷達(dá)探距方程進(jìn)行計(jì)算。 (1)目的體深度 是一個(gè)非常重要的問(wèn)題?？梢?jiàn)，高頻電磁波的電磁場(chǎng)，集中在良導(dǎo)體表面的薄層內(nèi)，相應(yīng)的高頻電流也集中在該薄層內(nèi)流動(dòng)。電磁波透入導(dǎo)體內(nèi)的深度稱(chēng)為穿透深度，或趨膚深度： ??? 2?這表明電磁波進(jìn)入良導(dǎo)體的深度是其波長(zhǎng)的 1/2π 倍，高頻電磁波透入良導(dǎo)體的深度很小。 滿(mǎn)足 Qs+Q0的距離 ，稱(chēng)為探地雷達(dá)的探測(cè)距離，亦即處在距離 r 范圍內(nèi)的目的體的反射信號(hào)可以為雷達(dá)系統(tǒng)所探測(cè)。經(jīng)過(guò)十幾年的研制攻關(guān)，在雷達(dá)硬件設(shè)備、信號(hào)處理、目標(biāo)成像等方面取得重大進(jìn)展和突破，特別是成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下目標(biāo)的三維層析成像，大大提高了分辨率和清晰度，使探地雷達(dá)在信號(hào)處理和成像技術(shù)方面進(jìn)入了世界領(lǐng)先行列 二、雷達(dá)技術(shù)的研究及探測(cè)儀器的發(fā)展 工程與環(huán)境物探專(zhuān)題 地質(zhì)雷達(dá) 14 ? 加拿大 Sensor amp。隨著科學(xué)技術(shù)理論與應(yīng)用實(shí)踐，瞬態(tài)無(wú)載頻脈沖雷達(dá)技術(shù)得到了較快的發(fā)展，并在 70年代中進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。隨著人類(lèi)對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的逐步深化，人們對(duì)地下世界的探知要求變得越來(lái)越迫切與深入?？梢?jiàn)在高導(dǎo)介質(zhì)有關(guān)，但與、與時(shí)，當(dāng)????? ? ?????f2/1/ ???11 3. 電磁波的反射系數(shù) 電磁波在傳播過(guò)程中，遇到不同的阻抗界面時(shí)將產(chǎn)生反射波和透射波，其反射與透射遵循反射與透射定律。 10 2 ．電磁波在介質(zhì)中的吸收特性 吸收系數(shù) β 決定了場(chǎng)強(qiáng)在傳播過(guò)程中的衰減速率， 探地雷達(dá)工作頻率高，在地下介質(zhì)中以位移電流為主，即 1/ ????? ，這時(shí) β 的近似值為 ： ????2?? 即?與導(dǎo)電率成正比，與介電常數(shù)的平方根成 反 比。 ??c為相對(duì)介電常數(shù)。 工程與環(huán)境物探專(zhuān)題 地質(zhì)雷達(dá) 6 探地雷達(dá)工作原理示意圖 發(fā)射天線接收天線直達(dá)波目標(biāo)體反射波7 ? 超高頻電磁波（ 10MHz－ 5000MHz） ? 由于地下介質(zhì)往往具有不同的物理特性，如介質(zhì)的介電性、導(dǎo)電性及導(dǎo)磁性差異，因而對(duì)電磁波具有不同的波阻抗，進(jìn)入地下的電磁波在穿過(guò)地下各地層或管線等目標(biāo)體時(shí)，由于界面兩側(cè)的波阻抗不同，電磁波在介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射，反射回地面的電磁波脈沖其傳播路徑、電磁波場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，因此，從接收到的雷達(dá)反射回波走時(shí)、幅度及波形資料，可以推斷地下介質(zhì)或管線的埋深與類(lèi)型。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨通過(guò)介質(zhì)的電性特征與幾何形態(tài)而變化。 5cm。 探地雷達(dá) 探測(cè)所使用的中心工作頻率在 10~5000MHZ范圍時(shí)窗在 0~20200ns， 電磁場(chǎng)以波動(dòng)形式傳播，為輻射場(chǎng)法。 地下埋設(shè)物，古墓遺跡等探查 。 水文地質(zhì)調(diào)查 。 煤礦井探測(cè)，泥炭調(diào)查 。 冰川和冰山的厚度等探測(cè) 。 脈沖時(shí)域探地雷達(dá) 輸出功率大，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量結(jié)果，設(shè)備可做成便攜式等優(yōu)點(diǎn)，在商用地面探地雷達(dá)中，已得到廣泛應(yīng)用。與探空或通迅雷達(dá)技術(shù)類(lèi)似， 探地雷達(dá)也是利用高頻電磁脈沖波的反射探測(cè)目的體及地質(zhì)現(xiàn)象的，它是從地面向地下發(fā)射電磁波來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)目的，故亦稱(chēng)之為 探地雷達(dá) 或地質(zhì)雷達(dá)（ Grannd Perating Radar, GPR）。 3 探地雷達(dá) 雖然與探空雷達(dá)一樣利用高頻電磁波束的反射來(lái)探側(cè)目標(biāo)體，但是探地雷達(dá)探測(cè)的是在地下有耗介質(zhì)中的目的體，因此形成了其獨(dú)特的發(fā)射波形與天線設(shè)計(jì)特點(diǎn)。 是一種對(duì)下的或結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不可見(jiàn)的目標(biāo)體或分界面進(jìn)行定位或判別的電磁波探測(cè)技術(shù) 工程與環(huán)境物探專(zhuān)題 地質(zhì)雷達(dá) 2 探地雷達(dá) 具有以下技術(shù)特性，使其在許多領(lǐng)域尤其是工程地質(zhì)領(lǐng)域的得到廣泛應(yīng)用。1 電磁波法探測(cè)技術(shù) — 地質(zhì)雷達(dá) 地質(zhì)雷達(dá)法、探地雷達(dá)法 GPR（ GroundPeratingRadar）， Georadar, Geo Probing radar 是研究超高頻短脈沖電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。正弦電磁波的傳播特征是探地雷達(dá)的理論基礎(chǔ)。 ，可以安全地用于城市和正在建設(shè)中的工程現(xiàn)場(chǎng)，工作場(chǎng)地條件寬松，適應(yīng)性強(qiáng)； ，可在城市內(nèi)各種噪聲環(huán)境下工作，環(huán)境干擾影響??； ，現(xiàn)場(chǎng)直接提供實(shí)時(shí)剖面記錄圖，圖像清晰直觀； 、記錄、存儲(chǔ)和處理； ，電磁波能量在地下的衰減較強(qiáng)烈，若在高導(dǎo)厚覆蓋條件下，探測(cè)范圍將受到限制。 雷達(dá)探測(cè) 技術(shù)用于地下，是在高頻微電子技術(shù)的以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理方法迅速發(fā)展的近代，才得以極大提高，應(yīng)用領(lǐng)域也迅速開(kāi)拓。 據(jù)已發(fā)表的資料．探地雷達(dá)使用的發(fā)射波形有調(diào)幅脈沖波、調(diào)頻脈沖波、連續(xù)波等；使用的天線有對(duì)稱(chēng)振子天線、非對(duì)稱(chēng)振子天線、螺旋天線、喇叭天線等。 4 探地雷達(dá) 的實(shí)際應(yīng)用范圍很廣，如： 石灰?guī)r地區(qū)采石場(chǎng)的探測(cè) 。 工程地質(zhì)探測(cè) 。 放身性廢棄物處理調(diào)查 。 地基和道路下空洞及裂縫等建筑質(zhì)量探測(cè) 。 隧道、堤岸、水壩等探測(cè)。根據(jù)不同的地質(zhì)條件，地面系列的 雷達(dá)探測(cè) 深度約在30~50m，分辨率可達(dá)數(shù)厘米，深度符合率小于 177。 5 一、基本原理 高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，通過(guò)發(fā)射天線被定向送入地下，經(jīng)存在電性差異的地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，由接收天線所接收。因此，通過(guò)對(duì)時(shí)域波形的采集、處理和分析，可確定地下分界面或地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。 8 1 ．電磁波在介質(zhì)中的傳播速度 探地雷達(dá)測(cè)量的是地下界面的反射波的 走時(shí) ，為了獲取地下 界面的深度 ，必須要有介質(zhì)的 電磁波傳播速度 v ，其值為 2/12)]1)(1(2[????????????v α為相位系數(shù)， σ為導(dǎo)電率（ 1/ρ）， ε為介電系數(shù)，μ為磁導(dǎo)率 9 絕大多數(shù)巖石介質(zhì)屬 非磁性、非導(dǎo)電介質(zhì)， 常常滿(mǎn)足1????? ，于是可得 rcv?? 式中 c 為真空中電磁波傳播速度，rm / n s。 上式表明對(duì)大多數(shù)非導(dǎo)電、非磁性介質(zhì)來(lái)說(shuō)，其電磁波傳播速度 v 主要取決于介質(zhì)的 相對(duì) 介電常數(shù)。 在空氣中， σ =0 ，則β =0 將增大或使用高頻時(shí)，無(wú)關(guān)。反射波能量大小取決于反射系數(shù) R，反射系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式： 2121rrrrR???????12 地下介質(zhì) 相對(duì)介電常數(shù) ε r 導(dǎo)電率 σ(mS/m) 雷達(dá)波速 ν（ m/ns） 衰減系數(shù) β（ dB/m) 空氣 1 0 0 淡水 80 海水 80 30000 1000 干砂 35 飽和砂 2030 石灰?guī)r 48 泥巖 515 1100 1100 粉砂 530 1100 1100 粘土 540 21000 1300 花崗巖 46 巖鹽 56 冰 34 金屬 300 1010 108 PVC材料 常見(jiàn)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)、導(dǎo)電率、傳播速度與吸收系數(shù) 13 利用雷達(dá)對(duì)空間目標(biāo)的探測(cè)已發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，并被廣泛應(yīng)用在各種軍事及民用領(lǐng)域中。早在 1904年德國(guó)人就采用了電磁波探測(cè)地下的金屬物體，到 1956年， 又提出了應(yīng)用無(wú)載頻脈沖雷達(dá)探測(cè)地下目標(biāo)。 我國(guó)從 80年代中期開(kāi)始進(jìn)行探地雷達(dá)技術(shù)的研究和試驗(yàn)，最初用于軍事地雷的探測(cè)。 Software Inc., EKKO (Noggin)系列 ? 美國(guó) GSSI， SIR系列 ? 瑞典 Mala Geoscience Inc., RAMAC系列 ? 意大利 IDS, RIS系列 ? 中國(guó)電磁波傳播研究所 CRIRP， LTD系列 15 EKKO 100增強(qiáng)型 E K K O 1 0 0 0 型 Noggin 250型 EKKO 系列 16 SIR3000型（最新） 匹配天線 SIR 系列 17 3207型 5103型 5100型 Next 美國(guó) GSSI自行生產(chǎn)的天線 18 Subecho 70型 屏蔽天線 900型 屏蔽 Subecho 200型 Radarteam定制的天線 19 X3M型 RAMAC系列 匹配天線 20 屏蔽天線 100型 非屏蔽天線 100型 非屏蔽天線 200型 21 RIS2K/ME型（多道） RIS系列 RIS2K/0型（單道） 22 LTD系列 25MHz 50MHz 100MHz 200MHz 300MHz 500MHz 500M 900M 1000M 23 LTD車(chē)載系統(tǒng) 主機(jī)放入車(chē)內(nèi) 測(cè)距裝置 天線小車(chē) 檢測(cè)用天線 （ 900M、 500M、300M可用） LTD2020車(chē)載公路檢測(cè)儀 （車(chē)載系統(tǒng)探測(cè)速度可達(dá)到 60km/h， 各項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到或超過(guò)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，可用于公路面基層厚度和基層下存在缺陷檢測(cè)） 24 北京愛(ài)迪爾公司的 CBS9000型 地質(zhì)雷達(dá)及天線 25 三、野外數(shù)據(jù)采集 1. 主要技術(shù)參數(shù) 雷達(dá)方程 工程與環(huán)境物探專(zhuān)題 地質(zhì)雷達(dá) 26 ???????? ??????? ?4234264l og10 rfegGGQ rRXTXEXTX????? ????????SM ins PPQ log10探測(cè)距離與探距方程 雷達(dá)系統(tǒng)從發(fā)射到接收過(guò)程中的功率損耗 Q可由 雷達(dá)探距方程 來(lái)描述。 系統(tǒng)增益： 最小可探測(cè)的信號(hào)功率 輸入到發(fā)射天線的功率 27 對(duì)于銅、鐵等良導(dǎo)電媒介質(zhì) ，其電導(dǎo)率 σ 很大，衰減常數(shù) β 也很大，因此，電磁波在良導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播時(shí)，場(chǎng)矢量的衰減很快，電磁波只能透入良導(dǎo)體表面的薄層內(nèi)（電磁波只能在導(dǎo)體以外的空間或電介質(zhì)中傳播），這種現(xiàn)象稱(chēng)為趨膚效應(yīng)。當(dāng)頻率是 100MHz時(shí)， 。 10 cm? ??? 探測(cè)距離 與選用的天線頻率、地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率相關(guān) 28 29 2/hD ?? 分辨率 （分辨最小異常體的能力） 垂向分辨率：區(qū)分一個(gè)以上反射界面的能力 四分之一波