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1、第三讲 地 质 雷 达,中国矿业大学,刘志新,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,在隧道开挖、煤矿生产及地面工程建设中经常遇到复杂的地质异常，给施工带来困难，尤其是穿过老窑、软弱破碎带、岩溶区，或者煤与瓦斯突出的危险区域，若事先未能探查清楚往往造成塌方、涌水或煤与瓦斯突出等事故，影响安全生产。在地面工程地质勘探中，要求实施大面积、高密度精查勘探，这就对地质探测手段提出了高的要求。实践证明，应用矿井地质雷达进行探测，简便快捷，机动灵活，能较好而准确地提供资料，取得较好效果。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,探地雷达（Ground Penetrating Radar
2、）是一种高科技的地球物理探测仪器，目前已经广泛的应用于高速公路，机场的路面质量检测；隧道，桥梁，水库大坝检测；地下管线，地下建筑的检测等诸多的工程领域。 探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接受来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断地下介质的分布情况。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,对地下雷达探测目标的解释,离不开必要的地质理论和地质工程知识，更确切地说，探测地下目标的雷达系统应称为“地质雷达系统”(Geologic
3、radar system)。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,一、基本原理,地质雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线(Tx)组成。通过发射天线电磁波以6090的波束角向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端将两种显示出来。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,图1地质雷达探测原理示意图,2009.10,中国矿业大学
4、。地球探测与信息技术,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走时t，由上式求得目标体的深度z。式中x值即收发距，在剖面测量中是固定的；v值可用宽角法直接测量，也可以根据近似计算公式：,c为光速；,为地下介质的相对介电常数。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,常见介质的 和,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确定。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑色和白色表示，或以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射界面。
5、在波形记录上，各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,由于探地雷达的电磁波主要是在非理想介质中传播的所以其衰减的速度非常快，这构成了雷达应用的主要障碍，即探测的深度有限。电磁波的电场强度随着距离的衰减规律是：,其中为 介质的吸收系数，它与介质的电性和频率有关，根据计算可以写为,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,趋肤深度,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,二、雷达仪器介绍,国外 美国GSSI公司的SIR系列雷达（ 美国劳雷公司代理销售） 瑞典MALA公司的RAMAC/GPR雷达系列 加拿大Sensrs&S
6、oftware公司pulse EKKO型探地雷达 国内 发展状况是：首先通过引进国外的雷达仪器，进行研究和应用，然后开发拥有自主知识产权的自己的雷达产品。目前，国内使用最多的雷达大多是美国GSSI公司生产的。国内有电子部22所，航天部爱迪尔公司、骄鹏公司和中国矿大（北京）四家单位相继推出了自己的雷达产品。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.1 SIR雷达介绍,该型号探地雷达仪器的特点是：系统高度集成化、数字化，操作简单化，天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辨率高，具有实时数据处理和信号增强，现场实时显示二维彩色图像。其配置的探测天线系列化，可应用与各类地下目的体及目的层的检测与
7、探测。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.1 SIR雷达介绍,SIR-20高速高精度多通道透视雷达,SIR-3000便携式透地雷达,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,100MHz,400MHz,2.1 SIR雷达介绍,200MHz,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,900MHz,1200MHz,2.1 SIR雷达介绍,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.1 SIR雷达介绍,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.1 SIR雷达介绍,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.2 瑞典探地雷达（RAMA
8、C/GPR）,主要特点 1. 高集成化、真数字式、高速 、轻便。 2. 系统集成化程度高，体积小、重量轻（主机重量仅为2.4公斤）。3. 功耗低，主机功耗仅为25W；系统耗电量低，不需电瓶供电， 为野外工作提供方便。4. 天线与主机之间采用光纤连接，频带宽、速度快、数据质量好、 抗干扰能力强，因此发射机、接收机及主机之间不会相互干扰。5. 100兆、250兆、500兆、800兆及1000兆天线采用屏蔽方式，因 此其抗干扰能力强。6. 主机与计算机之间采用ECP并口传输方式，数据传输速度快。7. 主机可与低频、中频、高频天线全部兼容，同时与孔中天线也 兼容，因此性能价格比高，为用户添置新天线节约
9、资金。8. 显示方式采用外接笔记本方式。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.2 瑞典探地雷达（RAMAC/GPR）,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.2 瑞典探地雷达（RAMAC/GPR）,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.2 瑞典探地雷达（RAMAC/GPR）,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.2 瑞典探地雷达（RAMAC/GPR）,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,RAMAC/GPR非屏蔽天线是低频天线，主要用于深层探测，该天线只能与CUII主机配合使用。典型的非屏蔽天线有25MHz、50MHz
10、、100MHz、200MHz天线。所有的RAMAC/GPR非屏蔽天线均使用同样的发射机及接收机、光纤、玛拉测链、天线分离架及主控单元。天线重量轻，适用于单人操作。收、发天线容易分离，可以采用CMP法（共中心点）计算速度。 非屏蔽天线可应用于土木建筑、地质学及水文地质学等。,2.2 瑞典探地雷达（RAMAC/GPR）,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.3 加拿大EKKO型雷达,The pulseEKKO 100(1000) system provides shielded, full bi-static operational capability. The ability
11、to move the antennas independently allows both simple reflection profiling surveys as well as CMP, multi offset and transillumination experiments to be conducted. The versatility of the system allows for variation in polarization as well as a number of other geometrical transducer configurations.,EK
12、KO-100型,EKKO-1000型,400MHz,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.4 中国电波传播研究所青岛分所：LTD-3,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2.4 中国电波传播研究所青岛分所：LTD-3,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,三、野外工作方法,探地雷达的野外工作，必须根据探测对象的状况及所处的地质环境并选择合适的测量参数，才能保证雷达记录的质量。,1）、剖面法 2）、多次覆盖 3）、宽角法,3.1 测量方式,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,1）、剖面法,剖面法是发射天线(T)和接收天线(R)以固定间距沿测
13、线同步移动的一种测量方式，当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线与接收天线合二为一时称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为反射波双程定时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各反射界面的形态。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2） 、多次覆盖法,由于介质对电磁波的吸收，来自深部
14、界面的反射波会由于信噪比过小而不易识别。这时可应用不同天线距的发射接收天线在同一测线上进行里复测量，然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,3） 、宽角法,当一个天线固定在地面某一点上不动，而另一个天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方式称为宽角法。,这种测量方式的目的是求取地下介质的电磁波传播速度。,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,3.2 探地雷达的技术参数,
15、2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,3.2 探地雷达的技术参数,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,探地雷达数据处理的目标是压制随机的和规则的干扰，以最大可能的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用的参数(包括电磁波速度，振幅和波形等)来帮助解释。探地雷达与反射地震都依靠脉冲回波信号，其子波长度都由发射源控制。脉冲在地下传播过程中，能量均会产生球面衰减，也会由于介质对波的能量的吸收而减弱，在地下介质不均时还会发生散射、反射与透射。因此数字记录的探地雷达数据类似于反射地震数据，反射地震数字处理许多有效技术通过某种形式改变均可以应用于探地雷达资料的处
16、理。,四、数据处理与资料解释,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,四、数据处理与资料解释,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.1 数字滤波,矿井地质雷达在测量过程中，为了保留尽可能多的信息，常采用全通的记录方式，这样有效波的干扰就被同时记录下来，为了去除数据中的干扰信号，需要采用数字滤波的方法。数字滤波就是根据数据中有效信号和干扰信号频谱范围的不同来消除干扰波。 如果有效信号的频谱分布与干扰信号的频谱有一个比较明显的分界，那么可根据具体的干扰信号的分布，设计一个合理的滤波器，将其滤除，就得到了滤波以后的结果，根据干扰信号的频谱分布的不同，可以采取低通、高通或带通的方法。,四、数据处理与资料解释,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.1 数字滤波,如果噪音的频谱分布只有高频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除：,式中 是高截频率。,1）低通滤波,四、数据处理与资料解释,2009.10,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.1 数字滤波,2）高通滤波,如果噪音的频谱分布只有低频成分，那么可采用如下的滤
