探地雷达培训课件

n 2 sin 2 i )
（ 2 .4 -3 1）
其中 n表示折射率， n
2
* 2
/
1
* 1
。
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下 面 讨 论 不 同 入 射 角 时 ， 反 射 系 数 R 12 与 折 射 系 数 T 12 的变化规律。
1 ． i 0 ， 即 垂 直 向 射 ， 此 时
R 12 ( 1 n ) /( 1 n ); T 12 2 /( 1 n ) 。 当 n 1 时 ， ， R 12 0
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图2.4.34 灰岩与覆盖 地层的探地雷达图像
2．岩溶地区的探地雷达探测
岩溶（又称喀斯特）是指碳酸盐岩等可溶 性岩层受水的化学和物理作用所产生的沟槽裂 隙和空洞，以及由于空洞顶板塌落使地表产生 陷穴、洼地等现象和作用的总称。
（1）节理裂隙岩溶
图2.4.36为湖北黄石某地裂隙溶蚀带的探地 雷达图像。
质来说，其电磁波传播速度 主要取决于介质的介 电常数。
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2． 电 磁 波 在 介 质 中 的 吸 收 特 性
吸 收 系 数 决 定 了 场 强 在 传 播 过 程 中 的 衰 减 速 率 ， 探 地 雷 达 工 作 频 率 高 ，在 地 下 介 质 中 以 位 移 电 流 为 主 ， 即 / 1 ， 这 时 的 近 似 值 为
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图 2.4.43 1#管超前预报环形剖面雷达图像 1#顶 管 面 前 方 10~14.5m 有 孤 立 的 接 近
0.3m 的块石
图 2.4.44 1#管 线 地 表 剖 面 雷 达 图 像
4.5 探地雷达
探地雷达（Ground Penetrating Radar简 称GPR）是用频率介于106～109Hz的无线电 波来确定地下介质分布的一种方法。
对称振子型调幅脉冲时域探地雷达输出 功率大，能实时监测测量结果，设备可做成 便携式等优点，在商用地面探地雷达中，已 得到广泛应用。下面主要介绍这种探地雷达。
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1． 电 磁 波 在 介 质 中 的 传 播 速 度
探地雷达测量的是地下界面的反射波的走时，为了 获取地下界面的深度，必须要有介质的电磁波传播速度 v，其值为
v [ ( 1 ( ) 2 1 )] 1 / 2
2
（ 2 .4 -2 7 ）
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； T 12 1
与 反 E r Ei
向
，
Hr 与
H i同
向
。
当 n1 时
，
则
与
上述情况相反。
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2 ． sin i n , t 90 。 于 是 折 射 波 沿 界 面 在
介 质 2 中 “ 滑 行 ”， 并 折 向 第 1 介 质 ， 而 无 向 下 传
播 的 波 。 这 时 的 入 射 角 称 为 临 界 角 c 。
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令 R 12 E r / E i , T 12 E t / E i ， 分 别 表 示 波 从 介 质 1 入 射 到介质 2时界面的反射系数和折射系数。
R 12 (cos i n 2 sin 2 i ) /(cos i T 12 2 cos i /(cos i n 2 sin 2 i )
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4.5.2.4 探地雷达测量的设计
1．目的体特性与所处环境分析 （1）天线中心频率选择 （2）时窗选择 （3）采样率选择 （4）测点点距选择 （5）天线间距选择
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4.5.3 探地雷达的数据处理与资料解释
4.5.3.1 探地雷达的数据处理
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 的处理。
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4.5.4探地雷达的应用
4.5.4.1在工程地质勘察中的应用
1．基岩面的探地雷达探测
广州××花园。第四系地层覆盖在基岩 （灰岩）上。第四系地层为淤泥、粉质粘土 与砂，比较松软；其下为灰岩，有较高的承 载力。建筑物拟采用预制桩桩基础。图2.4.34 为该场地地层的探地雷达图像，
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0 0.5 3104 0.01 0.1~1.0 0.5~2 1~100 1~100 2~1000 0.01~1 0.01~1 0.01
0.3 0.033 0.01 0.15 0.06 0.12 0.09 0.07 0.06 0.13 0.13 0.16
0 0.1 103 0.01 0.03~0.3 0.4~1 1~100 1~100 1~300 0.01~1 0.01~1 0.01
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4.5.3.3 探地雷达的资料解释方法
（补充速度的求取） 1．时间剖面的解释方法 （1）反射层的拾取 （2）时间剖面的解释 2．资料解释的专家系统介绍 (1）对雷达图像信息进行反褶积处理。 （2）利用自动识别系统 （3）根据专家领域知识进行地层性质判别
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4.5.2.2 探地雷达的技术参数
1．分辨率 分辨率是方法分辨最小异常体的能力。分辨 率可分为垂向分辨率与横向分辨率。 （1） 垂向分辨率 一般把地层厚度b=λ／4作为垂直分辨率的下限。 （2）横向分辨率
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rf h / 2
（ 2.4-37）
2． 探 测 距 离 与 探 距 方 程
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图2.4.37 溶蚀沟的探地 雷达图像
4.5.4.2 在地基基础施工中的应用
1．探地雷达在桩基础施工障碍成因调查中的 应用
图2.4.39为基岩破碎带的探地雷达图像特征。
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图2.4.39 基岩破碎带探地雷达图像
（2）桩基础下异常性质判断
本场地为紧靠长江的滩地，为防洪在地表下填 充了大量杂填土。当杂填土中存在建筑垃圾等 杂物时，便形成了与周围介质差异极大的强、 宽反射波，这类异常没能在周围测线形成有规 则的排列，故定为硬性杂物，见图2.4.41（a）。
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绝 大 多 数 岩 石 介 质 属 非 磁 性 、非 导 电 介 质 ，常 常 满
足
1 ， 于 是 可 得
v c r
（ 2 .4 -2 8 ）
式 中 c 为 真 空 中 电 磁 波 传 播 速 度 ， c 0 .3 m/ns; r 为 相 对 介 电 常 数 。上 式 表 明 对 大 多 数 非 导 电 、非 磁 性 介
2
（ 2 .4 -2 9 ）
即 与导电率成正比，与介电常数的平方根成正 比。
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表 2 .4 .2 列 出 了 一 些 常 见 介 质 的 相 对 介 电 常 数 、 导 电 率 、传 播 速 度 与 吸 收 系 数 。注 意 高 阻 与 低 阻 介 质
的 r、 、 、 的 不 同 。
当杂填土堆积比较疏松，形成杂填土中的不密 实区，这类填土可能是生活垃圾等细软物质， 形成同相轴杂乱的反射波，见图2.4.41（b）。
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图2.4.41 三种地下异常的探地雷达图像
（2）地下顶管前方障碍物探查
图2.4.43为1#管超前探测环形剖面雷达图像， 图2.4.44为1#管线地表剖面的雷达图像
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图2.4.36 裂隙岩溶的探地雷 达图像
（2）溶蚀沟槽
灰岩长期出露地表时，其表面遭受风化后 强度降低。灰岩表面地形变化剧烈的地方，会 由于地表的大径流，使其表面受强烈侵蚀而形 成溶沟、溶槽。
图2.4.37为广州花都市某处溶蚀沟的探地 雷达图像。
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目前常用的时域探地雷达测量方式有剖面法 和宽角法两种。
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l．剖面法与多次覆盖
（1）剖面法
剖面法是发射天线（T）和接收天线（R） 以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。
（2）多次覆盖
应用不同天线距的发射——接收天线在同 一测线上进行重复测量．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。
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2． 宽 角 法 或 共 中 心 点 法
t2 x2 4h2 v2 v2
（ 2.4-36）
利用宽角法或共中心点法测量所得到的地下 界 面 反 射 波 双 程 走 时t ， 由 公 式 （ 2.4 -36 ） 就 可 求 得 到地层的电磁波速度。
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Qs
10
lg[ W min WT
]
（ 2.4-38）
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雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗 Q 可由 雷达探距方程来描述。
Q 10 lg( t r G t G r g 2 e 4 r ) 64 3 r 4
（ 2 .4 -3 9）
满 足 Q s+ Q > 0 的 距 离 r ， 称 为 探 地 雷 达 的 探 测 距 离 ，亦 即 处 在 距 离 r 范 围 内 的 目 的 体 的 反 射 信 号 可 以为雷达系统所探测。
Байду номын сангаас
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表 2.4.2 介 质 相 对 介 电 常 数 r 、 导 电 率 、 速度 与 吸 收 系 数
媒质
r
(mS/m)
(m/ns )
(dB/m)
空气 淡水 海水 干砂 饱和砂 石灰岩 泥岩 粉砂 粘土 花岗岩 岩盐
冰
1 80 80 3~5 20~30 4~8 5~15 5~30 5~40 4~6 5~6 3~4