探地雷达数据采集与解释.doc

探地雷达数据米集以及解释山东大学岩土中心第1章.探地雷达简介1. 1工作基本原理探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是利用频率介于 106〜10Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器随着微电子技术和信号处理技术的不断发展，探地雷达技术被广泛应用于工程地质勘察、 建筑结构调查、公路工程质量检测、地下管线探测等众多领域探地雷达的基本原理如图 1所示发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下， 电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射， 接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由电脑以反射波波形的形式记录下来 对所采集的数据进行相应的处理后，可根据反射波的旅行时间、 幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的， 所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、 电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等其中，目标体与介质间的电性差异越大，二者的界面就越清晰， 表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续 可以说，目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本 条件。

图1探地雷达基本原理1. 2电磁波传播特征探地雷达的电磁脉冲在介质中的传播速度为:其中c为电磁波在空气中的传播速度， ；为介质的介电常数， 常见介质的介电常数如表 1所示材质相对介电常数材质相对介电常数粉质粘土6水81干砂3〜5灰岩4〜8湿砂20〜30花岗岩4〜7金属300砂岩6PVC塑料3.3页岩5〜15混凝土6.4淤泥5〜30空气1海水80粘土5~ 40表1各种常见介质的介电常数电磁波脉冲在地质界面上的反射系数为：根据电磁脉冲的传播规律， 在地质界面上如果反射系数为负， 则相位与发射脉冲相反， 若反*1-2.5 叫*5 0」h・60i 1匸 一寻 _ j二»»<« #^fO)Vi = 0.07斬.I比■♦出=输$ 也严伉谕H= 120•<» 120^=300 vt= 0.0ft 勺■?!Lm取程港时Gw)合成雷达记录^(ro/n^) Mns)单也为、P(£l * m)巔m)图1.18为计算例子， 如第一层面的双程走时为 50ns,在此之前所记录的 是沿地表两侧到达的渡. 在此之后记录到层面的反 射脉冲.由于该层面的反 射系數为负值，相位反转 了 180\又如第三层面的 双程走时为98nst由于反 射系数为正，相位和发射 脉冲一致。

右側标出了界 面深度稱1. 3雷达的分辨率对于地质雷达的探测方式. 它的分辨率也是一个必须了解的内容. 地质雷达的分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率地质雷达的垂直分辨率主要由地质雷达的波长的二分之一决定从波的传播规律可知，识别目标体的尺度一般需大于 1 /2波长，假设垂育最小可分辨的层的厚度为Dm则它的计算式为：Dm = 0.5^ = C/2 f4^其中，C为电磁波在真空中的传播速度可见频率越高，介质的介电常数越大， Dm越小•即垂直可分辨层的厚度越薄，垂直分辨率越高地质雷达的水平分辨率是指地质雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸的能力通常用Fresenel来表示，当反射面的埋深为 H,发射，接受天线的间距远小于 H时，厂ZH +丄疋丫1 4丿Rf就是水平分辨率的最小尺度从计算公式可以看出•当目标体埋深越大，雷达波频率越 低，波长越长，则 Rf越大，水平分辨率越低.反之，水平分辨率越高第2章.雷达数据的采集雷达数据采集的步骤如下：1. 仪器安装调试；2. 现场地质以及其它情况记录；3. 布置测线；4. 参数设置；5. 参数现场校核，如不合格，重新调试参数；6. 数据采集下面将各步骤的注意事项说明。

2. 1仪器安装调试① 必须在断电的状态下进行安装和拆卸；② 如果现场空气比较潮湿或者有水，注意防潮防水，以免短路导致损坏电路；2. 2现场地质记录记录现场的地质条件，以免现场的干扰在雷达记录中造成假象，扰乱最终的解释2. 3布置测线如果已知探测对象的大体走向，尽量使测线与其走向正交；2. 4参数设置参数设置是关系到采集数据质量的关键工作，各项参数如下：Collect菜单| （如图4 ）：注：①增益:地质雷达发射的电磁波在介质中传播过程中，在电性（介电常数）分界面上会发生发射，有一部分电磁波继续向下传播， 传播过程中电磁波能量会被介质吸收 随着深度的增加，电磁波能量减弱，信号幅度相应地减小， 不利于信号识别和辨认 为了能更好地识别信号特征，采用增益（gain ）函数来提高信号的幅度，使得信号的细微变化更容易 显示和识别增益菜单有两个选项：手动 /自动Manual/Auto，增益点数Points,GP1、GP2、GP3…GP5在采集主机的屏幕的右半部分有一个示波器窗口，除了显示波形之外，还有一 条红色的曲线，该曲线就是增益曲线， 曲线的转折点点就是增益控制点 适当的增益函数会提高信号的可视性，但是增益过大会出现削波现象，应该避免削波现象。

②位置确定：雷达剖面的最顶端并不是第一个反射面（比如在地面探测时，剖面的顶 端并不是地面），这主要是因为：第一，系统延时，即主机给出发射指令到天线开始发射的 延迟时间，第二，直达波，即有发射天线直接到接受天线的电磁波为了更加精确的定位，应该去除这两方面的干扰但是由于确定零线较为困难可以在探测时在地面放置一根电缆与测线正交，天线经过电缆时在剖面上会记录下电缆的位置，通过识别电缆就可以确定零线的位置了A COLLECTH 呼 RADAR□ 4Q0 MHZ 选择天线类型*一般主机会目动识别天銭类型并自动选择天线的发射率，该值越大•采集速度越快口 T_RATE关于GFS的选项‘ 一般不选□ MODE Distance|采集模式」另为距离测量轮模式」点测模式以及吋间连续模式 口 GPS None |采集祥点数，它决定了垂言分辨率的大小》一般为512或S1024□ SAMPLES 512 |□ FORMAT (bits ) 16 |数据存储格式> -般为】6位时窗范围・决定了采集探度的大小日(F SCAN□ RANGE(nS) 60 |□ DIEL 10.30 |介电常数，是进行时深转换的关罷参数□ RATE 100 I扫描率，即每秒钟采集的扫描数毎单位水平距离的扫描数□ SCN/UNIT 18.00T CP GAIN |増益菜单(详见曲)増益模式选择“分为自动増益和手动増益|増益的控制点数-1Q |第一个増益点的増益分贝数15 I第二个増益点的増益分贝数25 |第三个増益点的増益分贝数□ AUTO |□ POINTS□ GP1(dB)□ GP2 (dB)□ GP3(dB)□ □m CF POSITION |零点位置设定(详见注2)□ auto I自动複式和手动梗式选择口 OFFSET ? 5 * 0 0 天钱内部延时蓼数，因为该值不能准确确定，所以一般使用目动模式。

□ SURFACE (%)7.00 |确定地面的隨3 OP FILTERS | 滤波器口 LP IIR 890 | 口R低通滤波辭□ HP_IIR 100 | hr高通泯波器□ Lp— FIR 0 | fir低通滤彼器□ UP二FTR 0 | FiRiaiBgiSSS□ STACKING 3 |磴加，用于去除高平干扰・数值越大・信号越平灣・但是太大会掩盖真实信启□ BGR—RMVL 0 |背員去除 > 用于去除低频信号图4 collect 菜单的注解Playbacck菜单（如图5）该菜单用于浏览已经采集的文件， 在该菜单下有一个 SCAN和PROCES子菜单，通过子菜 单可以可以进行一些参数修改和数据处理， 以便得到更好的显示效果注：这些修改和处理 只是用于显示，并不会改变原数据CP PLAYBACK |数据回放 S SCAN□ DIEL 10.00口 SURFACE（%}10 + 0C曰 OP PROCESS口 LP_IIR 0口 HP^HR 0 口 LP^FIR 0 0 HP^FIR 0□ STACKING 00 BGR_RMVL 0□ AGC~ OFF |評増益控图5 Playbacck 菜单的注解Output菜单（见图 6）该菜单的主要功能就是设置数据的显示参数和数据的导出。

Qp* OUTFUT I数据输出fc] b DISPLAYO LINE口 C_TABLJ|^色表选择C_XFORM 2 |硕邑转换设萱 GAIN(dB) Q| 増益-(Jp TRANSFER |数据转移(导出)|号出到FC机□ FLASH辱出到闪盘HD|导出到硬盘□ DELETE |数据删除图6 Output菜单的注解System菜单参数设置（见图 7）□ （P SYSTEM |系统参数B CF UNITS I单位设置D DEPTH foot I深度单位选樺□ DISTANCE foot|距离单位选择□ VSCALB 曰qg十h ||竖轴显示方式选择，包_ gps I括深度和时间显示方武I H CP SETUP | 设置□ RECALL I 调用裁数0 SAVE |保存参数a PATH I存储路径□ NEW |新建路径S CP BACKLIGHT I屏幕背景灯光设置□ LEVEL 4 |壳度水平设置-Qr1 DATE/TIME | 日期设置口 DATE口 TIME日 CP BATTERY| 电池口 STATUS |电量狀态日■> LANGUAGE I语言□ ENGLISH|英语模式S 呼 VERSION口 SHOW图7 System菜单的注解2. 5参数现场调试 调试技巧：① 如果出现削波（振幅过大）或者振幅过小的现象， 需要调节增益设置；② 如果出现雪花现象（特别是深部），需要增加叠加次数；③ 如果存在已知深度的目标体并且该目标体可以在雷达剖面上识别的话， 可以通过该目标体的深度来反算波速，进而求出介电常数。

这样求出来的介电常数比较接近真实值如 果没有已知深度的目标体，可以打钻确定一个目标体，然后量测其深度，用同样的方法 来反算介电常数2. 6数据采集注意事项：① 天线拖动过程中要匀速，并且不要发生跳动现象，跳动现象会造成非常大的干扰② 打标记要及时，尽量不要重复③ 隧道拱顶或者拱腰部位探测时，可以使用台车（由装载机拖动台车） ，汽车架子和装载机架子，如图8其中台车最安全，汽车架子最不平稳台车（由装载机拖动） 汽车架子 装载机架子图8 各种架子第3章数据分析数据分析和数据处理的目的就是压制干扰，突出有效信号，提高信噪比，这是进行成果 解释的前提，只有进行仔细的处理，才能获得良好的效果图9为数据分析和处理的流。