一、探地雷達(dá)發(fā)展歷史

探地雷達(dá)始于1910年，源于德國(guó)，用于探測(cè)地下相對(duì)高導(dǎo)電性質(zhì)的區(qū)域。

1926年，德國(guó)專(zhuān)家提出脈沖技術(shù)確定地下結(jié)構(gòu)的思路。

1960年，Cook將脈沖雷達(dá)應(yīng)用于礦井中。

1970年，雷達(dá)用于南極冰蓋探測(cè)。

70年代末，雷達(dá)技術(shù)成熟，并進(jìn)行商用生產(chǎn)。

二、探地雷達(dá)方法簡(jiǎn)介

探地雷達(dá)（GPR）方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜（10MHz~3GHz）電磁技術(shù)。一個(gè)天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個(gè)天線接收地下介質(zhì)界面的反射波。利用回波的回程時(shí)間、振幅和波形資料等運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征來(lái)分析和推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性特征。

三、探地雷達(dá)特點(diǎn)

發(fā)射天線和接收天線間距小，當(dāng)?shù)貙觾A角不大時(shí)，反射波路徑與地層垂直。

工作效率高，可以實(shí)時(shí)反應(yīng)地下介質(zhì)情況。

電磁波傳播理論與彈性波的傳播理論類(lèi)似。

四、天線分類(lèi)

• 以頻率劃分為低頻、中頻和高頻
• 以結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又劃分為非屏蔽、屏蔽天線
• 以電性參數(shù)分有偶極子天線、反射器偶極子天線、喇叭狀天線
• 按其耦合類(lèi)型可分為 ：地面耦合和空氣耦合型
• 低頻天線：頻率在100MHz及以下的天線，工程檢測(cè)中多用于超前預(yù)報(bào)及空洞溶洞探測(cè)。
• 中頻天線：頻率在100MHz-1000MHz，采用屏蔽式半波偶極子天線。具有天線體積小，發(fā)射效率高的特點(diǎn)。在工程勘查與檢測(cè)中常使用該類(lèi)天線，包括200MHz、400MHz、600MHz、900MHz。
• 高頻天線：頻率在1GHz以上的天線。 工程中用于橋梁路基等結(jié)構(gòu)體檢測(cè)

五、系統(tǒng)組成

探地雷達(dá)結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要分五部分組成。

主控單元

顯示單元

發(fā)射單元

發(fā)射天線

接收單元

接收天線

距離測(cè)量單元

六、工作原理

一個(gè)天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個(gè)天線接收地下介質(zhì)界面的反射波。利用電磁破在不同介質(zhì)中的速度差異導(dǎo)致的回波回程時(shí)間不同，可以推斷出介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

七、主要參數(shù)介紹

1、中心頻率與帶寬

頻率與頻帶寬度是天線重要技術(shù)指標(biāo)，關(guān)系到天線的分辨大小與探測(cè)深度的能力。探地雷達(dá)天線均采用為高寬帶雷達(dá)天線

2、分辨率

分辨率是指探地雷達(dá)分辨最小異常介質(zhì)的能力，它分為垂直分辨率和水平分辨率。

1）、垂直分辨率

探地雷達(dá)剖面中能夠區(qū)分兩個(gè)最近反射界面的能力成為垂直分辨率。理論上我們把四分之一波長(zhǎng)作為分辨率極限，層厚度大于此則可分辨率，否則就不能分辨；但實(shí)際應(yīng)用中，由于各方面的原因，我們所得到的分辨率要小于此值。雷達(dá)探測(cè)的實(shí)際分辨率受多方面的因素影響，它不但與所使用來(lái)探測(cè)的波的波長(zhǎng)有關(guān)，而且還與所通過(guò)的介質(zhì)的吸收有關(guān)，與所在場(chǎng)地的干擾程度有關(guān)，與所探測(cè)目標(biāo)界面的反射系數(shù)有關(guān)。

2）、水平分辨率

探地雷達(dá)的水平分辨率是指在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸。在物理學(xué)上使用菲涅爾帶來(lái)說(shuō)明該參數(shù)，如右圖所示。從圖中可以得出，水平分辨率與深度及波長(zhǎng)都有關(guān)系，使用第一菲涅爾帶直徑D的1/4為其最小水平分辨率。

3、波速

式中C為真空中電磁波傳播速度（常數(shù)：C=0.3m/ns）。ε'為相對(duì)介電常數(shù)。知道探測(cè)目標(biāo)的相對(duì)介電常數(shù)，即可按上述關(guān)系求取電磁波速度v。下表為幾種常見(jiàn)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε'與地層電磁波傳播速度v的參考值。

4、介電常數(shù)

介電常數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱物理量，它表征一種物質(zhì)在外加電場(chǎng)情況下，儲(chǔ)存極化電荷的能力。自然界中物質(zhì)的介電常數(shù)最大的物質(zhì)是水，介電常數(shù)為81，最小的是空氣，數(shù)值為1。工程狀態(tài)下的巖土介質(zhì)，其介電常數(shù)的主要差異決定其含水量的大小。介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)的界面，會(huì)引起電磁式波的反射，反射波的強(qiáng)度與兩種介質(zhì)的介電常數(shù)及電導(dǎo)率的差異有關(guān)。常用介電常數(shù)如下表所示。

八、探地雷達(dá)測(cè)量參數(shù)選擇

1、時(shí)窗(納秒)

時(shí)窗的選擇是最重要的，選擇的太小會(huì)丟失有用數(shù)據(jù)，選擇太大會(huì)降低垂直分辨率。一般選取探測(cè)深度為目標(biāo)深度的1.5倍。根據(jù)探測(cè)深度D和介電常數(shù)ε確定采樣時(shí)窗長(zhǎng)度，深度和時(shí)窗fwin的關(guān)系：

2、采樣點(diǎn)數(shù)

采樣點(diǎn)數(shù)是影響垂直分辨率的一個(gè)重要參數(shù)，采樣點(diǎn)數(shù)太小難以反應(yīng)真實(shí)情況，太多則會(huì)影響采集速度，同時(shí)由于探地雷達(dá)天線波長(zhǎng)限制，太高的采樣點(diǎn)數(shù)并不會(huì)產(chǎn)生真正的效果。一般選取512點(diǎn)或1024點(diǎn)足夠滿(mǎn)足采集現(xiàn)場(chǎng)。

3、 掃描速率

掃描速率是表示在1秒鐘內(nèi)，探地雷達(dá)可以發(fā)射并采集多少道數(shù)據(jù)，該 參數(shù)是直接影響水平分辨率的參數(shù)，同時(shí)也決定在測(cè)試時(shí)天線移動(dòng)的最高速度。

為保證可以有效探測(cè)到目標(biāo)體，穿過(guò)目標(biāo)體的數(shù)據(jù)至少要達(dá)到20道或更高。假設(shè)探測(cè)目標(biāo) 體最小尺寸為20厘米，天線移動(dòng)速度為1米/秒，所以要求探地雷達(dá)的掃描速率至少為100道/秒。

4、時(shí)變?cè)鲆?/p>

通常從介質(zhì)反射回來(lái)的信號(hào)非常微弱，深度越深信號(hào)越小，所以要對(duì)不同深度反射回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行不同的放大，這樣在視覺(jué)才便于使用分析。

• 濾波

濾波的目的是為了將有用信號(hào)保留將無(wú)用信號(hào)濾除，方便數(shù)據(jù)分析使用，所以選擇合適的濾波參數(shù)是得到最有用信號(hào)的有效方法。

九、探地雷達(dá)工作模式

點(diǎn)測(cè)模式

使用在隧道超前預(yù)報(bào)或測(cè)試環(huán)境復(fù)雜的地方。

連續(xù)模式

普遍使用在管線探測(cè)和隧道襯砌檢測(cè)等位置。

DMI模式

使用在需要精確定位的場(chǎng)合。

十、產(chǎn)品分類(lèi)

十一、水下探地雷達(dá)面臨的問(wèn)題

1、電磁波傳播受限：水會(huì)大大消弱電磁波的傳播能力，導(dǎo)致雷達(dá)在水下的探測(cè)距離受到很大限制。

2、頻率和波長(zhǎng)受影響：水對(duì)電磁波的頻率和波長(zhǎng)會(huì)造成一定的影響，會(huì)降低雷達(dá)的探測(cè)效果，包括距離和分辨率。

十二、解決水下雷達(dá)檢測(cè)問(wèn)題的方法

1、通過(guò)降低頻率增加探測(cè)距離

2、提高發(fā)射和接收天線的信噪比，降低電磁波衰減問(wèn)題，增加探測(cè)距離

3、提高能量聚焦方向增加探測(cè)距離

4、提高信號(hào)處理和軟件后處理能力來(lái)解決頻率降低帶來(lái)的分辨率降低問(wèn)題

十三、水下探地雷達(dá)主要應(yīng)用領(lǐng)域

1、水電站大壩檢測(cè)

2、水庫(kù)大壩檢測(cè)

3、橋墩基礎(chǔ)檢測(cè)

4、堤防檢測(cè)

5、防浪堤檢測(cè)

6、隧洞襯砌完整性檢測(cè)