探地雷达数据采集 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10～10Hz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。
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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：
v?c?
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 粉质粘土 干砂 湿砂 金属 PVC塑料 混凝土 空气 粘土
相对介电常数
6 3～5 20～30 300 3.3 6.4 1 5～40
材质 水 灰岩 花岗岩 砂岩 页岩 淤泥 海水
相对介电常数
81 4～8 4～7 6 5～15 5～30 80
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：
?1??2k?
?1??2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，若反射系数为正，则相位与反射脉冲一致。如图2和图3，可以清除看到反射波相位的变化规律。
图2
图3
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：
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，
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。