探地雷达毕业报告

地球物理与空间信息学院应用地球物理系

毕业实习报告

题目： 探地雷达实习报告

姓 名：胡 浩 班 级：061071-22 学 号：20071002609 指导教师：邓 世 坤

二○一一年四月二十二日

前言

探地雷达是利用超高频脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法。实践证明，它可以分辨地下1m尺度的介质分布，因此探地雷达方法以其特有的高分辨率在浅层于超浅层地质调查中有着极其广阔的应用前景。

探地雷达利用一个天线发射高频宽带电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播的时，其路径、电磁场强度于波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到的波的旅行时间、幅度、与波形资料，可推断介质的结构。

第一章 探地雷达的探测原理

探地雷达探测是一种快速、连续、非接触电磁波探测技术，具有采集速度快、分辨率高的特点。探地雷达向地下发送脉冲形式的高频宽带电磁波，电磁波在地下介质传播的过程中，当遇到存在电性目标体时，如空洞、分界面时，电磁波便会发生反射，返回到地面时由接收天线所接收；对接收到的电磁波进行信号处理与分析，根据信号波形、强度、双程走时等参数来推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标体的探测。

如图A所示，由发射天线向地下介质中发射一定中心频率的电磁脉冲波，电磁波在地下介质中传播时，遇到介质中的电磁性（电阻率、介电率及磁导率）差异分界面发生反射和透射等现象；被反射的电磁波传回地表，由接收天线接收；通过电脑进行操作和控制；接收天线所接收的地下反射回波信号经由光纤传输到仪器控制台，转换成时间序列信号；这种时间序列即构成每一测点上的雷达波形记录道，它包含该测点处所接收到的雷达波的幅度、相位及旅行时间等信息。由电脑收集并存储每一测点上雷达波形序列，形成一个由若干记录道构成的雷达剖面（见图B）。通过对地质雷达剖面进行处理与推断解释，便可获得探测剖面线下方有关的地质特征与信息（或地下目标体的内部结构特征信息）。

测点距天线对nx位置（米）地表覆盖层异常体基岩

双程走时（纳秒） 图A 图B

第二章 探地雷达的野外工作方法

2.1 仪器使用简介

目前国内投入野外生产的探地雷达主要为时间域脉冲探地雷达。型号主要有两类，一是加拿大EKKO系列，另一类是美国的SIR系列。

本次实习我们使用的是加拿大EKKO系列中的最新型号EKKOPRO。该仪器与前几代的EKKO型仪器相比较有了一个比较大的改进，在野外数据采集的过程中不需要与计算机一起工作，这就大大提高了野外工作的效率。该仪器给我的最大感受是组合与拆卸方便，几分钟就可以完成组装，进行野外工作。因为我们此次实习是学习探地雷达在隧道超前预测中的应用，而那些进行隧道挖掘工作的工人是一天24小时不停的工作的，我们每次进行数据采集工作的时候都要先让那些工人停工，所以方便快捷的组合跟拆卸就显得尤为重要。既不影响隧道的挖掘进程，又能快而准确的采集数据。

在仪器的使用过程中还有很多注意事项，在使用电池的时候电池不能混用，5、6号电池为一组，7、8号电池为一组。因为电池在使用的时候发射电路跟接收电路对电池电量的损耗是不一样的，这样使用电池就可以增加电池的使用时间。在连接仪器的时候，是使用光纤连接的，我们都知道，光纤里面是玻璃材质的，所以不能弯折。光纤的插孔里面不能让灰尘掉进去，光纤是传播光信号的，如果插孔被灰尘堵住，光信号就无法传播。

2.2 离散反射剖面测量

‘离散’反射剖面测量是指在测量过程中，在每一测点上进行数据采集时，发射与接收天线保持静止状态，待该记录道数据采集完毕，再将发射与接收天线同步移动到下一测点，开始下一道数据的采集。

由于本次实习区域在正在施工的隧道内部，限于空间有限以及各种障碍物分布在隧道内部，采用连续测量不可行，故采用离散测量。

2.3 测量参数的选择

测量参数选择合适与否关系到测量效果。测量参数包括天线中心频率、时窗、采样率、测点点距额发射接收天线间距。

1、 天线中心频率的选择

天线中心频率选择需兼顾目标深度、目标最小尺寸以及天线尺寸是否符合场地需要。一般来说在满足分辨率且场地条件又许可时，应尽量使用中心频率的天线。如果要求所分的水平层厚度为Z（单位m），围岩的相对介电常数为r，则天线中心频率可由下试初步选定：

fcR75xr MHz （1）

目标体周围介质的不均匀性会在地质雷达记录中引起杂乱回波，这种杂乱回波的强度除了与不均匀体的尺度有关外，还跟雷达信号的波长有关，即同雷达信号的中心频率有关。为了使得目标体周围介质的不均匀性在雷达记录上所形成的杂乱回波强度小到可以忽略不计，通常要求雷达信号的波长比起目标体周围介质不均匀体的典型尺度△L大十倍以上，因此，雷达信号的中心频率必须满足：

fcC30 （2）

Lr式（2）对雷达信号频率的要求意味着所探测的目标体其尺度应比周围介质中不均匀体的尺度大得多。

另外，从勘探深度的角度考虑，假设所要求的勘探深度为D，则要求中心频率满足：

fDc1200r1D MHz （3）

如果分辨率所要求的中心频率fcR高于压制回波干扰所要求的中心频率fcC及勘探深度所要求的中心频率fcD，则表明所期望的分辨率与所要求压制的回波干扰体的尺度及勘探深度是不相容的。

假定所要求的空间分辨率为目标体埋深的25%，则勘探深度与天线中心频率的对应关系可由下表近似决定。

表1: 预期勘探深度与天线中心频率的关系 勘探深度（米）

0.5

1.0 500

2.0 200

7.0 100

10.0 50

30.0

0

中心频率（MHz） 1000

表1所提供的天线中心频率同勘探深度的关系是以实践经验为基础的。对于一定中心频率的天线，其可能达到的勘探深度除了与地质雷达系统本身的性能有关外，还跟具体的勘探环境有关。

本次实习中，掌子面岩性主要为灰岩，查阅资料知道其相对介电常数为7，通过观察掌子面岩层厚度，主要呈中厚层，即水平层厚度一般为1m。同时本次实习要求预测距离为50m。故可以根据（2）（3）计算得到fcD<58.78MHz，fcR>28.34MHz。故本次实习所采用的50MHz。

2、 采样时窗的间隔大小

采样时窗大小可由下式估计：

W1.325

10 50.

2D （4） V上式中D表示预期所能达到（或要求）的勘探深度，以米为单位；V为地层介质中的平均雷达波速度，以米/纳秒为单位；W为采样时间窗，以纳秒为单位。

对于大多数探地雷达系统而言，其天线的频带宽度与中心频率的比通常为1，这意味着天线所辐射的电磁脉冲所包含的能量主要分布在0.5倍～1.5倍的中心频率的频段上。因此，雷达信号的最高频率约为所用天线的中心频率的1.5倍。

根据上述假设及Niquist采样定律，探地雷达数据的采样频率应为雷达信号最高频率的二倍，为了保险起健，可将采样频率再加大一倍。因此，雷达数据的采样率约为所用天线的中心频率的六倍，即时间采样间隔△t由下式确定：

t1000 MHz (5) 6fc上式fc中为所用天线的中心频率。表2给出了最大时间采样间隔与天线中心频率之间的关系。 表2: 最大时间采样间隔与天线中心频率的关系 天线中心频率（MHz）

最大采样间隔（ns）

10 16．7

20 8．3

50 3．3

100

200

500 0．33

1000 0．17

1．67 0．83

在某些情况下，从采样速度的要求及采样数据存储空间考虑，可以加大时间采样间隔而稍微超出上述规定的时间间隔，但无论如何也不能大于上述所规定时间采样间隔的2倍。

3、 天线距的选择

大多数的探地雷达系统是采用发射与接收分离的天线（对于发射与接收天线并置的雷达系统而言，天线距的选择是没有意义的），天线距大小的合理选择对于为特定目标体的探测设计最优观测系统十分重要。

为了取得对目标体的最大偶合，天线的放置应保证发射与接收天线方向图中的折射聚焦峰值指向所探测目标体的大致深度上的同一位置。由于天线方向图的峰值指向空气-大地分界面的临界角方向，假设所要探测的目的体的大致深度为D，其周围介质的相对介电系数为r，则最佳天线间距S可由下式估计：

在实际探测中对天线距的选择还要考虑接收天线电路的动态范围。如果发射与接收天线距很小，直接由发射器传到接受器的信号很强，因而在雷达记录上的初始时间段会有一段畸变与恢复时间，导致不能探测到浅部地层的反射同相轴（通常称为‘发射脉冲短路’）。这时建议使用雷达信号的半波长作为天线距。

另外，对衰减吸收地层介质进行探测时，天线距的加大会导致雷达波传播路程加大，因

S2D （米） （7）

r1而会引起回波信号的衰减幅度加大，这种情况下，天线距不能太大。

在对测区介质电性缺乏了解的情况下，经验的作法是选择目标体大致埋深的20%作为天线距。本次实习采用的天线距离大约是1.5m

4、 道间距的选择

离散测量条件下道间距的选择同所用天线的中心频率及所涉及的地下介质的介电性

有密切关系。为了保证大地响应不出现空间假频，空间采样间隔应小于Niquist采样间隔。Niquist采样间隔X为被探测目标体周围介质中雷达波波长的1/4，即：

XC4fr75fr（米） （6）

式中f为所用天线的中心频率，以MHz为单位。

在实际探测中，道间距的选取还应考虑地下被探测目标体的最小空间尺度，通常情况下，道间距应小于所要求探测的最小目标体水平方向延伸长度的1/3。

本次实习道间距0.3-0.5m 5、 天线方向的选择

由于大多数地质雷达系统采用极化天线，其能量的辐射具有明显的方向性与极化特性。因此，在探测过程中，天线摆设的方向应保证其辐射的电场沿目标体走向或长轴方向极化，对偶极天线而言，即要求天线板的长轴方向与目标体走向或长轴方向平行。在某些情况，可将天线沿两个相互正交的方向摆设以采集两组数据，对这两组不同极化方向的数据进行分析，可以获得目标体的有关信息。

本次实习中天线垂直地面，紧贴掌子面放置。

第三章 实习概况

1 实习目的

本次实习的目的是学会使用EKKOPRO型探地雷达在隧道超前预报中的使用，以及在野外实际工作中所注意的一些问题。

2 实习地区概况

本次地质超前预报的起点桩号为K59＋920。现场地质雷达探测工作于2011年3月10日进行并于当天完成。

该隧道采用台阶开挖方式施工。掌子面较平整，近于直立；掌子面围岩为中风化灰岩，中厚层夹薄层状构造；围岩节理裂隙较发育，掌子面中部有较宽垂直裂隙带存在；岩体较破碎，呈块碎状镶嵌结构。

3 实例分析

3.1现场工作布置与数据采集

本次预报是在大南山隧道右线里程为K59＋920的掌子面上进行的，采用主频为50MHZ的天线进行探测。超前探测在开挖台阶上进行，沿掌子面布置探测剖面，测线与隧底平行，离隧道底部约2米，测线位置如图1所示。

测线测线方向

图1、地质雷达测线布置示意图

3.2地质雷达资料的分析与地质解释

图2为本次超前探测地质雷达记录，该记录显示：本次探测的有效预报距离为50米，即地质雷达记录反映了该隧道自里程K59＋920－K59＋970范围内的地质情况。

根据地质雷达探测记录，结合掌子面地质情况推测：大南山隧道右线自里程K59＋920－K59＋935隧道洞体围岩中风化灰岩，中厚层夹薄层状构造；围岩节理裂隙较发育，岩体较破碎，呈块碎状镶嵌结构；围岩稳定性较差。自里程K59＋935－K59＋955隧道洞体围岩为断层破碎带，围岩节理裂隙发育，岩体破碎，呈块碎状镶嵌结构；围岩含水率较高，有较强渗滴水现象发生；围岩稳定性差。自里程K59＋955－K59＋970隧道洞体围岩为中风化灰岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎。

图2、大南山隧道右线里程K59+920掌子面上地质雷达探测记录

结束语

通过本次实习，我了解到作为一个物探工作者，应该如何出野外，以及在出野外的过程中我们遇到问题该如何解决等。

在出野外之前，我们会检查一下仪器，看看有没有什么东西是忘记带的，因为我们的实习地点离我们住的地方还是很远的，有一个多小时的车程，所以在出去之前必须检查仪器已经各种工具是否有遗漏的，不然我们在野外就开展不了工作。

到达工作现场后，第一件事就是带上安全帽，因为在隧道里面偶尔还是会有一些东西掉落下来，保证自己的安全是最重要的。我们在到达工作地点的时候，工人都是在工作的，这就遇到了一个问题，他们在工作的时候我们是没有办法开展数据的采集工作的，这就需要我们去跟工地的负责人去沟通，让他们休息一下。到我们进行数据采集的时候，一定要在保证数据准确的情况下，尽量的加快采集的速度，这个时候就体现了我们这一组人的一种团队协作能力。采集完数据之后，应该先把光纤取下来，因为光纤是比较脆弱的，不能被弯折，但是测区的条件一般是很不好的，工程器械也是比较多，路也不好走，先把光纤取下，我们走路的时候也比较方便，也很好的保护了光纤。当然在取下光纤的时候也要注意，不要让灰尘掉进接口里面，我们都知道光纤是传播光信号的，如果接口被堵死了就会很麻烦，光信号不能传播，我们也没有办法采集数据了。

一天的工作回来之后，就是仪器的保养了。我们都知道物探的仪器一般是比较贵的，对仪器进行保养，让仪器处于良好的状态，既能增加数据采集的准确度，又可以延长仪器的使

用寿命。

最后，感谢邓世坤老师带领我们实习，给我们讲解探地雷达的知识，指导我们做毕业设计以及毕业论文的撰写。