探地雷达理论.ppt

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探地雷达原理 与工作方法 目录 雷达基本介绍 探地雷达方法简介 GPR方法是一种用于确定地下介质分布的广谱(1MHz~3GHz)电磁技术。 一个天线发射高频宽频带电磁波,另一个天线接收地下介质界面的反射波。 利用回波的回程时间、振幅和波形资料,可推断介质的结构。 雷达基本介绍 探地雷达方法发展 探地雷达始于1910年,源于德国,用于探测地下相对高导电性质的区域。 1926年,德国专家提出脉冲技术确定地下结构的思路。 1960年,Cook将脉冲雷达应用于矿井中。 1970年,雷达用于南极冰盖探测。 70年代末,雷达技术成熟,并进行商用生产 雷达基本介绍 探地雷达特点 发射天线和接收天线间距小,当地层倾角不大时,反射波路径与地层垂直。 工作效率高,在地质介质中以位移电流为主。 电磁波传播理论与弹性波的传播理论类似。 雷达基本介绍 天线设计 探地雷达天线设计强调天线的脉冲响应,频带宽,还要考虑接收-发射天线之间的耦合以及介质典型与几何形状对天线探测的影响。 雷达基本介绍 振子天线 低方向性 有效频带宽 体积小,可在狭窄条件下使用 辐射特征容易分析 雷达基本介绍 行波天线 行波天线的场强和电流可用一个以上行波表示 短脉冲响应 频率独立天线 该频率天线形状完全由螺旋角来决定,其性能与频率无关。 自我阻抗补偿 雷达基本介绍 开孔天线 最常见的一种为喇叭口天线 天线体积小 天线带宽可达0.2~2GHz 目前商用探地雷达中使用的天线主要为振子天线 探地雷达基本理论 探地雷达基本理论 电磁场理论 电磁波是横波,电场强度E、磁场强度H和波矢量K三者互相垂直,组成右手螺旋关系。右手螺旋关系含义如下,四个手指并拢伸直指向电场方向,然后四指回握90°指向磁场方向,大拇平伸则指向波的传播方向k。 电磁波的电场、磁场、与波矢量的关系如下图所示。在波的传播过程中其空间方向是固定不变的,即使是发生了反射与折射,也只是传播方向K发生变化,电场与磁场的方向依然不变。在空气中电场与磁场是同向位的,两者同时达到极大和极小值,电场强度与磁场强度的比值刚好等于电磁波速。在工程介质中因为有传导电流能量损失,电场与磁场的相位再不同步,磁场落后与电场一个相位,电导率越高,落后的相位越大。 探地雷达基本理论 电场、磁场和波矢量 探地雷达基本理论 电磁波的传播特点 电矢量E、磁矢量H和都与波的传播方向k垂直,因此电磁波是横波 。 E和H式中同频率,同相位。任意时刻E和H的幅值成比例 。 E和H分别在各自的平面内振动,这一特性成为偏振性。 探地雷达基本理论 电磁波的传播特点 电磁波的传播速度v的大小为: 电磁波的频率越高,相应的波长就越短。无线电波的频率最低(波长最长),而γ射线的频率最高(波长最短)。目前人类通过各种方式已产生或观测到的电磁波的最低频率为10-2Hz,其波长为点球半径的5000倍,二电磁波的最高频率为1025Hz,它来自于宇宙的γ射线。 探地雷达基本理论 电磁波的传播特点 探地雷达是利用电磁波的发射和接收进行目标体的探测。其发射的电磁波为线极化平面波。电场强度与入射平面垂直的平面波称为垂直极化平面波,而电场强度与入射面平行的平面波成为平行极化平面波。 探地雷达基本理论 电磁波的传播特点 电磁波在介质中传播,其规律满足麦克斯韦方程,电场强度分量可用于下面的关系式表示: 式中,Ex为传播距离Z=x处的电场强度;Eo为传播距离Z=0出的电场强度;k=α+jβ,为传播常数,其中α为衰减常数,表示每单位距离衰减程度的常数;β为相移常数,表示每单位距离落后的相位。 探地雷达基本理论 电磁波的传播特点 式中,w为电磁波的角频率(w=2∏f,f为电磁波中心频率);μ为介质的磁导率;σ为介质的电导率;ε为介质的介电常数。 探地雷达基本理论 电磁波的传播特点 高阻介质:电磁波在高阻介质中传播时,(σ/wε0)1: 以上两公式表明,在高阻介质中,电磁波的衰减取决与电导率的大小,而与天线角频率无关。在高阻介质中,电磁波的传播速度V用下式表示: 探地雷达基本理论 电磁波的传播特点 低阻介质 :电磁波在低阻介质中传播时(σ/wε)1: 上面公式表明,衰减常数除与电导率成正比例关系外,还同电磁波角频率有关。不同的电磁波频率,衰减常数变化,探测能力亦不同,在相同介质中,地质雷达天线频率越高,探测深度越小。 探地雷达基本理论 电磁波的传播特点 在低阻介质中,电磁波的传播速度V用下式表示: 上面公式表明,在低阻介质中,电导率越大,电磁波速度越小。 探地雷达基本理论 介质中电磁波波速与能量衰减特性 描述电磁波传播特性的波矢量k为复数:k=β+iα, β描述波传播的相位,称为相位常数;α描述波幅的衰减,称为衰减常数,

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