44.5探地雷达 探地雷达( Ground Penetrating Radar简 称GPR)是用频率介于106~109H的无线电 波来确定地下介质分布的一种方法。 对称振子型调幅脉冲时城探地雷达输出 功率大,能实时监测测量结果,设备可做成 便携式等优点,在商用地面探地雷达中,已 得到广泛应用。下面主要介绍这种探地雷达。 都理工大学信息工程学院 U0返回
成都理工大学信息工程学院 返回 4.5 探地雷达 探地雷达（Ground Penetrating Radar简 称GPR）是用频率介于106～109Hz的无线电 波来确定地下介质分布的一种方法。 对称振子型调幅脉冲时域探地雷达输出 功率大，能实时监测测量结果，设备可做成 便携式等优点，在商用地面探地雷达中，已 得到广泛应用。下面主要介绍这种探地雷达
45.脉冲时间域探地雷达的基本原理 脉冲时间域探地雷达利用超高频短脉冲电 磁浪在地下介质中的传播规律来探测地下介质 的分布。因为①任何脉冲波都可以分解成不同 频率的单谐波;②对称振子型、发射和接受天 线间距离很小。因此电偶极源产生的单谐电磁 波场及传播特征是探地雷达的理论基础。 451.1电偶极源的电磁场 均匀介质中的电磁场 都理工大学信息工程学院 U0返回
成都理工大学信息工程学院 返回 4.5.1 脉冲时间域探地雷达的基本原理 脉冲时间域探地雷达利用超高频短脉冲电 磁波在地下介质中的传播规律来探测地下介质 的分布。因为①任何脉冲波都可以分解成不同 频率的单谐波；②对称振子型、发射和接受天 线间距离很小。因此电偶极源产生的单谐电磁 波场及传播特征是探地雷达的理论基础。 4.5.1.1 电偶极源的电磁场 1、 均匀介质中的电磁场
≌么 水平电偶极子源在主剖面中的辐射场为 E o ap e 4丌 okpe 4丌r ok (24-25) 4丌rr 特点:在主剖面中,电场和发射天线(偶极子轴) 方向平行,而磁场与圆心位于原点的同心圆的切线 方向一致。 成都理工大学信息工程学院 返回
成都理工大学信息工程学院 返回 水平电偶极子源在主剖面中的辐射场为 = = − = r x r p e H r z r p e H r p e E ikr y ikr x ikr y 4 k 4 k 4 2 （2.4-25） 特点：在主剖面中，电场和发射天线（偶极子轴） 方向平行，而磁场与圆心位于原点的同心圆的切线 方向一致
≌么 1.电磁波在介质中的传播速度 探地雷达测量的是地下界面的反射波的走时,为了 获取地下界面的深度,必须要有介质的电磁波传播速度 ,其值为 orla 1+ 1/2 08 (2.4-27) 成都理工大学信息工程学院 返回
成都理工大学信息工程学院 返回 1．电磁波在介质中的传播速度 探地雷达测量的是地下界面的反射波的走时，为了 获取地下界面的深度，必须要有介质的电磁波传播速度 v ，其值为 2 1/ 2 ( 1 ( ) 1)] 2 [ − = = + + v （2.4-27）
≌么 绝大多数岩石介质属非磁性、非导电介质,常常满 足<1,于是可得 (2.4-28) 式中为真空中电磁波传播速度,c=0.3mms为相 对介电常数。上式表明对大多数非导电、非磁性介 质来说,其电磁波传播速度主要取决于介质的介 电常数。 成都理工大学信息工程学院 返回
成都理工大学信息工程学院 返回 绝大多数岩石介质属非磁性、非导电介质，常常满 足 1 ，于是可得 r c v = （2.4-28） 式 中c为真空中电磁波传播速度， 3m/ns; r c = 0. 为 相 对介电常数。上式表明对大多数非导电、非磁性介 质来说，其电磁波传播速度 主要取决于介质的介 电常数
≌么 2.电磁波在介质中的吸收特性 吸收系数决定了场强在传播过程中的衰减速率, 探地雷达工作频率高,在地下介质中以位移电流为 主,即/OE<<1,这时的近似值为 o A (24-29) 即B与导电率成正比,与介电常数的平方根成正 比。 成都理工大学信息工程学院 返回
成都理工大学信息工程学院 返回 2．电磁波在介质中的吸收特性 吸收系数 决定了场强在传播过程中的衰减速率， 探地雷达工作频率高，在地下介质中以位移电流为 主，即 / 1 ，这时 的近似值为 2 = （2.4-29） 即 与导电率成正比，与介电常数的平方根成正 比
≌么 表242列出了一些常见介质的相对介电常数、导 电率、传播速度与吸收系数。注意高阻与低阻介质 的 、B的不同。 成都理工大学信息工程学院 返回
成都理工大学信息工程学院 返回 表 2.4.2 列出了一些常见介质的相对介电常数、导 电率、传播速度与吸收系数。注意高阻与低阻介质 的 r 、 、 、 的不同
表242介质相对介电常薮,、导电率σ、速度与吸收系数 媒质 o(mS/m) v(m/ns) β(dBm) 空气 0 0.3 淡水 80 0.5 0.033 0.1 海水 80 3×104 0.01 干砂 3~5 0.01 0.15 0.01 饱和砂 20~30 0.1~1.0 0.03~0.3 石灰岩 4~8 0.5~2 0.12 0.4~1 泥岩 5~15 1~100 0.09 1~100 粉砂 5~30 1~100 0.07 1~100 粘土 5~40 2~1000 0.06 1~300 花岗岩 4~6 0.01~1 0.13 0.0l~1 岩盐 0.0l~1 0.13 0.01~1 冰 3~4 0.01 0.16 0.01
表 2.4.2 介质相对介电常数r 、导电率 、速度 与吸收系数 媒 质 r (mS/m) (m/ns) (dB/m) 空 气 1 0 0.3 0 淡 水 80 0.5 0.033 0.1 海 水 80 3104 0.01 103 干 砂 3~5 0.01 0.15 0.01 饱和砂 20~30 0.1~1.0 0.06 0.03~0.3 石灰岩 4~8 0.5~2 0.12 0.4~1 泥 岩 5~15 1~100 0.09 1~100 粉 砂 5~30 1~100 0.07 1~100 粘 土 5~40 2~1000 0.06 1~300 花岗岩 4~6 0.01~1 0.13 0.01~1 岩 盐 5~6 0.01~1 0.13 0.01~1 冰 3~4 0.01 0.16 0.01
≌么 垂直极化波(电场矢量垂直入射面)在界面的 反射与折射 电磁波在跨越介质交界面时,紧靠界面两侧的电场 强度和磁场强度的切向分量分别相等,则得 e+E=e h cos0.-h. cos.= cos e (2.4-30) 成都理工大学信息工程学院 返回
成都理工大学信息工程学院 返回 垂直极化波（电场矢量垂直入射面）在界面的 反射与折射： 电磁波在跨越介质交界面时，紧靠界面两侧的电场 强度和磁场强度的切向分量分别相等，则得 − = + = i i r r t t i r t H H H E E E cos cos cos （2.4-30）
≌么 令R12=E,/E,T2=E1/E,分别表示波从介质1入射 到介质2时界面的反射系数和折射系数。 R12=(cos0,-n-sin201)(cos0,+Vn2-sin0,) T2=2 cos 0,/(cos0, +in2-sin281 (2.4-31) 其中n表示折射率,n=V262/A11。 成都理工大学信息工程学院 返回
成都理工大学信息工程学院 返回 令 R Er Ei T Et Ei / , / 12 = 12 = ，分别表示波从介质 1 入射 到介质 2 时界面的反射系数和折射系数。 = + − = − − + − 2 cos /(cos sin ) (cos sin ) /(cos sin ) 2 2 12 2 2 2 2 12 i i i i i i i T n R n n （2.4-31） 其中n 表示折射率， * 1 1 * 2 2 n = /