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一種用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)cmp探測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)CMP探測(cè)方法，確定探地雷達(dá)的最大收發(fā)距和收發(fā)距調(diào)節(jié)間隔；進(jìn)行多次探測(cè)以采集探測(cè)數(shù)據(jù)，其中，首次探測(cè)時(shí)收發(fā)距設(shè)置為0，之后每一次探測(cè)之前均基于所述收發(fā)距調(diào)節(jié)間隔增大收發(fā)距，直到達(dá)到所述最大收發(fā)距；基于采集到的探測(cè)數(shù)據(jù)形成探地雷達(dá)時(shí)間剖面圖，在時(shí)間剖面圖上標(biāo)出雷達(dá)波的同向軸追蹤線，得到同向軸追蹤線的斜率值，然后基于給定的公式計(jì)算地下介質(zhì)層速度和對(duì)應(yīng)的地下介質(zhì)介電常數(shù)。利用本發(fā)明可進(jìn)行地下介質(zhì)層速度的探測(cè)和精確計(jì)算。
【專利說(shuō)明】—種用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)CMP探測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及探地雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)CMP探測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar, GPR)又稱地質(zhì)雷達(dá),通過(guò)發(fā)射高頻脈沖電磁波(頻率介于16-1O9Hz)對(duì)地下介質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，確定地下介質(zhì)分布，具有操作簡(jiǎn)單、探測(cè)精度高、無(wú)損傷、采集速度快等特點(diǎn)，是目前工程檢測(cè)和勘察最為活躍的探測(cè)技術(shù)，在巖土工程中的應(yīng)用日趨廣泛。探測(cè)時(shí)，探地雷達(dá)的發(fā)射天線(Transmitting antenna)和接收天線(Receiving antenna)放置在地表,發(fā)射天線和接收天線之間的距離稱為“收發(fā)距(Offset) ”。目前的探地雷達(dá)裝備都采用固定收發(fā)距。
[0003]固定收發(fā)距的中高頻天線大多是將發(fā)射系統(tǒng)(Transmitting system)和接收統(tǒng)(Receiving system)封裝在一個(gè)屏蔽外殼內(nèi)，二者間的距離固定。發(fā)射系統(tǒng)是指完成雷達(dá)發(fā)射電磁波功能的全部組件，具體比包括:發(fā)射機(jī)單元、發(fā)射天線輻射面、同步電路等；接收機(jī)系統(tǒng)是指完成雷達(dá)接收反射電磁波功能的全部組件，具體包括:接收機(jī)單元、接收天線輻射面、同步電路等。天線的收發(fā)距也是雷達(dá)天線的發(fā)射系統(tǒng)中心點(diǎn)至接收系統(tǒng)中心點(diǎn)之間的距離。另一方面，低頻天線體積較大，一般為發(fā)射、接收天線分別獨(dú)立封裝，在普通反射式探測(cè)過(guò)程中其收發(fā)距(Offset)亦保持不變。
[0004]固定收發(fā)距的探地雷達(dá)發(fā)射并接收電磁波信號(hào)，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的界面時(shí)發(fā)生反射，介電常數(shù)不同的介質(zhì)交界面是反射界面。實(shí)際中，如果兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異較小，電磁波反射信號(hào)較弱；如果介質(zhì)的電導(dǎo)率較高，對(duì)電磁波的吸收較強(qiáng)，導(dǎo)致較難獲得反射層的具體位置，進(jìn)而無(wú)法判斷反射界面上覆介質(zhì)層中雷達(dá)波的波速。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提出一種用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)CMP探測(cè)方法，基于CMP方法，進(jìn)行地下介質(zhì)層的探測(cè)和層速度的精確計(jì)算。
[0006]本發(fā)明提供一種用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)CMP探測(cè)方法，包括:確定探地雷達(dá)的最大收發(fā)距和收發(fā)距調(diào)節(jié)間隔；進(jìn)行多次探測(cè)以采集探測(cè)數(shù)據(jù)，其中，首次探測(cè)時(shí)收發(fā)距設(shè)置為0m，之后每一次探測(cè)之前均基于所述收發(fā)距調(diào)節(jié)間隔增大收發(fā)距，直到達(dá)到所述最大收發(fā)距；基于采集到的探測(cè)數(shù)據(jù)形成探地雷達(dá)探測(cè)深度隨時(shí)間變化的剖面圖，在剖面圖上標(biāo)出雷達(dá)波的各層同向軸追蹤線，得到同向軸追蹤線的斜率值；基于式(1)-(3)計(jì)算地下介質(zhì)層速度Vi和對(duì)應(yīng)的地下介質(zhì)介電常數(shù)ε j:
[0007]1/kj = d/0.5tj(I)
[0008]ti/ti+1 = ki/ki+1 (2)
[0009] Vi=Ifki=CZ^fet(3)
[0010]其中，d為收發(fā)距，ki為同向軸追蹤線的斜率值，ti為雙程旅行時(shí)間，c =3.0X108m/s，為電磁波在空氣中的傳播速度；角標(biāo)i表征第i條同向軸追蹤線。
[0011]優(yōu)選地，首次探測(cè)之前調(diào)節(jié)探地雷達(dá)，以使探地雷達(dá)在最大收發(fā)距上采集到清晰穩(wěn)定的圖像。
[0012]優(yōu)選地，最大收發(fā)距為10m。收發(fā)距調(diào)節(jié)間隔介于2-lOcm。
[0013]優(yōu)選地，探地雷達(dá)采用的發(fā)射天線和接收天線均基于GR系列探地雷達(dá)50MHz的非屏蔽天線，兩天線以光纖相連接。
[0014]本發(fā)明的有益效果:有別于普通固定收發(fā)距探地雷達(dá)的反射方法，本發(fā)明基于CMP方法進(jìn)行反射層探測(cè)，探測(cè)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整天線收發(fā)距，以多次反射信號(hào)疊加確定反射層位置，通過(guò)雷達(dá)剖面圖分析并精確計(jì)算介質(zhì)層速度和介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)介質(zhì)層速度的快速、精確探測(cè)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的探地雷達(dá)采用的發(fā)射天線模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的探地雷達(dá)采用的接收天線模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的CMP探測(cè)過(guò)程狀態(tài)示意圖。
[0018]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的CMP探測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖以及具體實(shí)施案例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0020]本發(fā)明針對(duì)收發(fā)距固定的反射式探地雷達(dá)無(wú)法精確計(jì)算地下介質(zhì)層速度的問(wèn)題，(因?yàn)橐_求出層速度必須知道反射界面的深度，而反射界面的深度一般是未知的)。利用CMP方法展開(kāi)探測(cè)。CMP(Common Middle Point,共中心點(diǎn))方法是指發(fā)射天線和接收天線的中心點(diǎn)固定，探測(cè)過(guò)程中將兩天線同時(shí)向中心點(diǎn)兩側(cè)反方向移動(dòng)的探測(cè)方式。
[0021]圖1和圖2分別示出了本發(fā)明實(shí)案施例中的探地雷達(dá)采用的發(fā)射天線模塊和接收天線模塊，兩模塊都基于GR系列探地雷達(dá)的50MHz非屏蔽天線，以光纖作為兩模塊之間信號(hào)傳輸和同步的連接線，兩模塊通過(guò)數(shù)據(jù)接口與雷達(dá)主機(jī)相連，使用內(nèi)置電源分別對(duì)兩模塊供電。為提高雷達(dá)在不同距離上所采集數(shù)據(jù)的精度和圖像的分辨率，探測(cè)時(shí)采用極窄的脈沖波，射頻脈沖的頻譜占50兆帶寬，采用相應(yīng)的寬帶接收電路。另外，由于基于CMP方法探測(cè)，兩天線模塊需要在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，因此在接收天線模塊內(nèi)放置一高頻放大器，與接收機(jī)相連，該放大器具有時(shí)變?cè)鲆婵刂乒δ?，可以較好的提取回波，在大范圍內(nèi)具有穩(wěn)定性。探測(cè)前調(diào)節(jié)雷達(dá)主機(jī)，保證接收天線模塊在最大收發(fā)距條件下仍可接收到有效信號(hào)。
[0022]以上完成了 CMP探地雷達(dá)的設(shè)置，以下描述本發(fā)明的CMP探測(cè)過(guò)程。圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例的CMP探測(cè)過(guò)程中的狀態(tài)示意圖，M為探測(cè)的目標(biāo)體，M位于地表面之下，探地雷達(dá)放置于地表面。在本實(shí)施例中，將探地雷達(dá)的最大收發(fā)距dmax設(shè)定為1000cm，收發(fā)距d可在O-1OOOcm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
[0023]開(kāi)始測(cè)試，根據(jù)CMP方法，首先考察收發(fā)距d = O的情況，將收、發(fā)天線緊鄰地放置在目標(biāo)體正上方O點(diǎn)位置，兩天線發(fā)射桿位置保持相對(duì)平行，對(duì)目標(biāo)體M進(jìn)行第一次探測(cè)，操作雷達(dá)主機(jī)以單點(diǎn)觸發(fā)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，之后以Ad = n cm(為了增加數(shù)據(jù)的采集量，η—般為2-lOcm)為間隔，逐漸增大收發(fā)距至最大收發(fā)距，進(jìn)行多次探測(cè)。本實(shí)施例以Ad=5cm為收發(fā)距調(diào)節(jié)間隔，以O(shè)為中點(diǎn)向兩側(cè)挪動(dòng)天線(圖3實(shí)施例中為向左、右兩側(cè)挪動(dòng))，增大兩天線的收發(fā)距。其中，每挪動(dòng)一次天線后，都進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)并采集數(shù)據(jù)，直至達(dá)到最大收發(fā)距dmax = 10m。鑒于單點(diǎn)觸發(fā)每次僅采集一道雷達(dá)數(shù)據(jù)，不能很好地反應(yīng)地下反射層“NN”的特征，可在每個(gè)不同的收發(fā)距下都進(jìn)行多次點(diǎn)測(cè)(如三次)，為后期計(jì)算提供足夠多的數(shù)據(jù)。
[0024]探測(cè)完畢后，將采集到的CMP探測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出并分析，本發(fā)明通過(guò)探地雷達(dá)剖面圖進(jìn)行分析。圖4示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的CMP探測(cè)的剖面圖，橫坐標(biāo)為收發(fā)距d，縱坐標(biāo)為雷達(dá)波的雙程旅行時(shí)間t。將CMP探測(cè)數(shù)據(jù)表示為時(shí)間剖面圖像，可準(zhǔn)確反映地下各反射界面的形態(tài)，利用剖面圖還可以進(jìn)行同向軸的追蹤。
[0025]基于雷達(dá)剖面圖進(jìn)行層速度計(jì)算?？稍谌鐖D4的雷達(dá)剖面圖中標(biāo)出雷達(dá)波的同向軸追蹤線(圖中未示出)，如“空氣直達(dá)波”、“地表直達(dá)波”、“第一層反射波”、“第二層反射波”…“第η層反射波”的同向軸追蹤線。以各追蹤線為依據(jù)，可得到各追蹤線的斜率h的倒數(shù)，如下式:
[0026]1/kj = d/0.5tj(I)
[0027]其中d為收發(fā)距，單位為米；0.為單程旅行時(shí)間，角標(biāo)i表征第i條追蹤線，單位為秒。根據(jù)同向軸追蹤線的含義，式(I)表征雷達(dá)波在各介質(zhì)中的傳播速度，即層速度V。
[0028]其中，“空氣直達(dá)波”是指在空氣介質(zhì)中，在多個(gè)不同的收發(fā)距下，電磁波從發(fā)射天線到達(dá)接收天線的反射波的疊加，其追蹤線斜率的倒數(shù)反映空氣介質(zhì)中電磁波的波速C (3.0 X108m/s)，即空氣直達(dá)波的斜率，其倒數(shù)l/k& = C，在所有反射波中為最大，表征雷達(dá)波在空氣介質(zhì)中的傳播速度最快?！暗乇碇边_(dá)波”是指沿地表表層傳播到達(dá)接收天線的電磁波，其追蹤線斜率的倒數(shù)小于空氣直達(dá)波的追蹤線斜率的倒數(shù)。
[0029]雷達(dá)電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到介電常數(shù)不同的介質(zhì)交界面時(shí)產(chǎn)生的反射波，在本發(fā)明中，“第一層反射波”是指在不同收發(fā)距下，由第一層反射界面產(chǎn)生的反射波的疊加，其追蹤線斜率的倒數(shù)是電磁波在第一層反射界面上方的介質(zhì)中的傳播速度，可計(jì)算得到雷達(dá)波在該介質(zhì)的層速度V1 = 1/\。
[0030]類似地，“第二層反射波”是指在不同收發(fā)距下，由第二層反射界面產(chǎn)生的反射波的疊加，其斜率倒數(shù)為電磁波在第二層反射界面和第一層反射界面之間的介質(zhì)中的傳播速度，即層速度為V2 = l/k2?！暗讦菍臃瓷洳ā睘樵诓煌瞻l(fā)距下，由第η層反射界面所產(chǎn)生的反射波的疊加，其斜率倒數(shù)為電磁波在第η和第η-1層反射界面之間的介質(zhì)中的傳播速度，即層速度Vn= l/kn。這里，第η層反射界面是雷達(dá)探測(cè)有效深度內(nèi)能分辨出的最末層反射層位。
[0031]進(jìn)一步地，在雷達(dá)剖面圖上，收發(fā)距d相同時(shí)，存在以下比例關(guān)系:
[0032]tj/t.+l = kj/ki+l(2)
[0033]Vi = I ' k =Cl-^Si(3)
[0034]基于上述比例關(guān)系式，根據(jù)空氣直達(dá)波的參數(shù)以及式(2)，可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的追蹤線斜率倒數(shù)，即得到了各層介質(zhì)的層速度Vi，進(jìn)而根據(jù)式(3)可得到介質(zhì)的介電常數(shù)
[0035]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用CMP方法探測(cè)，最大收發(fā)距dmax = 10m，調(diào)節(jié)間隔Δ d = 5cm,探測(cè)完畢后分析探測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)收發(fā)距d = 7.38m時(shí)，空氣直達(dá)波的雙程旅行時(shí)tair = 49.21ns,計(jì)算得到雷達(dá)波在空氣介質(zhì)中的傳播速度vair = l/kair = d/0.5tair =3.0X108m/s ;對(duì)于第一層反射波，其雙程旅行時(shí)h = 98.43ns,根據(jù)式(2)，計(jì)算得到第一層反射波對(duì)應(yīng)的斜率倒數(shù)1/X = UailZt1) X (l/kair) = 6.0X 108m/s,再根據(jù)式(3)，計(jì)算得到S1 = 4。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到了雷達(dá)波在第一層反射界面上方介質(zhì)中的層速度為6.0X108m/s，該介質(zhì)的介電常數(shù)為4。本實(shí)施例實(shí)際使用的第一層介質(zhì)為干砂，干砂的介電常數(shù)為4，與計(jì)算結(jié)果一致，表明利用本發(fā)明的CMP探測(cè)方法的計(jì)算值與實(shí)際相符合，探測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠。同理，根據(jù)測(cè)量得到的各層介質(zhì)的雙程旅行時(shí)，可以計(jì)算出各層介質(zhì)的層速度，以及介質(zhì)的介電常數(shù)，計(jì)算過(guò)程快速，計(jì)算結(jié)果精確。
[0036]以上，結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，所描述的具體實(shí)施例用于幫助理解本發(fā)明的思想。本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明具體實(shí)施例的基礎(chǔ)上做出的推導(dǎo)和變型也屬于本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)CMP探測(cè)方法，其特征包括: 確定探地雷達(dá)的最大收發(fā)距dmax和收發(fā)距調(diào)節(jié)間隔Λ d ； 進(jìn)行多次探測(cè)以采集探測(cè)數(shù)據(jù)，其中，首次探測(cè)時(shí)收發(fā)距設(shè)置為Om，之后每一次探測(cè)之前均基于所述收發(fā)距調(diào)節(jié)間隔增大收發(fā)距，直到達(dá)到所述最大收發(fā)距dmax ； 基于采集到的探測(cè)數(shù)據(jù)形成探地雷達(dá)剖面圖，在雷達(dá)剖面圖上標(biāo)出雷達(dá)波的同向軸追蹤線，得到同向軸追蹤線的斜率值h ； 基于式(1)-(3)計(jì)算地下介質(zhì)層速度Vi和對(duì)應(yīng)的地下介質(zhì)介電常數(shù)ε i:
1/kj = d/0.5tj (I)
ti/ti+1 = ki/ki+1 (2) vi =1, = c /(3) 其中，d為收發(fā)距，ki為同向軸追蹤線的斜率值，ti為雙程旅行時(shí)間，C = 3.0X108m/s,角標(biāo)i表征第i條同向軸追蹤線。
2.如權(quán)利要求1所述的用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)CMP探測(cè)方法，其特征在于，首次探測(cè)之前調(diào)節(jié)探地雷達(dá)，以使探地雷達(dá)與所述最大收發(fā)距相匹配。
3.如權(quán)利要求1所述的用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)CMP探測(cè)方法，其特征在于，其中dmax=10m。
4.如權(quán)利要求3所述的用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)CMP探測(cè)方法，其特征在于，其中2cm d ^ 10cm。
5.如權(quán)利要求3所述的用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)CMP探測(cè)方法，其特征在于，其中Ad—5 cm ο
6.如權(quán)利要求1所述的用于探地雷達(dá)的共中心點(diǎn)CMP探測(cè)方法，其特征在于，所述探地雷達(dá)的發(fā)射天線模塊和接收天線模塊均基于GR系列探地雷達(dá)的50MHz非屏蔽天線，發(fā)射天線模塊和接收天線模塊以光纖連接。
【文檔編號(hào)】G01V3/12GK104267440SQ201410514218
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】崔凡, 顧大釗, 楊俊哲, 賀安民, 聶俊麗, 郭洋楠 申請(qǐng)人:中國(guó)神華能源股份有限公司, 神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司, 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)