一種用于探地雷達的共中心點cmp探測方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于探地雷達的共中心點CMP探測方法，確定探地雷達的最大收發距和收發距調節間隔；進行多次探測以采集探測數據，其中，首次探測時收發距設置為0，之后每一次探測之前均基于所述收發距調節間隔增大收發距，直到達到所述最大收發距；基于采集到的探測數據形成探地雷達時間剖面圖，在時間剖面圖上標出雷達波的同向軸追蹤線，得到同向軸追蹤線的斜率值，然后基于給定的公式計算地下介質層速度和對應的地下介質介電常數。利用本發明可進行地下介質層速度的探測和精確計算。
【專利說明】—種用于探地雷達的共中心點CMP探測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及探地雷達【技術領域】，具體涉及一種用于探地雷達的共中心點CMP探測方法。
【背景技術】
[0002]探地雷達(Ground Penetrating Radar, GPR)又稱地質雷達,通過發射高頻脈沖電磁波(頻率介于16-1O9Hz)對地下介質進行探測，確定地下介質分布，具有操作簡單、探測精度高、無損傷、采集速度快等特點，是目前工程檢測和勘察最為活躍的探測技術，在巖土工程中的應用日趨廣泛。探測時，探地雷達的發射天線(Transmitting antenna)和接收天線(Receiving antenna)放置在地表,發射天線和接收天線之間的距離稱為“收發距(Offset) ”。目前的探地雷達裝備都采用固定收發距。
[0003]固定收發距的中高頻天線大多是將發射系統(Transmitting system)和接收統(Receiving system)封裝在一個屏蔽外殼內，二者間的距離固定。發射系統是指完成雷達發射電磁波功能的全部組件，具體比包括:發射機單元、發射天線輻射面、同步電路等；接收機系統是指完成雷達接收反射電磁波功能的全部組件，具體包括:接收機單元、接收天線輻射面、同步電路等。天線的收發距也是雷達天線的發射系統中心點至接收系統中心點之間的距離。另一方面，低頻天線體積較大，一般為發射、接收天線分別獨立封裝，在普通反射式探測過程中其收發距(Offset)亦保持不變。
[0004]固定收發距的探地雷達發射并接收電磁波信號，電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的界面時發生反射，介電常數不同的介質交界面是反射界面。實際中，如果兩種介質的介電常數差異較小，電磁波反射信號較弱；如果介質的電導率較高，對電磁波的吸收較強，導致較難獲得反射層的具體位置，進而無法判斷反射界面上覆介質層中雷達波的波速。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本發明提出一種用于探地雷達的共中心點CMP探測方法，基于CMP方法，進行地下介質層的探測和層速度的精確計算。
[0006]本發明提供一種用于探地雷達的共中心點CMP探測方法，包括:確定探地雷達的最大收發距和收發距調節間隔；進行多次探測以采集探測數據，其中，首次探測時收發距設置為0m，之后每一次探測之前均基于所述收發距調節間隔增大收發距，直到達到所述最大收發距；基于采集到的探測數據形成探地雷達探測深度隨時間變化的剖面圖，在剖面圖上標出雷達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)計算地下介質層速度Vi和對應的地下介質介電常數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為收發距，ki為同向軸追蹤線的斜率值，ti為雙程旅行時間，c =3.0X108m/s，為電磁波在空氣中的傳播速度；角標i表征第i條同向軸追蹤線。
[0011]優選地，首次探測之前調節探地雷達，以使探地雷達在最大收發距上采集到清晰穩定的圖像。
[0012]優選地，最大收發距為10m。收發距調節間隔介于2-lOcm。
[0013]優選地，探地雷達采用的發射天線和接收天線均基于GR系列探地雷達50MHz的非屏蔽天線，兩天線以光纖相連接。
[0014]本發明的有益效果:有別于普通固定收發距探地雷達的反射方法，本發明基于CMP方法進行反射層探測，探測過程中通過調整天線收發距，以多次反射信號疊加確定反射層位置，通過雷達剖面圖分析并精確計算介質層速度和介電常數，實現了對介質層速度的快速、精確探測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明實施例的探地雷達采用的發射天線模塊結構示意圖。
[0016]圖2是本發明實施例的探地雷達采用的接收天線模塊結構示意圖。
[0017]圖3是本發明實施例的CMP探測過程狀態示意圖。
[0018]圖4是本發明實施例的CMP探測數據的時間剖面圖。
【具體實施方式】
[0019]以下結合附圖以及具體實施案例，對本發明的技術方案進行詳細描述。
[0020]本發明針對收發距固定的反射式探地雷達無法精確計算地下介質層速度的問題，(因為要精確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方法展開探測。CMP(Common Middle Point,共中心點)方法是指發射天線和接收天線的中心點固定，探測過程中將兩天線同時向中心點兩側反方向移動的探測方式。
[0021]圖1和圖2分別示出了本發明實案施例中的探地雷達采用的發射天線模塊和接收天線模塊，兩模塊都基于GR系列探地雷達的50MHz非屏蔽天線，以光纖作為兩模塊之間信號傳輸和同步的連接線，兩模塊通過數據接口與雷達主機相連，使用內置電源分別對兩模塊供電。為提高雷達在不同距離上所采集數據的精度和圖像的分辨率，探測時采用極窄的脈沖波，射頻脈沖的頻譜占50兆帶寬，采用相應的寬帶接收電路。另外，由于基于CMP方法探測，兩天線模塊需要在一定范圍內移動，因此在接收天線模塊內放置一高頻放大器，與接收機相連，該放大器具有時變增益控制功能，可以較好的提取回波，在大范圍內具有穩定性。探測前調節雷達主機，保證接收天線模塊在最大收發距條件下仍可接收到有效信號。
[0022]以上完成了 CMP探地雷達的設置，以下描述本發明的CMP探測過程。圖3示出了本發明實施例的CMP探測過程中的狀態示意圖，M為探測的目標體，M位于地表面之下，探地雷達放置于地表面。在本實施例中，將探地雷達的最大收發距dmax設定為1000cm，收發距d可在O-1OOOcm范圍內調節。
[0023]開始測試，根據CMP方法，首先考察收發距d = O的情況，將收、發天線緊鄰地放置在目標體正上方O點位置，兩天線發射桿位置保持相對平行，對目標體M進行第一次探測，操作雷達主機以單點觸發形式進行數據采集，之后以Ad = n cm(為了增加數據的采集量，η—般為2-lOcm)為間隔，逐漸增大收發距至最大收發距，進行多次探測。本實施例以Ad=5cm為收發距調節間隔，以O為中點向兩側挪動天線(圖3實施例中為向左、右兩側挪動)，增大兩天線的收發距。其中，每挪動一次天線后，都進行雷達探測并采集數據，直至達到最大收發距dmax = 10m。鑒于單點觸發每次僅采集一道雷達數據，不能很好地反應地下反射層“NN”的特征，可在每個不同的收發距下都進行多次點測(如三次)，為后期計算提供足夠多的數據。
[0024]探測完畢后，將采集到的CMP探測數據導出并分析，本發明通過探地雷達剖面圖進行分析。圖4示出了本發明一個實施例的CMP探測的剖面圖，橫坐標為收發距d，縱坐標為雷達波的雙程旅行時間t。將CMP探測數據表示為時間剖面圖像，可準確反映地下各反射界面的形態，利用剖面圖還可以進行同向軸的追蹤。
[0025]基于雷達剖面圖進行層速度計算?？稍谌鐖D4的雷達剖面圖中標出雷達波的同向軸追蹤線(圖中未示出)，如“空氣直達波”、“地表直達波”、“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，可得到各追蹤線的斜率h的倒數，如下式:
[0026]1/kj = d/0.5tj(I)
[0027]其中d為收發距，單位為米；0.為單程旅行時間，角標i表征第i條追蹤線，單位為秒。根據同向軸追蹤線的含義，式(I)表征雷達波在各介質中的傳播速度，即層速度V。
[0028]其中，“空氣直達波”是指在空氣介質中，在多個不同的收發距下，電磁波從發射天線到達接收天線的反射波的疊加，其追蹤線斜率的倒數反映空氣介質中電磁波的波速C (3.0 X108m/s)，即空氣直達波的斜率，其倒數l/k& = C，在所有反射波中為最大，表征雷達波在空氣介質中的傳播速度最快?！暗乇碇边_波”是指沿地表表層傳播到達接收天線的電磁波，其追蹤線斜率的倒數小于空氣直達波的追蹤線斜率的倒數。
[0029]雷達電磁波在地下介質中傳播時遇到介電常數不同的介質交界面時產生的反射波，在本發明中，“第一層反射波”是指在不同收發距下，由第一層反射界面產生的反射波的疊加，其追蹤線斜率的倒數是電磁波在第一層反射界面上方的介質中的傳播速度，可計算得到雷達波在該介質的層速度V1 = 1/\。
[0030]類似地，“第二層反射波”是指在不同收發距下，由第二層反射界面產生的反射波的疊加，其斜率倒數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距下，由第η層反射界面所產生的反射波的疊加，其斜率倒數為電磁波在第η和第η-1層反射界面之間的介質中的傳播速度，即層速度Vn= l/kn。這里，第η層反射界面是雷達探測有效深度內能分辨出的最末層反射層位。
[0031]進一步地，在雷達剖面圖上，收發距d相同時，存在以下比例關系:
[0032]tj/t.+l = kj/ki+l(2)
[0033]Vi = I ' k =Cl-^Si(3)
[0034]基于上述比例關系式，根據空氣直達波的參數以及式(2)，可計算出對應的追蹤線斜率倒數，即得到了各層介質的層速度Vi，進而根據式(3)可得到介質的介電常數
[0035]在本發明的一個實施例中，使用CMP方法探測，最大收發距dmax = 10m，調節間隔Δ d = 5cm,探測完畢后分析探測數據，當收發距d = 7.38m時，空氣直達波的雙程旅行時tair = 49.21ns,計算得到雷達波在空氣介質中的傳播速度vair = l/kair = d/0.5tair =3.0X108m/s ;對于第一層反射波，其雙程旅行時h = 98.43ns,根據式(2)，計算得到第一層反射波對應的斜率倒數1/X = UailZt1) X (l/kair) = 6.0X 108m/s,再根據式(3)，計算得到S1 = 4。根據計算結果，得到了雷達波在第一層反射界面上方介質中的層速度為6.0X108m/s，該介質的介電常數為4。本實施例實際使用的第一層介質為干砂，干砂的介電常數為4，與計算結果一致，表明利用本發明的CMP探測方法的計算值與實際相符合，探測結果真實可靠。同理，根據測量得到的各層介質的雙程旅行時，可以計算出各層介質的層速度，以及介質的介電常數，計算過程快速，計算結果精確。
[0036]以上，結合具體實施例對本發明的技術方案進行了詳細介紹，所描述的具體實施例用于幫助理解本發明的思想。本領域技術人員在本發明具體實施例的基礎上做出的推導和變型也屬于本發明保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于探地雷達的共中心點CMP探測方法，其特征包括: 確定探地雷達的最大收發距dmax和收發距調節間隔Λ d ； 進行多次探測以采集探測數據，其中，首次探測時收發距設置為Om，之后每一次探測之前均基于所述收發距調節間隔增大收發距，直到達到所述最大收發距dmax ； 基于采集到的探測數據形成探地雷達剖面圖，在雷達剖面圖上標出雷達波的同向軸追蹤線，得到同向軸追蹤線的斜率值h ； 基于式(1)-(3)計算地下介質層速度Vi和對應的地下介質介電常數ε i:
1/kj = d/0.5tj (I)
ti/ti+1 = ki/ki+1 (2) vi =1, = c /(3) 其中，d為收發距，ki為同向軸追蹤線的斜率值，ti為雙程旅行時間，C = 3.0X108m/s,角標i表征第i條同向軸追蹤線。
2.如權利要求1所述的用于探地雷達的共中心點CMP探測方法，其特征在于，首次探測之前調節探地雷達，以使探地雷達與所述最大收發距相匹配。
3.如權利要求1所述的用于探地雷達的共中心點CMP探測方法，其特征在于，其中dmax=10m。
4.如權利要求3所述的用于探地雷達的共中心點CMP探測方法，其特征在于，其中2cm d ^ 10cm。
5.如權利要求3所述的用于探地雷達的共中心點CMP探測方法，其特征在于，其中Ad—5 cm ο
6.如權利要求1所述的用于探地雷達的共中心點CMP探測方法，其特征在于，所述探地雷達的發射天線模塊和接收天線模塊均基于GR系列探地雷達的50MHz非屏蔽天線，發射天線模塊和接收天線模塊以光纖連接。
【文檔編號】G01V3/12GK104267440SQ201410514218
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月29日 優先權日:2014年9月29日
【發明者】崔凡, 顧大釗, 楊俊哲, 賀安民, 聶俊麗, 郭洋楠 申請人:中國神華能源股份有限公司, 神華神東煤炭集團有限責任公司, 中國礦業大學(北京)
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
