GR地質雷達使用說明手冊 第1章

2022-05-15 07:50:57 字數 1707 閱讀 3829

1.2.1平面電磁波在均勻導電媒介中的傳播

電磁波在均勻導電介質中傳播,即要考慮傳導電流的影響,也要考慮位移電流的影響。假設平面電磁波沿z的正方向,亥姆霍斯方程為:

1–7)

(1–8)

通過求解上式並乘上時間因子,得場向量

1–9)

1–10)

其中:1–11)

1–12)

由此可見,在導電介質中傳播的平面電磁波,在傳播方向上波的振幅按指數規律衰減。a表示每單位距離落後的相位,稱為位相常數;b表示每單位距離衰減程度的常數,稱衰減常數。知道了常數a,就可由

求出電磁波在導電媒介中的傳播速度。a、b的值完全由導電介質的性質和電磁波的角頻率決定。

1.2.2平面電磁波在良導電均勻媒介中的傳播

對於銅、鐵等良導電媒介質,其電導率很大,即很大,由式(1-12)看到衰減常數b也很大,因此,電磁波在良導電媒質中傳播時,場向量的衰減很快,電磁波只能透入良導體表面的薄層內(電磁波只能在導體以外的空間或電介質中傳播),這種現象稱為趨膚效應。在z=1/b處,振幅為e0/e,即場向量的振幅在導體內的1/b處,已衰減到表面處的1/e,這時,電磁波透入導體內的深度稱為穿透深度,或趨膚深度,用表示: =1/b,把b代入上式,經過簡化可得:

1–13)

這表明電磁波進入良導體的深度是其波長的倍,高頻電磁波透入良導體的深度很小。當頻率是100mhz時, =0.67。

可見,高頻電磁波的電磁場,集中在良導體表面的薄層內,相應的高頻電流也集中在該薄層內流動。

1.2.3電磁波的反射

波動方程和有關的傳播與衰減常數描述了電磁波的運動。其中,引起電磁波衰減和傳播的兩個主要電性是電導率和介電常數。而對於應用高頻電磁波的地質雷達來說,其發射電磁波的頻率範圍、被探測目的體的電導率和介電常數均影響著電磁波的傳播。

地質雷達利用高頻電磁脈衝波的反射原理來實現探測目的,其反射脈衝訊號的強度不僅與傳播介質的波吸收程度有關,而且也與被穿透介質介面的波反射係數有關。垂直介面入射的反射係數r的模值和幅角,可表示如下:

1–14)

1–15)

式中:1–16)

1–17)

、和分別表示介質的導磁係數、相對介電常數和電導率。角標1和2分別代表入射介質和透射介質。上式可以看出,反射係數與介面兩邊介質的電磁性質和頻率有關。

兩邊介質的電磁引數差別越大,反射係數也大,同樣反射波的能量亦大。

1. 3地質雷達野外工作方式

地質雷達利用主頻為數十兆赫至千兆赫波段的電磁波,以寬頻帶短脈衝的形式,由地面通過天線發射器(t)傳送至地下,經地下目的體或地層的介面反射後返回地面,為雷達天

線接受器(r)接受,其工作原理如圖1–1:

圖1-1 地質雷達工作原理示意圖

脈衝波的行程為:

1–18)

式中t:脈衝波走時(ns,1ns=10-9s)

z:反射體深度(m)

x:t與r的距離(m)

v:雷達脈衝波速(m/s)

地質雷達的天線發射及接受器有單置式和雙置式之分,單置式為發射與接受器同置一體,雙置式為反射與接受分體。

使用單置式天線計算探測目的層深度的計算式為:

1–19)

使用雙置式天線計算探測目的層深度的計算式為:

1–20)

z:反射體深度(m)

t1:第一次脈衝波走時(ns,1ns=10-9s)

x1:第一次t與r的距離(m)

t2:第二次脈衝波走時(ns,1ns=10-9s)

x2:第二次t與r的距離(m)

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