CN105676000A - 透射式ct探地雷达对土壤相对介电常数的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透射式CT探地雷达对土壤相对介电常数的测定方法，包括以下步骤：将发射***与接收***分别封装在不同的壳体内，发射***包括发射天线，接收***包括接收天线；在空气中采集电磁波数据，选取初至作为起跳点，获取不同天线距离及其对应的第一起跳时间，根据天线距离计算电磁波在空气中的理论旅行时间，通过第一起跳时间和理论旅行时间计算平均起跳时间；获取电磁波在预定介质厚度中的第二起跳时间，将平均起跳时间作为零线校正值对第二起跳时间进行校正，根据厚度和校正后的第二起跳时间计算电磁波在介质中的传播速度；根据电磁波在介质和空气中的传播速度计算出相对介电常数。利用本发明可精确计算介质的相对介电常数。

Description

透射式CT探地雷达对土壤相对介电常数的测定方法

技术领域

本发明涉及探地雷达技术领域，具体涉及一种透射式CT探地雷达对土壤相对介电常数的测定方法。

背景技术

探地雷达技术是通过发射高频脉冲电磁波(频率范围在10⁶-10⁹Hz)进行地下目标探测的一门科学。探地雷达具有操作简单、探测精度高、无损伤、采集速度快等特点，是目前工程检测和勘察最为常用的技术方法，在岩土工程中的应用也日趋广泛。目前探地雷达的探测方法主要以反射剖面法为主。图1为反射式探地雷达的探测原理，反射探测是雷达的发射天线和接收天线都放置于被测介质表面，通过向介质中发射高频宽带电磁波脉冲信号，并接收介质中具有电性差异地方所反射回的电磁波信号实现探测的过程。

但是，由于地下介质分布和性质上的复杂性，反射式探地雷达在数据反演过程中很难精确区分各介质的层位信息；而且无法精确的确定起跳时间，从而无法精确计算高频脉冲电磁波在介质中的传播速度，因此无法计算出探测介质的相对介电常数。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种透射式CT探地雷达对土壤相对介电常数的测定方法，可校正电磁波在介质中的起跳时间，计算出电磁波在介质中的传播速度，从而精确计算出土壤的相对介电常数。

本发明提供一种透射式CT探地雷达对土壤相对介电常数的测定方法，其中，包括以下步骤：S101，将探地雷达的发射***与接收***分别封装在不同的壳体内，发射***包括发射天线，接收***包括接收天线；S102，在空气中通过两天线共中心线相向放置的形式采集电磁波数据，选取电磁波初至作为起跳点，获取发射天线与接收天线各不同天线距离及其对应的第一起跳时间，根据天线距离计算电磁波在空气中的理论旅行时间，通过第一起跳时间和电磁波在空气中的理论旅行时间，对应相减后并求平均值以计算平均起跳时间；S103，对被测介质开展共中心线且相向放置的CT实测工作，获取电磁波在预定介质厚度中的第二起跳时间，将之前计算的平均起跳时间作为零线校正值对第二起跳时间进行校正，根据厚度和校正后的第二起跳时间计算电磁波完全在介质中的传播速度；S104，根据电磁波在介质和空气中的传播速度计算出相对介电常数。

优选地，天线距离为0-200cm。

优选地，初至为具有同一特征的相位。

优选地，初至为零相位或1/4波长或1/2波长。

优选地，发射天线与接收天线之间采用高频同轴电缆连接。

优选地，第二起跳时间为单道波形的起跳时间。

本发明提供的相对介电常数确定方法通过将发射***与接收***分别封装在不同的壳体内，获取空气中的平均起跳时间来校正实测介质中的起跳时间，可精确得出电磁波在介质中的传播速度，从而精确计算出介质的相对介电常数，克服了传统反射式探地雷达不能精确计算介质相对介电常数的缺陷。

附图说明

图1是反射式探地雷达的探测原理示意图。

图2是本发明实施例的相对介电常数测定方法的流程图。

图3是本发明实施例的不同天线距离的空气对拉实验示意图。

图4是本发明实施例的透射CT式探地雷达的土壤模型探测示意图。

图5是本发明实施例的不同天线距离的空气对拉实验的探地雷达剖面图。

图6是本发明实施例的探地雷达剖面单道信息显示图。

图7是本发明实施例的探地雷达以第一次正波峰为初至时间的单道雷达波形图。

图8是本发明一个实施例的土壤介质透射式CT天线实测剖面及单道信息提取图。

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述。

图2示出了本发明的相对介电常数确定方法的流程图，其包括以下步骤：

S101，将探地雷达的发射***与接收***分别封装在不同的壳体内，发射***包括发射天线，接收***包括接收天线；

基于GR(GeologyRadar，探地雷达)系列探地雷达的750MHz天线，将发射***与接收***相分离，将发射天线辐射面与发射模块、接收天线辐射面与接收模块分别封装在不同壳体内，并在壳体内通过填充吸收材料达到屏蔽干扰电磁波的效果，改造成透射CT(ChromatographicTechnique，层析技术)式探地雷达。发射天线与接收天线之间使用高频同轴电缆作为信号同步传输线。对两天线分别供电，并设计数据电源接口与主机相连。

其中，两天线的相对距离可在预定范围内任意调节，如0-200cm。为方便操作，可以将两个壳体分别安装在支架上，例如将两个壳体分别安装在支架两端的下部。支架的形状不做具体限定，以方便发射***和接收***使用即可。

S102，在空气中通过两天线共中心线相向放置的形式采集电磁波数据，选取电磁波初至作为起跳点，获取发射天线与接收天线各不同天线距离及其对应的第一起跳时间，根据天线距离计算电磁波在空气中的理论旅行时间，通过第一起跳时间和电磁波在空气中的理论旅行时间，对应相减后并求平均值以计算平均起跳时间；其中，在本领域，地震波波前到达某个观测点，在观测点上检波器检测到质点振动的时刻称为波的初至时间，简称初至。

使用透射CT式探地雷达开展空气对拉实验，将两天线共线以预定的间距相对放置，如0cm、40cm、80cm、120cm、160cm和200cm处，如图3和图4所示，其中T为发射***，R为接收***。

空气对拉实验是指在空气中将两天线相对放置并以等同的间隔移动，进行连续探地雷达数据采集。通过选取初至作为起跳点，并分别读取两天线相距不同距离时的第一起跳时间，如相距40cm时，第一起跳时间为t₀₂。初至可根据波形选择具有同一特征的相位，如信号的零相位、1/4波长、1/2波长等。

选取初至后，读取空气对拉实验中各不同天线距离d₁，d₂……d_n及其对应的起跳时间t₀₁，t₀₂……t_0n以及电磁波的理论旅行时间t₁，t₂……t_n。不同天线距离电磁波在空气中的理论旅行时间为t₁-t₀₁，t₂-t₀₂……t_n-t_0n，其中，t₁＝d₁/c，t₂＝d₂/c……t_n＝d_n/c，c为电磁波在空气中的传播速度，c＝3×10⁸m/s。则空气中旅行起跳平均时间为t_air＝[(t₁-t₀₁)+(t₂-t₀₂)+……+(t_n-t_0n)]/n，t_air为依据同一初至计算出的电磁波在空气中平均起跳时间。

如图5所示，在空气对拉实验中，两天线在空气中相对距离分别为40cm、80cm、120cm和160cm处时，从第一个正波峰位置(即1/4波长处)读取起跳时间在雷达剖面上的显示情况，并通过读取该处的第一起跳时间值t_0i(i＝1，2，3，4)计算空气中旅行起跳平均时间t_air。

S103，对被测介质开展共中心线且相向放置的CT实测工作，获取电磁波在预定介质厚度中的第二起跳时间，将之前计算的平均起跳时间作为零线校正值对第二起跳时间进行校正，根据厚度和校正后的第二起跳时间计算电磁波完全在介质中的传播速度；如图6所示，在本发明实施例中，在预定介质厚度中电磁波穿透被测介质所形成的的雷达剖面，并与之对应的以第一正波峰位置(即1/4波长处)读取第二起跳时间的单道波形信息图。

以平均起跳时间t_air作为实测土壤雷达数据的零线校正值，对雷达数据进行单道波形提取。在实测单道波形数据中，以平均起跳时间t_air作为实测土壤数据透射的起始时间t₀。再根据探测数据中的单道波形进行分析，读取穿过厚度d土壤介质后的起跳时间t_a，然后计算出电磁波在土壤中的传播速度v。

还可以对多个单道信息批量处理，计算出电磁波在介质中的平均传播速度v_平均。传播波速的计算公式为：

$v=\frac{d}{t_a-t_0}$

其中，v为电磁波在土壤中的传播速度，d为电磁波穿过的介质厚度，t_a为电磁波在土壤中的传播速度，t₀为起始时间。

S104，根据电磁波在介质和空气中的传播速度计算出相对介电常数。

根据下述公式可计算出相对介电常数，

$v=\frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}{c}$

其中，v为电磁波在土壤中的传播速度，c为电磁波在空气中的传播速度，c＝3×10⁸m/s。

在具体实施例中，可将相应的数值参数代入S104中的公式中即可计算出介质的相对介电常数。图7为空气对拉实验和实际探测工作中以第一正波峰(1/4波长处)为起跳时间所读取的各阶段数据中的单道信息，及其对应的第一起跳时间和第二起跳时间的读取位置。其中，前6道从左到右依次为空气对拉实验中天线距离分别为0cm、40cm、80cm、120cm、160cm和200cm对应的第一起跳时间的读取位置，后面三道为实际探测工作面对应的第二起跳时间的读取位置，将第一起跳时间和第二起跳时间的读取位置放在同一标尺，以减小由于标尺不同造成的起跳时间读取位置的误差，提高计算介质相对介电常数的精确度。图8为在发明实施例中，针对不同含水率土壤透射探测时的雷达剖面及其对应的起跳时间单道信息，其中，图中箭头所指的位置为第二起跳时间的读取位置。

在上述实施例的基础上，还可以计算电磁波在介质中的平均传播速度v_平均，从而得到平均相对介电常数ε_平均。

本发明通过将发射***与接收***分别封装在不同的壳体内，获取空气中的平均起跳时间来校正实测介质中的起跳时间，可精确得出电磁波在介质中的传播速度，从而精确计算出介质的相对介电常数，克服了传统反射式探地雷达不能精确计算介质相对介电常数的缺陷。

以上，结合具体实施例对本发明的技术方案进行了详细介绍，所描述的具体实施例用于帮助理解本发明的思想。本领域技术人员在本发明具体实施例的基础上做出的推导和变型也属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种透射式CT探地雷达对土壤相对介电常数的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101，将探地雷达的发射***与接收***分别封装在不同的壳体内，发射***包括发射天线，接收***包括接收天线；

S102，在空气中通过两天线共中心线相向放置的形式采集电磁波数据，选取电磁波初至作为起跳点，获取发射天线与接收天线各不同天线距离及其对应的第一起跳时间，根据天线距离计算电磁波在空气中的理论旅行时间，通过第一起跳时间和电磁波在空气中的理论旅行时间，对应相减后并求平均值以计算平均起跳时间；

S103，对被测介质开展共中心线且相向放置的CT实测工作，获取电磁波在预定介质厚度中的第二起跳时间，将之前计算的平均起跳时间作为零线校正值对第二起跳时间进行校正，根据厚度和校正后的第二起跳时间计算电磁波完全在介质中的传播速度；

S104，根据电磁波在介质和空气中的传播速度计算出相对介电常数。

2.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，天线距离为0-200cm。

3.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，初至为具有同一特征的相位。

4.如权利要求3所述的测定方法，其特征在于，初至为零相位或1/4波长或1/2波长。

5.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，发射天线与接收天线之间采用高频同轴电缆连接。

6.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，第二起跳时间为单道波形的起跳时间。