1探地雷達技術

GroundPenetratingRadarTechnology返回結束主要內(nèi)容一、概論及基礎知識1.探地雷達原理2.雷達波在工程材料介質中傳播3.工作方法和成果判釋二、在鐵路路基工程中的應用三、在隧道超前預報中的應用四、在隧道質量檢測中的應用31.探地雷達原理探地雷達：是一種淺層工程勘探方法（通過天線發(fā)射高頻電磁波，當高頻電磁波遇到介電常數(shù)不同的界面時，產(chǎn)生反射回波；根據(jù)接收天線接收到反射回波的時間確定反射界面的距離和根據(jù)反射回波形態(tài)判定反射體的性質）。特點無損探測方式；數(shù)據(jù)直接拼接成像；高分辨率。探測距離小。返回結束4將雷達原理用于探地，早在1910年就已提出，當時德國的G.Leimback和Lowy曾以專利形式闡明這一問題。以后J.C.Cook在1960年用脈沖雷達，在礦井中做了試驗。早期,由于地下介質比空氣具有強得多的電磁波衰減特性，加之地下介質情況的多樣性，波在地中的傳播特性比在空氣中要復雜得多。因此，探地雷達的初期應用僅限于波吸收很弱的冰層、巖鹽礦等介質中。如s.Evans1963年用雷達測量極地冰層的厚度；Harrison1970年在南極冰面上取得了穿透800～2200m的資料；1974年L.T.Procello用雷達研究月球表面結構；Unbterberger探測冰川和冰山的厚度等。探地雷達發(fā)展歷史返回結束5

隨著儀器信噪比的大大提高和數(shù)據(jù)處理技術的應用，70年代以后，探地雷達的實際應用范圍迅速擴大，其中：石灰?guī)r地區(qū)采石場的探測(1971年Takazi；1973年Kitahra)二程地質探測(1974年R.M.Morey；1976年，1977年A.P.Annan和J.L.Davis，1978年01hoeft，Dolphin等，1979年Benson等)煤礦井探測(1975年J，C.Cook)、泥炭調查(1982年C.P.F.Ulriksen)放射性廢棄物處理調查(1982年D.L.wright，R.D.Watts；1985年0.Olsson)地面和鉆孔雷達用于地質構造填圖、水文地質調查、地基和道路下空洞及裂縫調查、埋設物探測和水壩、隧道、堤岸、古墓遺跡探查等(1982～1987年加拿大、日本、美國、瑞典等報道)。

探地雷達發(fā)展歷史（續(xù)）返回結束6實際檢測時，雷達天線沿測線從左向右移動，如左圖；發(fā)射天線不斷發(fā)射雷達電磁波，接收天線接收到一條條雷達回波。將雷達回波按順序排列展開，便可準確、形象地反映出地下探測目的體及反射界面的位置（見右圖所示）。（此外寬角法、多天線法。檢測三維結構怎么辦？)探地雷達工作方式返回結束7方法原理

返回結束雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負峰分別以黑、白色表示，或者以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線即可形象地表征出地下反射面。上圖為波形記錄的示意圖。圖上對照一個簡單的地質模型.，畫出了波形的記錄。在波形記錄圖上各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構成雷達剖面。與反射地震剖面相似，雷達剖面亦同樣存在反射波的偏移與繞射波的歸位問題。故雷達圖形也需作偏移處理。反射脈沖信號的強度，與界面的波反射系數(shù)和穿透介質的波吸收程度有關

8探地雷達的下列技術特性

返回結束探地雷達是一種非破壞性的探測技術，可以安全地用于城市和正在建設中的工程現(xiàn)場。工作場地條件寬松，適應性強(對于輕便類的儀器)；抗電磁干擾能力強，可在城市內(nèi)各種噪聲環(huán)境下工作，環(huán)境干擾影響?。痪哂泄こ躺陷^滿意的探測深度和分辨率.現(xiàn)場直接提供實時剖面記錄圖，圖像清晰直觀；便攜微機控制數(shù)字采集、記錄、存儲和處理。輕便類儀器現(xiàn)場僅需3人或更少人員即可工作，工作效率高。9地質勘察，如隧道超前預報、地基探測，包括溶蝕帶、裂隙面、溶洞等的探查；巖層埋深及組成；隧道前方巖性的完整性和隱患

；管纜探查等；結構物質量檢測，如堤壩內(nèi)空洞、隧道襯砌完整性、地基回填裂縫等；地質災害勘查。如武漢市陸家街地區(qū)巖溶塌陷以及漢陽縣蔡店地面塌陷，三峽巴東滑坡，襄樊公路滑坡勘測；

考古探測。如湖北大冶鋼錄山古銅礦老窿勘探。目前部分應用領域返回結束10探地雷達是一種較新的地球物理方法利用脈沖形式的寬帶電磁波，用頻率介于106～109Hz的無線電波來確定地下介質分布；探測地表之下或確定不可視物體的內(nèi)部結構。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，探地雷達逐漸趨于成熟，由于具有高分辨率、高效率等優(yōu)點，因而廣泛應用于工程與環(huán)境和資源等淺部地球物理領域，并取得了很好的效果。工程地質工作者的評價返回結束11

隨著微電子技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)在的探地雷達設備已由龐大、笨重的結構改進為現(xiàn)場適用的輕便工具。目前，已推出的商用探地雷達有：美國地球物理探測設備公司(GSSI)的SIR系列微波聯(lián)合公司(M/A—Com，Inc.)的TerrascanMK系列日本應用地質株式會社(0Y0公司)的GEORADAR系列加拿大探頭及軟件公司(SSI)的PulseEKKO系列瑞典地質公司(SGAB)的RAMAC鉆孔雷達系統(tǒng)大量的國產(chǎn)儀器等。 這些商用的探地雷達所使用的中心工作頻率在10～1000MHz范圍，時窗在O～20000ns。根據(jù)不同的地質條件，地面系列的探測深度約在30～50m，分辨率可達數(shù)厘米，深度符合率小于±5cm。探地雷達由于采用了寬頻短脈沖和高采樣率，使其探測的分辨率高于所有其它地球物理探測手段，采用可程控高次疊加(多達4000次)和多波形處理等信號恢復技術，大大改善了信噪比和圖像顯示性能。今后的趨勢是向多天線高速掃描接收和進一步改善天線對各種目的體的回波響應性能，以實現(xiàn)更精確、小尺寸、高工效、低成本以及圖像聯(lián)系真實地質情況等總的要求。探地雷達儀器進展返回結束122.雷達波在工程材料介質中傳播返回結束探地雷達利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至千兆赫)以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線T送入地下，經(jīng)地下地層或目的體反射后返回地面，為另一天線R所接收(圖1)。脈沖波行程需時：當?shù)叵陆橘|中的波速v為已知時，可根據(jù)測到的精確的t值(ns，1ns=lO-9s)。由上式求出反射體的深度(m)。式中x(m)值在剖面探測中是固定的：v值(m/ns)可以用寬角方式直接測量，也可以根據(jù)近似算出(當介質的導電率很低時)[4]，其中c為光速(c=0.3m/ns)，為地下介質的相對介電常數(shù)值，后者可利用現(xiàn)成數(shù)據(jù)或測定獲得。131）電磁波在介質中傳播速度

返回結束14返回結束15返回結束16返回結束17返回結束182）介質本身性質變化返回結束19巖石的電學性質存在頻散現(xiàn)象返回結束

野外觀測和實驗室標本測量的結果都說明，巖石的電學性質隨頻率的改變而變化。圖2給出的是在實驗室中測得的干砂巖和濕砂巖的有效電阻率與頻率的關系。

Δ——干標本；○——濕標本20巖石的電學性質存在頻散現(xiàn)象返回結束

圖3表示相對介電常數(shù)()與頻率的關系。圖上曲線說明了高電阻率均勻巖石的特征，在雷達頻段內(nèi)其介電常數(shù)可認為是一常數(shù)。

輝綠巖；2.閃長巖；3.輝長巖4.輝巖；5.王長巖；6.花崗巖21巖礦石的相位常數(shù)返回結束在無損耗的非磁性媒質中，

,相速度為：

隨的增加，v趨近于

22表2媒質的相對介電常數(shù)和波速值返回結束媒質V(m/ns)媒質v(m/ns)花崗巖4(9)0.15(0.1)土壤(含水20%)10(4～0.095)(0.05～0.15)安山巖2O.21士壤(干)4(3～5)0.15(0.13～0.17)玄武巖40.15沼澤肥土120.087凝灰?guī)r6O.12肥土150.078石灰?guī)r7(6)0.11(0.12)混凝土6.40.12大理巖60.12瀝青3～50.12～0.18砂巖(4)(0.15)冰3.20.17煤4.50.14～O.15聚氯乙烯30.1523吸收系數(shù)返回結束

吸收系數(shù)決定了場強在傳播過程中的衰減速率，對以位移電流為主()的媒質，的近似值為：

24圖5

吸收系數(shù)與頻率的關系曲線返回結束25討論吸收系數(shù)

返回結束值與電導率成正比而與頻率無關。圖5說明：對于不同的頻率f可從圖上讀出，從而求出值。分析圖中曲線得出，當乘積的值大于2×1010時，媒質的吸收系數(shù)與頻率無關。如，，要求媒質的電阻率大于20，吸收系數(shù)即與頻率無關。注意：當采用直流電阻率計算巖石的吸收系數(shù)時，由于導電率的頻散現(xiàn)象，計算值往往低于實測值。263）電磁波反射與折射

返回結束27返回結束u、ε、σ分別為介質的導磁系數(shù)、相對介電常數(shù)和電導率。角標1和2分別代表入射介質和透射介質。由關系式可以看出，反射系數(shù)與界面兩邊介質的電磁性質和頻率有關。很明顯，電磁參數(shù)差別大者，反射系數(shù)也大，因而反射波的能量也大。

28返回結束29返回結束30返回結束對于斜入射情況，反射系數(shù)將因波極化性質而變，反射系數(shù)還與入射角大小有關。介質的含水量一般也會對σ、ε值有所影響，含水多者σ、ε值變大，相應地，反射系數(shù)也會不同。波的吸收程度與衰減因子有關。

313.工作方法和成果判釋返回結束l．剖面法與多次覆蓋（1）剖面法剖面法是發(fā)射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。（2）多次覆蓋應用不同天線距的發(fā)射——接收天線在同一測線上進行重復測量．然后把測量記錄中相同位置的記錄進行疊加，這種記錄能增強對深部地下介質的分辨能力。32工作方法

返回結束331．分辨率

分辨率是方法分辨最小異常體的能力。分辨率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。

（1）

垂向分辨率一般把地層厚度b=λ／4作為垂直分辨率的下限。（2）橫向分辨率探地雷達的技術參數(shù)返回結束34探測的分辨率問題

返回結束指對多個目的體的區(qū)分或小目的體的識別能力。概括地說，這個問題決定于脈沖的寬度，即與脈沖頻帶的設計有關。頻帶越寬，時域脈沖越窄，它在射線方向上的時域空間分辨能力就越強，或可近似地認為深度方向的分辨率高，其關系式為：。式中Beff有效頻帶寬度，為分辨界面的有效波形之間的時間間隔。若從波長的角度來考慮，則工作主頻率越高(即波長短)，雷達反射波的脈沖波形就越窄，其分辨率越高。實際應用中可以半波長為尺度來表明縱向分辨率。例如，對于100MHZ的中心頻率，在粘土中，波長λ=0.6m(以v=0.06m/ns計)，其分辨能力為0.3m。

35探測的分辨率問題

返回結束水平空間方向上的分辨能力，在很大程度上決定于介質的吸收特性。介質吸收越強，目的體中心部位與、邊緣部位的反射能量相對差別也越大，水平方向的分辨能力相對也就較強。分辨率還與地下各個方向上脈沖波的能量分布情況，即天線的方向圖有關。

36返回結束37返回結束38目的體特性與所處環(huán)境分析（1）天線中心頻率選擇（2）時窗選擇（3）采樣率選擇（4）測點點距選擇（5）天線間距選擇

探地雷達測量的設計v返回結束39現(xiàn)場測量工作返回結束剖面法(CDP)：發(fā)射天線和接收天線以固定間距(TR=z=D)沿探測線同步移動，記錄點位于TR的中點。測量中測點間距應小于波長的l/4。寬角法(WARR)：采用一個天線固定，移動另一個天線的方式，或者兩天線同時由一中心點向兩側反方向移動。此時記錄的是電磁波脈沖通過地下各個不同介質層的雙程傳播時間，它反映地下成層介質的速度分布。多天線法(MAM)：這種測量方式是利用多個接收天線，同時實現(xiàn)多點測量。但這種方法必須考慮天線的屏蔽，以避免直達波或泄漏波在天線之間多次反射造成的干擾。透射法：做電磁波CT時使用。但用得較少。寬角法測速度41數(shù)字記錄的探地雷達數(shù)據(jù)類似于反射地震數(shù)據(jù)，反射地震數(shù)字處理許多有效技術通過某種形式改變均可以應用于探地雷達資料的處理。例如：多次重復測量取平均，以抑制隨機噪聲；鄰近的不同位置的多次測量取平均，以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；自動時變增益或控制增益以補償介質吸收和抑制雜波；濾波處理或時頻變換以除去高頻雜波或突出目的體、降低背景噪聲和余振影響，一維、二維空間濾波設計與脈沖波形有關的反濾波或匹配濾波器做與目的體有關的三維處理成果判釋、數(shù)據(jù)處理(1).探地雷達的數(shù)據(jù)處理返回結束42圖像判釋

返回結束

地下介質相當于一個復雜的濾波器，介質對波的不同程度的吸收以及介質的不均勻性質，使得脈沖到達接收天線時，波幅被減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差別。此外，不同程度的各種隨機噪聲和干擾波，也歪曲了實測數(shù)據(jù)，因此，必須對接收信號實施適當?shù)奶幚?，以改善?shù)據(jù)資料，為進一步解釋提供清晰可辨的圖像。43（補充速度的求取）

1．時間剖面的解釋方法（1）反射層的拾?。?）時間剖面的解釋2．資料解釋的專家系統(tǒng)介紹（1）對雷達圖像信息進行反褶積處理。

（2）利用自動識別系統(tǒng)

（3）根據(jù)專家領域知識進行地層性質判別

(2).探地雷達的資料解釋方法v返回結束44圖像解釋

返回結束識別異常：在很大程度上基于地質雷達圖像的正演成果。通過理論計算和大量的物理模擬實驗，為識別現(xiàn)場探測中可能遇到的種種有限目的體所引起的異常，以及對各類圖像進行地質解釋提供理論依據(jù)。

地質解釋：和所有物探技術一樣，它是一個“系統(tǒng)工程”，它包含了物理原理、儀器技術特點、地質和地理、工程人文等多方面的知識和經(jīng)驗。目前的人工判讀解釋，只是對異常的識別作一些聯(lián)系已知條件的注釋，但僅就這一工作，應深入研究的問題仍不少?？梢钥隙?，和專家系統(tǒng)、人工智能的研究類同，雷達圖像異常解釋的成功率，必將隨著“系統(tǒng)工程”的不斷完善而大大提高。45返回結束圖像識別時，根據(jù)圖像的波形處理結果，結合已知情況進行判釋。圖像色彩可以定義為灰度、黑白、彩色等。判釋時通常先找出共同特征，如同相軸等；再找異常部分，如高頻區(qū)、雙曲線、同相軸錯亂等。

46返回結束47返回結束圖中可