地質(zhì)雷達(dá)講義-基本理論.docx

鐵路高新技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)培訓(xùn)教材 工程質(zhì)量地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)鐵路高新技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)培訓(xùn)教材工程質(zhì)量地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)鐵道部鐵路繼續(xù)教育高新技術(shù)基地鐵道科學(xué)研究院繼續(xù)教育培訓(xùn)中心23 鐵路高新技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)培訓(xùn)教材 工程質(zhì)量地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)目 錄MU LU 第一章 探地雷達(dá)概論11.1 概述11.2 方法原理41.3 解釋原理91.4 應(yīng)用與發(fā)展10第二章 有耗媒質(zhì)中電磁波的傳播特性122.1 單色水平電偶極子源的輻射場(chǎng)122.2 巖礦石的電磁參數(shù)152.3 脈沖偶極子源202.4 結(jié)語24第三章 探地雷達(dá)在探查地基和路基方面的應(yīng)用253.1 探查地基方面的應(yīng)用253.2 探地雷達(dá)在鐵路路基檢測(cè)中的應(yīng)用34第四章 隧道襯砌質(zhì)量的檢測(cè)594.1 探地雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌的原理及技術(shù)594.2 探地雷達(dá)的資料處理及探查效果654.3 無損電測(cè)噴射混凝土層厚度的方法744.4 襯砌混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)77第五章 探地雷達(dá)在公路道路檢測(cè)中的應(yīng)用及研究785.1 公路道路評(píng)價(jià)785.2 鐵路路基雷達(dá)檢測(cè)應(yīng)用研究835.3 一維濾波865.4 雷達(dá)初至波的確定995.5 道路脫空雷達(dá)波數(shù)字模擬及解釋策略1025.6 基于時(shí)間窗譜剖面技術(shù)的病害解釋方法研究1105.7 基于滾動(dòng)譜剖面技術(shù)的病害解釋方法研究116第六章 探地雷達(dá)在隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)探水中的解釋資料問題1306.1 地下水對(duì)雷達(dá)波的反射波的特點(diǎn)1316.2 實(shí)例133參考文獻(xiàn)140第一章 探地雷達(dá)概論1.1 概述 雷達(dá)探測(cè)技術(shù)用于地下，是一項(xiàng)提出較早的課題。然而只是在高頻微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理方法迅速開發(fā)的近代，這項(xiàng)技術(shù)才獲得本質(zhì)性的進(jìn)展。今天，探地雷達(dá)不僅在探測(cè)裝備上高度集中了現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域的成就而得到了極大的改善，它的應(yīng)用領(lǐng)域也正在迅速開拓。美國(guó)、加拿大、日本以及西歐等國(guó)正大力開發(fā)這一技術(shù)，服務(wù)業(yè)務(wù)也日益增多。有關(guān)該項(xiàng)技術(shù)方面的應(yīng)用成果和文章，已頻繁地出現(xiàn)在一些期刊、專門會(huì)議文集以及各種地球物理國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議的報(bào)告中。1992年在芬蘭召開的第四屆探地雷達(dá)國(guó)際會(huì)議上，提交優(yōu)秀論文45篇，并已匯集成冊(cè)。目前我國(guó)也有不少部門，包括地礦、水電、煤炭、鐵道等單位正在開展這一技術(shù)的試驗(yàn)和應(yīng)用。 與探空或通訊雷達(dá)技術(shù)相類似，探地雷達(dá)也是利用高頻電磁脈沖波的反射探測(cè)目的體及地質(zhì)現(xiàn)象的，只是它是從地面向地下發(fā)射電磁波來實(shí)現(xiàn).探測(cè)的，故亦稱之為地質(zhì)雷達(dá)。將雷達(dá)原理用于探地，早在1910年就已提出，當(dāng)時(shí)德國(guó)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(dá)，在礦井中做了試驗(yàn)。但是,由于地下介質(zhì)比空氣具有強(qiáng)得多的電磁波衰減特性，加之地下介質(zhì)情況的多樣性，波在地中的傳播特性比在空氣中要復(fù)雜得多。因此，探地雷達(dá)的初期應(yīng)用僅限于波吸收很弱的冰層、巖鹽礦等介質(zhì)中。如s.Evans1963年用雷達(dá)測(cè)量極地冰層的厚度；Harrison 1970年在南極冰面上取得了穿透8002200m的資料；1974年L.T.Procello用雷達(dá)研究月球表面結(jié)構(gòu)；Unbterberger探測(cè)冰川和冰山的厚度等。隨著儀器信噪比的大大提高和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，70年代以后，探地雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，其中有：石灰?guī)r地區(qū)采石場(chǎng)的探測(cè)(1971年Takazi；1973年Kitahra)、二程地質(zhì)探測(cè)(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(cè)(1975年J，C.Cook)、泥炭調(diào)查(1982年C.P.F.Ulri ksen)、放射性廢棄物處理調(diào)查(1982年D.L.wright，R.D.Watts；1985年0.Olsson)以及地面和鉆孔雷達(dá)用于地質(zhì)構(gòu)造填圖、水文地質(zhì)調(diào)查、地基和道路下空洞及裂縫調(diào)查、埋設(shè)物探測(cè)和水壩、隧道、堤岸、古墓遺跡探查等(19821987年加拿大、日本、美國(guó)、瑞典等報(bào)道)。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在的探地雷達(dá)設(shè)備早已由龐大、笨重的結(jié)構(gòu)改進(jìn)為現(xiàn)場(chǎng)適用的輕便工具。目前，已推出的商用探地雷達(dá)有：美國(guó)地球物理探測(cè)設(shè)備公司(GSSI)的SIR系列，微波聯(lián)合公司(M/ACom，Inc.)的Terrascan MK系列，日本應(yīng)用地質(zhì)株式會(huì)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(zhì)公司(SGAB)的RAMAC鉆孔雷達(dá)系統(tǒng)等。這些商用的探地雷達(dá)所使用的中心工作頻率在101000MHz范圍，時(shí)窗在O20000ns。據(jù)報(bào)道，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，地面系列的探測(cè)深度約在3050m，分辨率可達(dá)數(shù)厘米，深度符合率小于5cm。探地雷達(dá)由于采用了寬頻短脈沖和高采樣率，使其探測(cè)的分辨率高于所有其它地球物理探測(cè)手段，又由于采用可程序高次疊加(多達(dá)4000次)和多波形處理等信號(hào)恢復(fù)技術(shù)，因而大大改善了信噪比和圖像顯示性能。今后的趨勢(shì)是向多天線高速掃描接收和進(jìn)一步改善天線對(duì)各種目的體的回波響應(yīng)性能，以實(shí)現(xiàn)更精確、小尺寸、高工效、低成本以及圖像聯(lián)系真實(shí)地質(zhì)情況等總的要求。 理論研究方面，目前仍相對(duì)地集中在信號(hào)處理上。這是因?yàn)樘降乩走_(dá)所接收到的信號(hào)十分復(fù)雜，脈沖在通過地下介質(zhì)的過程中，波形和波幅將發(fā)生較大的變化，而脈沖余振、系統(tǒng)內(nèi)部干擾、地表不光滑或地下介質(zhì)不均勻等引起的散射以及剖而旁側(cè)的繞射等干擾，均使得實(shí)時(shí)記錄圖像多變和不易分辨、但是當(dāng)前的信號(hào)處理還只限于時(shí)問波形處理，如從單次測(cè)量結(jié)果中減去平均波形以壓低噪聲和雜亂回波、采用時(shí)變?cè)鲆嬉匝a(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制深部噪聲、用頻率濾波以剔除不必要的干擾頻率等。除此之外，還研究采用了聚焦技術(shù)，以集中目的體的空間向應(yīng)：采用訊號(hào)增強(qiáng)以及預(yù)反褶積等數(shù)值處理技術(shù)，以加強(qiáng)近地表被強(qiáng)初至模糊了的反射體波形特征等。為了識(shí)別圖像或?qū)D像進(jìn)行地質(zhì)解釋，除了在簡(jiǎn)單形體正演基礎(chǔ)上大多采用人工判讀方法外，正在開展專家系統(tǒng)技術(shù)的有關(guān)研究。和地震勘探工作相似，探地雷達(dá)探測(cè)體的正反演研究也正在進(jìn)行之中。 我國(guó)的探地雷達(dá)儀器研制始于70年代初期。地質(zhì)礦產(chǎn)部物探研究所、煤炭部煤炭科學(xué)院重慶分院，以及一些高等院校和其它研究部門均做過探地雷達(dá)儀器研制和野外試驗(yàn)工作。當(dāng)時(shí)使用的是同點(diǎn)天線，以高頻示波器顯示回波，直接讀取初至或照相記錄波形。但由于種種原因，這一技術(shù)未能正式用于實(shí)際?，F(xiàn)在，國(guó)家地震局、水電勘測(cè)設(shè)計(jì)部門、煤炭部門、鐵道部門、黃河水利委員會(huì)有關(guān)部門以及中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)相繼引進(jìn)了國(guó)外的儀器，探地雷達(dá)的應(yīng)用和理論研究工作也正日益擴(kuò)展。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)在國(guó)家自然科學(xué)基金資助下，于1991年開始進(jìn)行了探地雷達(dá)地下目的體的正反演研究工作，完成了大量的物理模擬和數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算工作，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中資料解釋和進(jìn)一步的理論研究奠定了基礎(chǔ)。為配合研究工作相1990年開始，該校在短短的兩年半時(shí)間內(nèi)完成了8個(gè)省、自治區(qū)和直轄市5類巖土對(duì)象的30余個(gè)工程工區(qū)、包括眾多地質(zhì)問題的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)。本專輯將系統(tǒng)地介紹該校在理論和應(yīng)用方面的最新成果。今天，可以說，探地雷達(dá)的下列技術(shù)特性已為其開拓應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在工程地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路：(1) 探地雷達(dá)是一種非破壞性的探測(cè)技術(shù)，可以安全地用于城市和正在建設(shè)中的工程現(xiàn)場(chǎng)。工作場(chǎng)地條件寬松，適應(yīng)性強(qiáng)(對(duì)于輕便類的儀器)；(2) 抗電磁干擾能力強(qiáng)，可在城市內(nèi)各種噪聲環(huán)境下工作，環(huán)境干擾影響??；(3) 具有工程上較滿意的探測(cè)深度和分辨率.現(xiàn)場(chǎng)直接提供實(shí)時(shí)剖面記錄圖，圖像清晰直觀；(4) 便攜微機(jī)控制數(shù)字采集、記錄、存儲(chǔ)和處理。輕便類儀器現(xiàn)場(chǎng)僅需3人或更少人員即可工作，工作效率高。當(dāng)然，由于使用了高頻率，電磁波能量在地下的衰減劇烈，因而在高導(dǎo)厚覆蓋條件下，探測(cè)范圍受到限制。1.2 方法原理探地雷達(dá)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，田地面通過天線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1-1)。脈沖波行程需時(shí)：。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時(shí)，可根據(jù)測(cè)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(cè)中是固定的：v值(m/ns)可以用寬角方式直接測(cè)量，也可以根據(jù)近似算出(當(dāng)介質(zhì)的導(dǎo)電率很低時(shí))4，其中c為光速(c=0.3m/ns)，為地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)值，后者可利用現(xiàn)成數(shù)據(jù)或測(cè)定獲得。 圖1-1 反射探測(cè)原理 圖1-2 雷達(dá)記錄示意圖雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負(fù)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。圖1-2為波形記錄的示意圖。圖上對(duì)照一個(gè)簡(jiǎn)單的地質(zhì)模型.，畫出了波形的記錄。在波形記錄圖上各測(cè)點(diǎn)均以測(cè)線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面。與反射地震剖面相似，雷達(dá)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(dá)圖形也需作偏移處理。反射脈沖信號(hào)的強(qiáng)度，與界面的波反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的波吸收程度有關(guān)“垂直界面入射的反射系數(shù)R的模值和幅角，分別可由下列關(guān)系式表示：式中，和、分別為介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率。角標(biāo)1和2分別代表入射介質(zhì)和透射介質(zhì)。由關(guān)系式可以看出，反射系數(shù)與界面兩邊介質(zhì)的電磁性質(zhì)和頻率有關(guān)。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。上式可以用作大致的數(shù)值估計(jì)。對(duì)于斜入射情況，反射系數(shù)將因波極化性質(zhì)而變，反射系數(shù)還與入射角大小有關(guān)。介質(zhì)的含水量一般也會(huì)對(duì)、值有所影響，含水多者、值變大，相應(yīng)地，反射系數(shù)也會(huì)不同。波的吸收程度與衰減因子有關(guān)，表示為：當(dāng)介質(zhì)的電導(dǎo)率很低時(shí)：這是一個(gè)與電磁參數(shù)有關(guān)的量，隨的增大而增大，隨的增大而減??；但介質(zhì)電導(dǎo)率高時(shí)，值則與、有關(guān)，而與幾乎無關(guān)。表1-1列出了常見介質(zhì)的有關(guān)參數(shù)。表1-1 常見介質(zhì)的物理量Table l Parameters value of common mediums介質(zhì)電導(dǎo)率(Sm)介電常數(shù)(相對(duì)值)速度(m/ns)衰減系數(shù)(dB/m)空氣010.30純水10-4310-2810.0330.1海水4810.01103冰1花崗巖(干)10-850.150.011花崗巖(濕)10-370.10.011玄武巖(濕)10-280.15(干)灰?guī)r(干)10-970.110.41灰?guī)r(濕)2.510-280.41砂(干)10-710-3460.150.01砂(濕)10-410-2300.060.030.3粘土(濕)10-118120.061300頁巖(濕)10-170.091100砂巖(濕)410-26土壤1.410-42.6150.130.172030()5.010-2400.095()0.15()肥土150.078混凝土6.40.12瀝青350.120.18探測(cè)的分辨率問題，是指對(duì)多個(gè)目的體的區(qū)分或小目的體韻識(shí)別能力。概括地說，這個(gè)問題決定于脈沖的寬度，即與脈沖頻帶的設(shè)計(jì)有關(guān)。頻帶越寬，時(shí)域脈沖越窄，它在射線方向上的時(shí)域空間分辨能力就越強(qiáng)，或可近似地認(rèn)為深度方向的分辨率高，其關(guān)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(shí)間間隔。若從波長(zhǎng)的角度來考慮，則工作主頻率越高(即波長(zhǎng)短)，雷達(dá)反射波的脈沖波形就越窄，其分辨率應(yīng)越高。實(shí)際應(yīng)用中可以半波長(zhǎng)為尺度來表明縱向分辨率。例如，對(duì)于100MHZ的中心頻率，在粘土中，波長(zhǎng)=0.6m(以v=0.06m/ns計(jì))，其分辨能力為0.3m。分辨率問題，尚應(yīng)包含水平空間方向上的區(qū)分性概念。這個(gè)分辨能力，在很大程度上決定于介質(zhì)的吸收特性。介質(zhì)吸收越強(qiáng)，目的體中心部位與、邊緣部位的反射能量相對(duì)差別也越大，水平方向的分辨能力相對(duì)也就較強(qiáng)。吸收系數(shù)和探測(cè)深度d均較大時(shí)，可寫出關(guān)系式：式中為目的體水平方向的間距。當(dāng)然；分辨率還與地下各個(gè)方向上脈沖波的能量分布情況，即天線的方向圖有關(guān)。此外，波的散射截面也對(duì)分辨率有影響，面介質(zhì)與目的體的物理性質(zhì)、工作頻率的大小以及目的體的埋深則與散射截面有關(guān)。因此，要了解雷達(dá)探測(cè)的實(shí)際分辨能力，需要根據(jù)不同的儀器通過具體試驗(yàn)來進(jìn)行。需要特別指出的是天線的極化性質(zhì)，對(duì)于線性極化的情形，有時(shí)在一些走向方位上接收信號(hào)的幅度為零，而圓極化輻射則可避免這一現(xiàn)象。因此，對(duì)于前一種極化性質(zhì)的天線，現(xiàn)場(chǎng)工作中必須配合天線試驗(yàn)進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作，通常采用剖面法(CDP)或?qū)捊欠?WARR)兩種方式。前者，發(fā)射天線和接收天線以固定間距(TR=z=D)沿探測(cè)線同步移動(dòng)，記錄點(diǎn)位于TR的中點(diǎn)。天線距可由式估計(jì)(對(duì)于方向仍呈彎月形峰尖臨界角的天線)，式中D為目的體的深度。測(cè)量中測(cè)點(diǎn)間距應(yīng)小于波長(zhǎng)的l/4。對(duì)于寬角法，采用一個(gè)天線固定，移動(dòng)另一個(gè)天線的方式，或者兩天線同時(shí)由一中心點(diǎn)向兩側(cè)反方向移動(dòng)。此時(shí)記錄的是電磁波脈沖通過地下各個(gè)不同介質(zhì)層的雙程傳播時(shí)間，它反映地下成層介質(zhì)的速度分布。其圖形是以天線間距為橫坐標(biāo)，雙程走時(shí)為縱坐標(biāo)，.圖形以同相軸呈傾斜形態(tài)顯示，速度大者較緩，速度小者較陡。除了共深度法(剖面法)和寬角法以外，還有一種“多天線法(MAM)”。這種測(cè)量方式是利用多個(gè)接收天線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。但這種方法必須考慮天線的屏蔽，以避免直達(dá)波或泄漏波在天線之間多次反射造成的干擾。測(cè)量方式中尚有“透射法”這一形式，但用得較少。目前，各種探地雷達(dá)儀器的基本原理均類同。雷達(dá)控制電路產(chǎn)生一定間隔(3.3104l104ns即30lOOkHz的重復(fù)率)的一系列電磁短脈沖，由天線送入地下。這些脈沖的頻寬按探測(cè)分辨特性的要求設(shè)計(jì)，一般均具有甚寬的頻帶，以使脈沖波形尖銳。脈沖時(shí)寬為1Ons至12ns，脈沖峰值達(dá)100150V。接收天線(或分離式的或同點(diǎn)式的)檢測(cè)來自地下不同介質(zhì)界面的反射波(波形稍有變化)，送到控制電路，或進(jìn)行直接數(shù)值采集(如EKKO儀)，或者經(jīng)一定的處理以后再做數(shù)值采集(如SIR儀)。各類探測(cè)儀均由微機(jī)控制，并配有數(shù)字處理和解釋軟件以及黑白(波形或灰階)或彩色圖形輸出設(shè)備(包括現(xiàn)場(chǎng)模擬顯示和打印成圖)，但各類設(shè)備的技術(shù)規(guī)格、結(jié)構(gòu)、重量等各有特點(diǎn)。1.3 解釋原理雷達(dá)探測(cè)資料的解釋，包含兩部分內(nèi)容，一為數(shù)據(jù)處理，二為圖像解釋。由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對(duì)波的不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性質(zhì)，使得脈沖到達(dá)接收天線時(shí)，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(jī)噪聲和干擾波，也歪曲了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此，必須對(duì)接收信號(hào)實(shí)施適當(dāng)?shù)奶幚?，以改善?shù)據(jù)資料，為進(jìn)一步解釋提供清晰可辨的圖像。 目前，數(shù)字處理主要是對(duì)所記錄的波形作處理。例如取多次重復(fù)測(cè)量的平均，以抑制隨機(jī)噪聲；取鄰近的不同位置的多次測(cè)量平均，以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；做自動(dòng)時(shí)變?cè)鲆婊蚩刂圃鲆嬉匝a(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波；做濾波處理或時(shí)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，或進(jìn)一步考慮測(cè)域的一維、二維空間濾波，設(shè)計(jì)與脈沖波形有關(guān)的反濾波或匹配濾波器，做與目的體有關(guān)的三維處理等。對(duì)于小的、局部的和細(xì)長(zhǎng)物體，其回波散射有一些頻譜特性或極化特性需專門考慮，而天線的極化性質(zhì)也影響著接收效果。這些都是當(dāng)前數(shù)字處理的研究對(duì)象。和地震勘探的數(shù)字處理一樣，探地雷達(dá)實(shí)測(cè)資料的數(shù)字處理正處在不斷的發(fā)展中。 圖像解釋的第一步是識(shí)別異常，然后進(jìn)行地質(zhì)解釋。對(duì)于異常的識(shí)別在很大程度上基于地質(zhì)雷達(dá)圖像的正演成果，然而這方面的內(nèi)容至今報(bào)道甚少。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)在完成國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“探地雷達(dá)目-的體物理模擬和數(shù)值模擬研究”的過程中，做了某些理論計(jì)算和大量的物理模擬實(shí)驗(yàn)。這些成果無疑為識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)中可能遇到的種種有限目的體所引起的異常，以及對(duì)各類圖像進(jìn)行地質(zhì)解釋提供了理論依據(jù)。和所有物探技術(shù)一樣，雷達(dá)異常的地質(zhì)解釋是一個(gè)“系統(tǒng)工程”，它包含了高頻技術(shù)、地質(zhì)和地理、工程人文等多方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。目前的人工判讀解釋，只是對(duì)異常的識(shí)別作一些聯(lián)系已知條件的注釋，但僅就這一工作，應(yīng)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(dá)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。1.4 應(yīng)用與發(fā)展1988年，英國(guó)D.J.Daniels等人在IEE的雷達(dá)文集中撰文，介紹了雷達(dá)的應(yīng)用，并把其分為淺、中深和深應(yīng)用三大方面。探測(cè)深度小于 O.5m，中心頻率在0.5103MHz以上，常用以探測(cè)隱藏物和小洞(，f=lO3lO4MHz)、墻厚(厚度小于0.25cm，精度為14cm，f為1034103MHz)，以及埋設(shè)的軍械如地雷(f在0.51031.5103MHz)等方面的應(yīng)用為淺應(yīng)用。深度在5m或更大，f在50800MHz，常用以探測(cè)路面以下較有利條件的土壤中的埋設(shè)管纜；探測(cè)高速公路下、隧道周圍的空洞和弱點(diǎn)：在低損土壤中探廢棄器具及尸首；探鋪砌而如機(jī)場(chǎng)跑道、高速公路、水泥體中的洞隙等；考古探查；橋梁和建筑物的完整性和基巖面、持力層等方面的應(yīng)用為中深應(yīng)用。中心頻率小于1OOMHZ，探深在數(shù)十至數(shù)百以至千米，通常探測(cè)礦產(chǎn)、冰層、沙漠以及飛行器的地面和月球遙感，這樣的應(yīng)用為深應(yīng)用。我國(guó)的探地雷達(dá)己在多部門、多領(lǐng)域內(nèi)開展了應(yīng)用。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)在短短的兩年半時(shí)間內(nèi)，在5種類型的巖土地層中(石灰?guī)r、花崗巖、矽卡巖、第四系、土壤)做了30余個(gè)工程點(diǎn)的探測(cè)，足跡遍及湖北、廣西、廣東、浙江、福建、江西、湖南：內(nèi)蒙古及上海等地。他們的工作歸結(jié)起來涉及如下工程領(lǐng)域：(1) 隧道探測(cè)。包括隧道內(nèi)周壁溶蝕帶、裂隙面、溶洞及其連通性探測(cè)，隧道前方“掌子面”探查以了解前方巖性的完整性和隱患(廣西天生橋水電站及長(zhǎng)江三峽三斗坪工區(qū))；(2) 堤壩探測(cè)。包括土裂縫，動(dòng)物穴，“老口門”等隱患探查(鄭州黃河大堤)；(3) 建筑工程探測(cè)。如三峽花崗巖風(fēng)化帶、湖北木蘭山攝水河橋墩墩基，上海及武漢高層建筑地基，地下人防工事，內(nèi)蒙西遼河攔洪閘基底，杭州錢塘江護(hù)堤拋石層，上海浦東過江引水管道敷設(shè)等探測(cè)；(4) 地質(zhì)災(zāi)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(cè)；(5) 管纜探查。如廣州黃沙區(qū)地鐵四圍幕工程管纜探查，深圳雅國(guó)立交橋工程管纜探查等；(6) 考古探測(cè)。如湖北大冶鋼錄山古銅礦老窿勘探。當(dāng)前，地質(zhì)雷達(dá)由于使用了高頻(中心頻率達(dá)數(shù)百兆赫)魔頻帶短脈沖(脈沖寬度小至l2ns)和高速采樣技術(shù)(采樣間隔達(dá)0.8ns或更小，如0.06ns)，因而其探測(cè)的分辨率高于其它地球物理探測(cè)手段；實(shí)踐表明，探測(cè)深度在較大范圍內(nèi)，可以滿足工程探測(cè)的需要：在相應(yīng)條件下，可以根據(jù)探測(cè)深度與分辨率的要求選取適當(dāng)?shù)闹行念l率。顯然，作為一種有廣闊前景的有效手段，它可為工程地質(zhì)勘察節(jié)約大量的鉆探工作量，縮短勘測(cè)周期提高勘測(cè)質(zhì)量。一個(gè)嶄新的探地雷達(dá)開發(fā)局面，必將在不久的將來展現(xiàn)在廣泛的勘察技術(shù)領(lǐng)域之中。當(dāng)然，國(guó)內(nèi)外目前關(guān)于地質(zhì)雷達(dá)成功應(yīng)用的實(shí)例報(bào)道仍然很少：在儀器設(shè)備方面需在數(shù)據(jù)采集和天線設(shè)計(jì)方面作進(jìn)一步的工作；在實(shí)際探測(cè)中，必須進(jìn)一步考慮包括地下介質(zhì)在內(nèi)的探測(cè)對(duì)象的性質(zhì)、探測(cè)結(jié)果的分辨特性，以及深度要求、雜亂回波的抑制、發(fā)射功率的有效作用和對(duì)操作的要求(如天線的方位、貼壁、舉臂、水面操作等)。數(shù)據(jù)處理和圖像的地質(zhì)解釋仍是地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)中的關(guān)鍵性問題，其方法和技術(shù)需在以后的實(shí)際工作中不斷地加以改善和提高。第二章 有耗媒質(zhì)中電磁波的傳播特性地質(zhì)雷達(dá)和探空雷達(dá)不同，它所發(fā)射的電磁波是在地下媒質(zhì)中傳播的。由于巖石具有一定的導(dǎo)電性，電磁波在這種有耗媒質(zhì)中的傳播，和空氣相比就有其獨(dú)特的特點(diǎn)。Pulse EKKO 型地質(zhì)雷達(dá)儀的發(fā)射、接收裝置采用半波偶極天線，其特性和短偶極天線基本相同。因此，本文從闡述均勻無限各向同性媒質(zhì)中電偶極子源的輻射入手，淺析電磁波在有耗媒質(zhì)中的傳播規(guī)律。 2.1單色水平電偶極子源的輻射場(chǎng)在頻率域內(nèi)(時(shí)諧因子e-it)，均勻各向同性媒質(zhì)中的麥克斯韋方稗為：式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)； H為磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m)；J為外加源的電流密度(A/m2)； q為外加源的電荷密度(C/m勺；為導(dǎo)磁率(H/m)；為復(fù)介電常數(shù)。式中：為介電常數(shù)(F/m)；為導(dǎo)電率(S/m)。真空的導(dǎo)磁率和介電常數(shù)分別為： ， 通常用r和，表示相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)導(dǎo)磁率，即： 為媒質(zhì)中傳導(dǎo)電流密度相對(duì)于位移電流密度的比值。當(dāng)時(shí)，位移電流起著主導(dǎo)作用，媒質(zhì)的特性和電介質(zhì)相近，稱為準(zhǔn)電介質(zhì)；當(dāng)時(shí)，傳導(dǎo)電流起著主導(dǎo)作用，稱為良導(dǎo)媒質(zhì)。對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)所使用的頻段來說，地下媒質(zhì)一般可視為準(zhǔn)電介質(zhì)。 在對(duì)偶極子源的求解時(shí)常采用赫芝勢(shì)，它滿足非齊次波動(dòng)方程式中P為單位體積中外加源的電偶極矩；k為傳播常數(shù).在導(dǎo)電媒質(zhì)中k為復(fù)數(shù)： 實(shí)部稱為相位常數(shù)(rad/m)，虛部稱為吸收系數(shù)(Np/m)對(duì)于P,如圖2-1所示，在球坐標(biāo)系(R,)中，為矢徑R對(duì)Y軸的夾角，r為R在XZ平面上的投影，為 r對(duì)X軸的交角。水平電偶極子位于原點(diǎn)。其偶極矩為： 式中dl為短天線的長(zhǎng)度，是偶極子兩端的電荷，交變電流。圖2-1 位于原點(diǎn)并取向Y軸的水平電偶極對(duì)波動(dòng)方程求解得到：在求得赫芝勢(shì)后，按下式計(jì)算電磁場(chǎng)。 從場(chǎng)勢(shì)關(guān)系求得空間各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為：當(dāng)接收天線處于X軸上并和發(fā)射天線平行時(shí)，R=r，Er=0，這時(shí)得到主剖面(y=0)中的場(chǎng)強(qiáng)為：在輻射區(qū)，忽略1/kr的高次項(xiàng)，得到水平電用極子源在主剖面中的剖面中的輻射場(chǎng)為：可見在主剖面中，電場(chǎng)和發(fā)射天線平行，磁場(chǎng)則垂直向下，且電磁場(chǎng)在輻射區(qū)的比值為：稱為媒質(zhì)的波阻坑在空氣中等于377，在導(dǎo)電媒質(zhì)中為復(fù)數(shù)，說明電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間存在相位差，磁場(chǎng)滯后于電場(chǎng)。在主剖面中輻射場(chǎng)強(qiáng)與無關(guān)，即輻射場(chǎng)在主剖面中無方向性，輻射圖呈圓形。偶極子源輻射的電磁波是球面波，能流密度呈球面發(fā)散，發(fā)散因子為1/R。由于能流密度正比于電、磁場(chǎng)的乘積，場(chǎng)強(qiáng)的發(fā)散因子為1/R。在有耗媒質(zhì)中，場(chǎng)強(qiáng)因被吸收而按指數(shù)規(guī)律衰減，電磁波向外傳播的功率則按衰減。2.2 巖礦石的電磁參數(shù) 2.2.1高頻電磁場(chǎng)中巖礦石的電磁性質(zhì)在雷達(dá)探測(cè)中，巖石的介電常數(shù)起著極為重要的作用，在高頻電磁場(chǎng)中由于極化慣性所引起的附加導(dǎo)電性，也是一個(gè)值得深入研究的問題。多種影響因素使得同類巖石的電阻率產(chǎn)在很寬的范圍內(nèi)變化。同樣，礦物的介電常數(shù)也在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變化，水(為80個(gè)相對(duì)單位)與某些鈦、錳化合物，如金紅石(達(dá)170個(gè)相對(duì)單位)具有高值。絕大多數(shù)礦物的介電常數(shù)較低，約為412個(gè)相對(duì)單位。主要造巖礦物的為47個(gè)相對(duì)單位。某些礦物的相對(duì)介電常數(shù)示于表1-1。由于主要造巖礦物與水的相對(duì)介電常數(shù)存在較大差異，所以，具有較大孔隙度巖石的介電常數(shù)主要取決于它的含水量。泥巖由于含有大量的弱束縛水，所以其相對(duì)介電常數(shù)可高達(dá)5060。巖石含泥質(zhì)較多時(shí)，它們的介電常數(shù)與泥質(zhì)含量有明顯的關(guān)系。很多火成巖的孔隙度常只有千分之幾，其主要取決于造巖礦物，一般變化范圍為612。當(dāng)飽和巖石的液體是石油時(shí)(=2.5)，其介電常數(shù)為68個(gè)相對(duì)單位。表2-1 部分礦物的相對(duì)介電常數(shù)礦物礦物石英鉀長(zhǎng)石白云母黑云母滑石方解石白云石菱鐵礦石膏4.O5.04.56.06.28.04.86.04.56.07.58.O6.810.O7.O7.54.2硬石膏巖鹽鉀鹽褐鐵礦磷灰礦方鉛礦閃鋅礦金紅石石油10.011.07.410.518.07.88.390.O170.02.03.O水的介電常數(shù)與其礦化度的關(guān)系較弱，如水溶液含鹽的濃度等于57g/1時(shí)，同蒸餾水相比其介電常數(shù)只增加5。與此相應(yīng)，巖石孔隙中所含水的礦化度同樣對(duì)其介電常數(shù)不應(yīng)有大的影響，水的礦化度增大導(dǎo)致巖石介電常數(shù)有少許增加。 野外觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)本測(cè)量的結(jié)果都說明，巖石的電學(xué)性質(zhì)存在頻散現(xiàn)象，即其隨頻率的改變而變化。圖2-2給出按實(shí)驗(yàn)室資料得到的干砂巖和濕砂巖的有效電阻率與頻率的關(guān)系。干砂巖的頻散現(xiàn)象在低頻范圍內(nèi)即已明顯；當(dāng)頻率高于105HZ時(shí)，濕砂巖也呈明顯的頻散。圖2-3表示相對(duì)介電常數(shù)()與頻率的關(guān)系。圖上曲線說明了不太濕的、電阻率相當(dāng)高的均勻巖石的特征，在雷達(dá)頻段內(nèi)其介電常數(shù)可認(rèn)為是一常數(shù)。 圖2-2 砂巖有效電阻與頻率的關(guān)系曲線干標(biāo)本；濕標(biāo)本圖2-3 巖石介電常數(shù)與頻率的關(guān)系曲線 1. 輝綠巖；2.閃長(zhǎng)巖； 3. 輝長(zhǎng)巖； 4. 輝巖； 5. 王長(zhǎng)巖； 6. 花崗巖產(chǎn)生頻散現(xiàn)象的原因可能與高頻電磁場(chǎng)中的介電損耗以及巖石的多成分組合和復(fù)雜結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于偶極子的取向需要一定時(shí)間(馳像時(shí)間)，因此在高頻電場(chǎng)中出現(xiàn)了極化的滯后現(xiàn)象，即電場(chǎng)和感應(yīng)偶極矩之間出現(xiàn)了相位差。介電常數(shù)需用復(fù)數(shù)表示，并與場(chǎng)的頻率有關(guān)。 式中，表示在給定的頻率f上介質(zhì)的固有極化，為介電損耗。由此出現(xiàn)了與位移電流相差90、在方向上同傳導(dǎo)電流相重合的電流分量。這時(shí)媒質(zhì)中的電流密度和場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系可寫成：其中，是媒質(zhì)的有效介電常數(shù)，而是由于極化過程的慣性所引起的附加電導(dǎo)，與導(dǎo)電率合并成為媒質(zhì)的有效導(dǎo)電率。而附加電導(dǎo)與頻率有關(guān)。對(duì)多礦物成分或有孔隙的巖石來說，不同的礦物顆粒及孔隙中的流體相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的交流電路，其阻抗與頻率有關(guān)。譬如在浸染狀礦石中金屬礦物顆粒被不導(dǎo)電的物質(zhì)所包圍，其直流導(dǎo)電率為零。但在交流情況下，隨著頻率的增加，被分隔的金屬礦物顆粒將愈益顯示其良導(dǎo)作用。2.2.2 巖礦石的相位常數(shù)和吸收系數(shù) 相位常數(shù)a決定了電磁波傳播的相速。當(dāng)波在空間行進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，相位相應(yīng)地改變了，即，從而相速為： 在無損耗的非磁性媒質(zhì)中，,相速為：式中光速c=0.3m/ns(1ns=lO-9s)。在以位移電流為主的媒質(zhì)中，相速接近于v0。圖2-4給出了v/v0和的關(guān)系曲線，當(dāng)5l010時(shí)，可以認(rèn)為相速v與無損耗媒質(zhì)中的相速v0接近，而與頻率f無關(guān)。若設(shè)Hz，=1 0，那么就要求媒質(zhì)的電阻率，相速v才接近于v0，即。圖 2-4 v/v0與的關(guān)系曲線(隨的增加，v趨近于)表2-2是地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)中常遇到的媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和波速值，該表為綜合數(shù)據(jù)，援引自北原高木(1979，1000MHZ頻率下的測(cè)定值)及同本的OYO儀器制造公司(表中圓括弧內(nèi))的資料。表2-2 媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和波速值媒質(zhì)V(m/ns)媒質(zhì)v(m/ns)花崗巖4(9)0.15(0.1)土壤(含水20%)10(40.095)(0.050.15)安山巖2O.21士壤(干)4(35)0.15(0.130.17)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350.120.18砂 巖(4)(0.15)冰3.20.17煤4.50.14O.15聚氯乙烯30.15吸收系數(shù)決定了場(chǎng)強(qiáng)在傳播過程中的衰減速率，對(duì)以位移電流為主()的媒質(zhì)，的近似值為： 值與電導(dǎo)率成正比而與頻率無關(guān)。圖2-5給出了與頻率的關(guān)系曲線當(dāng)媒質(zhì)的和值已知時(shí)，對(duì)于不同的頻率可從圖上讀出，從而求出值。分析圖中曲線得出，當(dāng)乘積的值大于21010時(shí)，媒質(zhì)的吸收系數(shù)與頻率無關(guān)。如，要求媒質(zhì)的電阻率大于20，吸收系數(shù)即與頻率無關(guān)。值得注意的是，當(dāng)采用直流電阻率計(jì)算巖石的吸收系數(shù)時(shí)，由于導(dǎo)電率的頻散現(xiàn)象，計(jì)算值往往低于實(shí)測(cè)值。圖2-5 吸收系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線2.3脈沖偶極子源當(dāng)已知脈沖子波的時(shí)間函數(shù)f(t)時(shí)其頻譜可由傅里葉變換求得：若給出的是有限離散序列f()，n=O，l，N1，為取樣間隔，為時(shí)窗，則： (m=0,1,N-1)其反變換為：對(duì)pulse EKKO IV型探地雷達(dá)儀可設(shè)：式中為中心頻率；脈沖的衰減速率取決于系數(shù)a，可取。其頻譜為：圖2-6為脈沖波形及其相對(duì)振幅譜。 圖2-6 電磁脈