探地雷達(dá)講義-張勝利

1探地雷達(dá)技術(shù)

GroundPenetratingRadarTechnology返回結(jié)束主要內(nèi)容一、概論及基礎(chǔ)知識(shí)1.探地雷達(dá)原理2.雷達(dá)波在工程材料介質(zhì)中傳播3.工作方法和成果判釋二、在鐵路路基工程中的應(yīng)用三、在隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用四、在隧道質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用31.探地雷達(dá)原理探地雷達(dá)：是一種淺層工程勘探方法（通過天線發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)高頻電磁波遇到介電常數(shù)不同的界面時(shí)，產(chǎn)生反射回波；根據(jù)接收天線接收到反射回波的時(shí)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(zhì)）。特點(diǎn)無損探測(cè)方式；數(shù)據(jù)直接拼接成像；高分辨率。探測(cè)距離小。返回結(jié)束4將雷達(dá)原理用于探地，早在1910年就已提出，當(dāng)時(shí)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(dá)，在礦井中做了試驗(yàn)。早期,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；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(dá)研究月球表面結(jié)構(gòu)；Unbterberger探測(cè)冰川和冰山的厚度等。探地雷達(dá)發(fā)展歷史返回結(jié)束5

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：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.Ulriksen)放射性廢棄物處理調(diào)查(1982年D.L.wright，R.D.Watts；1985年0.Olsson)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(1982～1987年加拿大、日本、美國、瑞典等報(bào)道)。

探地雷達(dá)發(fā)展歷史（續(xù)）返回結(jié)束6實(shí)際檢測(cè)時(shí)，雷達(dá)天線沿測(cè)線從左向右移動(dòng)，如左圖；發(fā)射天線不斷發(fā)射雷達(dá)電磁波，接收天線接收到一條條雷達(dá)回波。將雷達(dá)回波按順序排列展開，便可準(zhǔn)確、形象地反映出地下探測(cè)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(cè)三維結(jié)構(gòu)怎么辦？)探地雷達(dá)工作方式返回結(jié)束7方法原理

返回結(jié)束雷達(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。上圖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)

8探地雷達(dá)的下列技術(shù)特性

返回結(jié)束探地雷達(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)；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??；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；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。9地質(zhì)勘察，如隧道超前預(yù)報(bào)、地基探測(cè)，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(jié)構(gòu)物質(zhì)量檢測(cè)，如堤壩內(nèi)空洞、隧道襯砌完整性、地基回填裂縫等；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)；

考古探測(cè)。如湖北大冶鋼錄山古銅礦老窿勘探。目前部分應(yīng)用領(lǐng)域返回結(jié)束10探地雷達(dá)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(zhì)分布；探測(cè)地表之下或確定不可視物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，探地雷達(dá)逐漸趨于成熟，由于具有高分辨率、高效率等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于工程與環(huán)境和資源等淺部地球物理領(lǐng)域，并取得了很好的效果。工程地質(zhì)工作者的評(píng)價(jià)返回結(jié)束11

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/A—Com，Inc.)的TerrascanMK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)大量的國產(chǎn)儀器等。 這些商用的探地雷達(dá)所使用的中心工作頻率在10～1000MHz范圍，時(shí)窗在O～20000ns。根據(jù)不同的地質(zhì)條件，地面系列的探測(cè)深度約在30～50m，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，采用可程控高次疊加(多達(dá)4000次)和多波形處理等信號(hào)恢復(fù)技術(shù)，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。探地雷達(dá)儀器進(jìn)展返回結(jié)束122.雷達(dá)波在工程材料介質(zhì)中傳播返回結(jié)束探地雷達(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，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(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。131）電磁波在介質(zhì)中傳播速度

返回結(jié)束14返回結(jié)束15返回結(jié)束16返回結(jié)束17返回結(jié)束182）介質(zhì)本身性質(zhì)變化返回結(jié)束19巖石的電學(xué)性質(zhì)存在頻散現(xiàn)象返回結(jié)束

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)隨頻率的改變而變化。圖2給出的是在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得的干砂巖和濕砂巖的有效電阻率與頻率的關(guān)系。

Δ——干標(biāo)本；○——濕標(biāo)本20巖石的電學(xué)性質(zhì)存在頻散現(xiàn)象返回結(jié)束

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

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(jié)束在無損耗的非磁性媒質(zhì)中，

,相速度為：

隨的增加，v趨近于

22表2媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和波速值返回結(jié)束媒質(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(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(jié)束

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：

24圖5

吸收系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線返回結(jié)束25討論吸收系數(shù)

返回結(jié)束值與電導(dǎo)率成正比而與頻率無關(guān)。圖5說明：對(duì)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(dāng)乘積的值大于2×1010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)。注意：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。263）電磁波反射與折射

返回結(jié)束27返回結(jié)束u、ε、σ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。

28返回結(jié)束29返回結(jié)束30返回結(jié)束對(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)σ、ε值有所影響，含水多者σ、ε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)。

313.工作方法和成果判釋返回結(jié)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(cè)線同步移動(dòng)的一種測(cè)量方式。（2）多次覆蓋應(yīng)用不同天線距的發(fā)射——接收天線在同一測(cè)線上進(jìn)行重復(fù)測(cè)量．然后把測(cè)量記錄中相同位置的記錄進(jìn)行疊加，這種記錄能增強(qiáng)對(duì)深部地下介質(zhì)的分辨能力。32工作方法

返回結(jié)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(dá)的技術(shù)參數(shù)返回結(jié)束34探測(cè)的分辨率問題

返回結(jié)束指對(duì)多個(gè)目的體的區(qū)分或小目的體的識(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。若從波長的角度來考慮，則工作主頻率越高(即波長短)，雷達(dá)反射波的脈沖波形就越窄，其分辨率越高。實(shí)際應(yīng)用中可以半波長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λ=0.6m(以v=0.06m/ns計(jì))，其分辨能力為0.3m。

35探測(cè)的分辨率問題

返回結(jié)束水平空間方向上的分辨能力，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)。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)。

36返回結(jié)束37返回結(jié)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(shí)窗選擇（3）采樣率選擇（4）測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距選擇（5）天線間距選擇

探地雷達(dá)測(cè)量的設(shè)計(jì)v返回結(jié)束39現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作返回結(jié)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(cè)線同步移動(dòng)，記錄點(diǎn)位于TR的中點(diǎn)。測(cè)量中測(cè)點(diǎn)間距應(yīng)小于波長的l/4。寬角法(WARR)：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。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。透射法：做電磁波CT時(shí)使用。但用得較少。寬角法測(cè)速度41數(shù)字記錄的探地雷達(dá)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(shù)通過某種形式改變均可以應(yīng)用于探地雷達(dá)資料的處理。例如：多次重復(fù)測(cè)量取平均，以抑制隨機(jī)噪聲；鄰近的不同位置的多次測(cè)量取平均，以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；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；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，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)的三維處理成果判釋、數(shù)據(jù)處理(1).探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理返回結(jié)束42圖像判釋

返回結(jié)束

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。43（補(bǔ)充速度的求?。?/p>

1．時(shí)間剖面的解釋方法（1）反射層的拾?。?）時(shí)間剖面的解釋2．資料解釋的專家系統(tǒng)介紹（1）對(duì)雷達(dá)圖像信息進(jìn)行反褶積處理。

（2）利用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

（3）根據(jù)專家領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行地層性質(zhì)判別

(2).探地雷達(dá)的資料解釋方法v返回結(jié)束44圖像解釋

返回結(jié)束識(shí)別異常：在很大程度上基于地質(zhì)雷達(dá)圖像的正演成果。通過理論計(jì)算和大量的物理模擬實(shí)驗(yàn)，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)解釋提供理論依據(jù)。

地質(zhì)解釋：和所有物探技術(shù)一樣，它是一個(gè)“系統(tǒng)工程”，它包含了物理原理、儀器技術(shù)特點(diǎn)、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ǎ蛯＜蚁到y(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。45返回結(jié)束圖像識(shí)別時(shí)，根據(jù)圖像的波形處理結(jié)果，結(jié)合已知情況進(jìn)行判釋。圖像色彩可以定義為灰度、黑白、彩色等。判釋時(shí)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(cuò)亂等。

46返回結(jié)束47返回結(jié)束圖中可