声波探测技术和地质雷达检测

.,声波探测技术和地质雷达检测,水工结构2班顾浩钦1030202035,2011年5月,2,GaoSuGongLu,声波探测技术,弹性波：振动在弹性介质中的传播，形成了弹性波声波是弹性波的一种声波的概念（2020000HZ）波动是物质运动的一种形式，声波是波动中机械波的一种，是介质中振动的质点，将振动的能量传递给给周围的质点，引起周围质点的振动，从而以波动的形式将声能向外传播。声波探测的应用依据：目前所用的声波测试方法，以测量声波在介质中传播的时间和在介质中传播一定距离后脉冲（或振幅）的衰减值为依据.,1、概述,声波探测技术：声波探测技术是一种岩石（体）测试技术。用声波仪测试声源激发的弹性波在岩体(岩石)中的传播情况，借以研究岩体(岩石)的物理性质和构造特征的方法，称为声波探测。特点声波探测技术属于无损检测的方法，因此具有其他破坏性实验没有的优点。,1、概述,声波探测技术和地震勘探一样，也是利用岩石弹性的物探方法，而且都以弹性理论作为本方法的理论基础。区别：声波探测所利用的是频率大大高于地震波的声波或超声波，其频率一般为一千赫兹至几兆赫兹。与地震勘探相比，由于声波的频率高、波长短、受岩石的吸收和散射比较严重，因此声波探测对岩体的了解较为细致而探测范围较小，但具有简便、快速、经济、便于重复测试、对测试的岩体(岩石)无破坏作用等优点。所以声波探测已成为工程与环境检测中不可缺少的手段之一。,1、概述,测试方法,声波探测可分为主动测试和被动测试两种工作方法。,主动测试：,指所利用的声波由声波仪的发射系统或槌击、爆炸方式产生。主动测试包括波速测定，振幅衰减测定和频率测定，其中最常用的是波速测定。,被动测试的声波则是岩体遭受自然界的或其它的作用力时，在变形或破坏过程中由它本身发出的。,被动测试：,1利用声波参数结合地质因素，对工程岩体进行分类、分级；2利用声波探测技术评价地下工程围岩的稳定性，包括围岩松弛带范围的测定和围岩稳定性的定期观测；3利用声波探测技术，进行工程地质勘探钻孔及孔间地质剖面分层，确定风化层厚度，为设计开挖及处理提供依据；4岩石和岩体的物理力学性质的测定。如动弹性模量、泊松比等；5岩体中存在缺陷，如构造断裂、岩溶洞穴的位置、规模，张开裂缝的延伸方向和长度的探测；6工程岩体施工及加固措施效果的检测，如爆破、喷锚支护、注浆的质量检查。,应用,二、声波的反射、透射和折射,1,1,2,2,2、声波的传播规律,P0,P1,P2,S1,S2,斯奈尔定律：,二、声波的反射、透射和折射,入射角和折射角的关系,P2,P0,临界角,2、声波的传播规律,波阻抗：介质密度与波速之积。声波反射条件：界面上下介质的波阻抗之差；波阻抗差越大，反射越强；,1,1,2,2,P0,P1,P2,S1,S2,则S1=S2=0,反射系数：,透射系数：,波阻抗,问题：波阻抗差为零时，如何？,2、声波的传播规律,3、声波探测技术,1声波的利用：波速、振幅、频率、波形等；目前利用最多的是波速，特别是纵波波速。2弹性参数：,3、声波探测技术,影响岩体（石）波速的主要因素：(1)岩石越致密，岩体声速越高。波速公式中，波速与密度成反比，但密度增高，弹性模量将有大幅度的增高，因而波速也将越高。(2)结构面的存在，使得声速降低。并使声波在岩体中传播时存在各向异性。垂直结构面方向声速低，平行于结构面方向声速高。,3、声波探测技术,影响岩体（石）波速的主要因素：(4)岩体风化程度大，破碎，裂隙发育，则声速低。(5)应力的关系：压应力方向上声波速度高。(6)孔隙率n大，则波速低；密度高、单轴抗压强度大的岩体波速高。,4、声波探测仪器设备和使用,岩体声波探测是声波发射、传播及接受显示的过程。,声波仪是声波探测使用的仪器。声波仪有多种型号，主动测试的仪器一般都由发射系统和接收系统两大部分组成。其中发射系统包括发射机和发射换能器，接收系统包括接收机和接收换能器。,根据发射和接收换能器之间的距离l，及声波在岩体中的旅行时间t，即可由下式计算被测岩体的波速V,4、声波探测仪器设备和使用,中国中铁西南科学研究院有限公司是我国从事岩体声波探测技术研究的发起单位之一，从1973年引进第一代声波仪起，先后开发、研制了五代声波探测仪。,4、声波探测仪器设备和使用,电声换能器的工作原理,换能器种类繁多，性能各异。声波探测使用的是电声换能器，它是声波仪的重要组成部分。,4、声波探测仪器设备和使用,发射换能器：可以将发射机送来的电能转换为弹性振动形式的机械能，从而产生声波和超声波。,接收换能器：将接受到的岩体中的弹性波转换为电能，然后输送给接收机。,4、声波探测仪器设备和使用,换能器的布置方法：,穿透法室内实验（非同一平面）现场测试岩体表面透射直达波孔间岩体透射直达波,4、声波探测仪器设备和使用,反射法（同一岩面）绕射波剖面法,测试地点的选择指定区域、代表性地段，减少工作量对测孔的要求测量和记录孔的位置和相关信息表面的处理耦合剂换能器和被测表面良好接触探测频率的选择：20KHz,测试方法的确定：,4、声波探测仪器设备和使用,5、声波探测技术应用的应用,地质、岩土、结构工程,1地质工程：1）围岩松弛带的测试,5、声波探测技术应用的应用,5、声波探测技术应用的应用,1地质工程：2）评价完整性程度，估算岩体强度。,据完整性系数进行岩体质量分级,工程岩体分级标准GB50218-94公路隧道围岩分类规范(JTJ026090),5、声波探测技术应用的应用,1地质工程：3）岩体力学参数测定,5、声波探测技术应用的应用,1地质工程：4）声波测井,声波测井就是利用岩石的声学性质来研究钻井的地质剖面，判断固井质量的一种测井方法。,5、声波探测技术应用的应用,2岩土工程：1）岩土体力学参数确定,5、声波探测技术应用的应用,2岩土工程：2）桩基完整性检测,反射法,R=(VP2-VP1)/VP1*100%根据R值及岩芯检验，来评价其灌浆效果。,2岩土工程：3）注/灌浆效果评价：声波CT,5、声波探测技术应用的应用,TSP系列隧洞地震探测仪超前探测原理示意图,最大探测距离达500m，有效探测距离150m，最高分辨率1m。,2岩土工程：4）隧洞内超前探测,5、声波探测技术应用的应用,经验公式,3结构工程：1）混凝土厚度检测,5、声波探测技术应用的应用,3结构工程：1）表面低速层厚度的检测,折射波,5、声波探测技术应用的应用,3结构工程：2）混凝土空洞检测,经验公式,5、声波探测技术应用的应用,直接检测沿面检测,3结构工程：3）混凝土裂缝检测,5、声波探测技术应用的应用,3结构工程：3）混凝土裂缝检测,5、声波探测技术应用的应用,3结构工程：3）混凝土裂缝检测,5、声波探测技术应用的应用,3结构工程：3）混凝土裂缝检测,贯穿裂隙的探测,5、声波探测技术应用的应用,3结构工程：4）深孔法混凝土裂缝检测,5、声波探测技术应用的应用,地质雷达检测,1.什么是雷达,RAdioDetectionAndRanging（无线电探向和测距）利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。雷达最初是用于军事目的，探测空中目标体,防空雷达,大型预警机雷达,地质雷达（GroundPenetratingRadar简称GPR）又称探地雷达，透地雷达，是用频率介于106-109Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种电磁波法探测技术方法。,地质雷达是一种高科技的地球物理探测仪器，目前已经广泛的应用于高速公路，机场的路面质量检测；隧道，桥梁，水库大坝检测；地下管线，地下建筑的检测等诸多的工程领域。,2.什么是地质雷达,3.地质雷达的应用领域,地质雷达自上世纪70年代开始应用至今将近30年了，其应用领域逐渐扩大，在考古、建筑、铁路、公路、水利、电力、采矿、航空各领域都有重要的应用，解决场地勘查、线路选择、工程质量检测、病害诊断、超前预报、地质构造研究等问题。在工程地球物理领域有多种探测方法，包括反射地震、地震CT、高密度电法、地震面波和地质雷达等，其中地质雷达的分辨率最高，而且图象直观，使用方便，所以很受工程界信赖和欢迎。,地质雷达具有以下技术特性，使其在上述许多领域尤其是工程地质领域的得到广泛应用。1.它是一种非破坏性探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场，工作场地条件宽松，适应性强；2.抗电磁干扰能力强，可在城市内各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；3.具有工程上较满意的探测深度和分辨率，现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观；4.便携微机控制数据采集、记录、存储和处理；5.由于使用了高频率，电磁波能量在地下的衰减较强烈，若在高导厚覆盖条件下，探测范围将受到限制。,3.地质雷达的应用领域,地质雷达虽然与探空雷达一样利用高频电磁波束的反射来探侧目标体，但是探地雷达探测的是在地下有耗介质中的目的体，因此形成了其独特的发射波形与天线设计特点。,据已发表的资料探地雷达使用的发射波形有调幅脉冲波、调频脉冲波、连续波等；使用的天线有对称振子天线、非对称振子天线、螺旋天线、喇叭天线等。,3.地质雷达的应用领域,地质雷达的实际应用范围很广，如：石灰岩地区采石场的探测;冰川和冰山的厚度等探测;工程地质探测;煤矿井探测，泥炭调查;放身性废弃物处理调查;水文地质调查;地基和道路下空洞及裂缝等建筑质量探测;地下埋设物，古墓遗迹等探查;隧道、堤岸、水坝等探测。,4.方法原理,地质雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线(Tx)组成。通过发射天线电磁波以6090的波束角向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端将两种显示出来。,4.方法原理,超高频电磁波（10MHz5000MHz）由于地下介质往往具有不同的物理特性，如介质的介电性、导电性及导磁性差异，因而对电磁波具有不同的波阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下各地层或管线等目标体时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲其传播路径、电磁波场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料，可以推断地下介质或管线的埋深与类型。,图1地质雷达探测原理示意图,4.方法原理,地质雷达利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线T送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线R所接收(图1)。脉冲波行程需时：,为相位系数，为导电率（1/），为介电系数，为磁导率,4.方法原理,4.方法原理,4.方法原理,3.电磁波的反射系数,电磁波在传播过程中，遇到不同的阻抗界面时将产生反射波和透射波，其反射与透射遵循反射与透射定律。反射波能量大小取决于反射系数R，反射系数的数学表达式：,4.方法原理,常见介质的相对介电常数、导电率、传播速度与吸收系数,野外工作方法测量方式,探地雷达的野外工作，必须根据探测对象的状况及所处的地质环境并选择合适的测量参数，才能保证雷达记录的质量。,1）、剖面法2）、多次覆盖3）、宽角法,1）、剖面法,剖面法是发射天线(T)和接收天线(R)以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式，当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线与接收天线合二为一时称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为反射波双程定时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各反射界面的形态。,2）、多次覆盖法,由于介质对电磁波的吸收，来自深部界面的反射波会由于信噪比过小而不易识别。这时可应用不同天线距的发射接收天线在同一测线上进行里复测量，然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。,3）、宽角法,当一个天线固定在地面某一点上不动，而另一个天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方式称为宽角法。,这种测量方式的目的是求取地下介质的电磁波传播速度。,5.解释原理,雷达探测资料的解释，包含两部分内容，一为数据处理，二为图像解释。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅被减小，波形变得与原始发射波形有较大的差别。此外，不同程度的各种随机噪声和干扰波，也歪曲了实测数据，因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善数据资料，为进一步解释提供清晰可辨的图像。,5.解释原理,目前，数字处理主要是对所记录的波形作处理。例如取多次重复测量的平均，以抑制随机噪声；取邻近的不同位置的多次测量平均，以压低非目的体杂乱回波，改善背景；做自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波；做滤波处理或时频变换以除去高频杂波或突出目的体、降低背景噪声和余振影响，或进一步考虑测域的一维、二维空间滤波，设计与脉冲波形有关的反滤波或匹配滤波器，做与目的体有关的三维处理等。对于小的、局部的和细长物体，其回波散射有一些频谱特性或极化特性需专门考虑，而天线的极化性质也影响着接收效果。这些都是当前数字处理的研究对象。和地震勘探的数字处理一样，探地雷达实测资料的数字处理正处在不断的发展中。,5.解释原理,图像解释的第一步是识别异常，然后进行地质解释。对于异常的识别在很大程度上基于地质雷达图像的正演成果，然而这方面的内容至今报道甚少。中国地质大学(武汉)在完成国家自然科学基金项目“探地雷达目-的体物理模拟和数值模拟研究”的过程中，做了某些理论计算和大量的物理模拟实验。这些成果无疑为识别现场探测中可能遇到的种种有限目的体所引起的异常，以及对各类图像进行地质解释提供了理论依据。,和所有物探技术一样，雷达异常的地质解释是一个“系统工程”，它包含了高频技术、地质和地理、工程人文等多方面的知识和经验。目前的人工判读解释，只是对异常的识别作一些联系已知条件的注释，但仅就这一工作，应深入研究的问题仍不少。可以肯定，和专家系统、人工智能的研究类同，雷达图像异常解释的成功率，必将随着“系统工程”的不断完善而大大提高。,6.雷达技术的研究及探测仪器的发展,利用雷达对空间目标的探测已发展成为一项成熟的技术，并被广泛应用在各种军事及民用领域中。随着人类对自然界认识的逐步深化，人们对地下世界的探知要求变得越来越迫切与深入。早在1904年德国人就采用了电磁波探测地下的金属物体，到1956年，J.c.Cook又提出了应用无载频脉冲雷达探测地下目标。随着科学技术理论与应用实践，瞬态无载频脉冲雷达技术得到了较快的发展，并在70年代中进入了实际应用阶段。我国从80年代中期开始进行探地雷达技术的研究和试验，最初用于军事地雷的探测。经过十几年的研制攻关，在雷达硬件设备、信号处理、目标成像等方面取得重大进展和突破，特别是成功地实现了对地下目标的三维层析成像，大大提高了分辨率和清晰度，使探地雷达在信号处理和成像技术方面进入了世界领先行列,6.雷达技术的研究及探测仪器的发展,加拿大Sensor&SoftwareInc.,(探头与软件公司)EKKO(Noggin)系列美国GSSI(地球物理测量系统公司)，SIR系列瑞典MalaGeoscienceInc.,RAMAC系列意大利IDS,RIS系列中国电子部22所，LTD系列；北京康科瑞公司与中科院电子所，KON-LD,EKKO100增强型,EKKO1000型,Noggin250型,加拿大EKKO系列,SIR3000型,匹配天线,美国SIR系列,3207型,5103型,5100型,Next,美国GSSI自行生产的天线,Subecho70型,屏蔽天线900型,屏蔽Subecho200型,Radarteam定制的天线,X3M型,瑞典RAMAC系列,匹配天线,屏蔽天线100型,非屏蔽天线100型,非屏蔽天线200型,RIS-2K/ME型（多道）,意大利RIS系列,RIS-2K/0型（单道）,电子部22所LTD系列,200MHz,300MHz,500MHz,500M,900M,1000M,LTD车载系统,LTD-2000车载公路检测仪（车载系统探测速度可达到60km/h，各项指标已达到或超过国外同类产品，可用于公路面基层厚度和基层下存在缺陷检测）,北京爱迪尔公司的CBS-9000型地质雷达及天线,72式塑料防步兵地雷（左）雷达图像（右）说明：制造地雷的材料和触发方式趋于多样化，仅靠金属探测器远远不够。探地雷达不仅可以发现金属地雷，对非金属类目标探测也可大展身手。,图谱1：地雷探测,7、地质雷达的应用,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到空洞等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（LT-1雷达测于广州）。,图谱2：地下土洞穴的检测图象,7、地质雷达的应用,图谱3：土洞群的波形堆积图象,7、地质雷达的应用,图谱4：地下空洞探地雷达检测图象,7、地质雷达的应用,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到岩溶等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（LTD-3雷达测于山东临沂）。,图谱5：地下岩溶洞的检测图象,7、地质雷达的应用,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到管线，由于管线本身和其中的空气介质与周围土壤的介电特性差异较大，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（LT-3雷达测于广州）。,图谱6：地下管线的检测图象,7、地质雷达的应用,图谱7：三峡库区的金属管线检测图像,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到管线等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（2003年测于长江三峡）。,7、地质雷达的应用,图谱8：廊道下钢筋检测,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到钢筋等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（2003年测于长江三峡）。,7、地质雷达的应用,图谱9：廊道下钢筋及过人通道检测,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到不同介质层，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（2003年测于长江三峡）。,7、地质雷达的应用,图谱10：长江三峡库区里的混凝土污水管道（500M）,说明：对应埋深30cm,直径为50cm的混凝土管道处出现明显异常,7、地质雷达的应用,图谱11：长江三峡库区里的混凝土污水管道（300M）,说明：埋深30cm,直径为50cm的混凝土管道呈现典型双曲线反映,7、地质雷达的应用,图谱12：萧山观潮城五孔小桥探测图象,说明：天线拖过桥面时，来自桥孔和水面的反射信号较强，在剖面中显示为典型的双曲线（2003年用500M天线测于萧山）。,7、地质雷达的应用,图谱13：北疆铁路SKS段路基检测剖面,说明：冬冻夏溶的交替变化导致铁路路基发生不均匀沉降，严重影响行车安全。GPR可给出道渣厚度分布，进而确定路基沉降情况，为路基治理提供第一手资料。,7、地质雷达的应用,图谱14：地下构造探测图像,说明：500M天线探测得到的灰度图，将地下不同特征的埋藏物和地质构造显露无遗。,7、地质雷达的应用,说明：水的介电常数为81，与湖床的性质差异较大，电磁波的强度和相位将有明显变化，沿界面产生明显异常（1999年GCL211型地质雷达在大庆的冬试）,图谱15：冰下湖床的检测图象,7、地质雷达的应用,说明：水的介电常数为81，与河底的性质差异较大，电磁波的强度和相位将有明显变化，沿界面产生明显