探地雷达讲义-张胜利

1探地雷达技术

GroundPenetratingRadarTechnology返回结束主要内容一、概论及基础知识1.探地雷达原理2.雷达波在工程材料介质中传播3.工作方法和成果判释二、在铁路路基工程中的应用三、在隧道超前预报中的应用四、在隧道质量检测中的应用31.探地雷达原理探地雷达：是一种浅层工程勘探方法（通过天线发射高频电磁波，当高频电磁波遇到介电常数不同的界面时，产生反射回波；根据接收天线接收到反射回波的时间确定反射界面的距离和根据反射回波形态判定反射体的性质）。特点无损探测方式；数据直接拼接成像；高分辨率。探测距离小。返回结束4将雷达原理用于探地，早在1910年就已提出，当时德国的G.Leimback和Lowy曾以专利形式阐明这一问题。以后J.C.Cook在1960年用脉冲雷达，在矿井中做了试验。早期,由于地下介质比空气具有强得多的电磁波衰减特性，加之地下介质情况的多样性，波在地中的传播特性比在空气中要复杂得多。因此，探地雷达的初期应用仅限于波吸收很弱的冰层、岩盐矿等介质中。如s.Evans1963年用雷达测量极地冰层的厚度；Harrison1970年在南极冰面上取得了穿透800～2200m的资料；1974年L.T.Procello用雷达研究月球表面结构；Unbterberger探测冰川和冰山的厚度等。探地雷达发展历史返回结束5

随着仪器信噪比的大大提高和数据处理技术的应用，70年代以后，探地雷达的实际应用范围迅速扩大，其中：石灰岩地区采石场的探测(1971年Takazi；1973年Kitahra)二程地质探测(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)煤矿井探测(1975年J，C.Cook)、泥炭调查(1982年C.P.F.Ulriksen)放射性废弃物处理调查(1982年D.L.wright，R.D.Watts；1985年0.Olsson)地面和钻孔雷达用于地质构造填图、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测和水坝、隧道、堤岸、古墓遗迹探查等(1982～1987年加拿大、日本、美国、瑞典等报道)。

探地雷达发展历史（续）返回结束6实际检测时，雷达天线沿测线从左向右移动，如左图；发射天线不断发射雷达电磁波，接收天线接收到一条条雷达回波。将雷达回波按顺序排列展开，便可准确、形象地反映出地下探测目的体及反射界面的位置（见右图所示）。（此外宽角法、多天线法。检测三维结构怎么办？)探地雷达工作方式返回结束7方法原理

返回结束雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑、白色表示，或者以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线即可形象地表征出地下反射面。上图为波形记录的示意图。图上对照一个简单的地质模型.，画出了波形的记录。在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。与反射地震剖面相似，雷达剖面亦同样存在反射波的偏移与绕射波的归位问题。故雷达图形也需作偏移处理。反射脉冲信号的强度，与界面的波反射系数和穿透介质的波吸收程度有关

8探地雷达的下列技术特性

返回结束探地雷达是一种非破坏性的探测技术，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(对于轻便类的仪器)；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；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；便携微机控制数字采集、记录、存储和处理。轻便类仪器现场仅需3人或更少人员即可工作，工作效率高。9地质勘察，如隧道超前预报、地基探测，包括溶蚀带、裂隙面、溶洞等的探查；岩层埋深及组成；隧道前方岩性的完整性和隐患

；管缆探查等；结构物质量检测，如堤坝内空洞、隧道衬砌完整性、地基回填裂缝等；地质灾害勘查。如武汉市陆家街地区岩溶塌陷以及汉阳县蔡店地面塌陷，三峡巴东滑坡，襄樊公路滑坡勘测；

考古探测。如湖北大冶钢录山古铜矿老窿勘探。目前部分应用领域返回结束10探地雷达是一种较新的地球物理方法利用脉冲形式的宽带电磁波，用频率介于106～109Hz的无线电波来确定地下介质分布；探测地表之下或确定不可视物体的内部结构。经过几十年的发展，探地雷达逐渐趋于成熟，由于具有高分辨率、高效率等优点，因而广泛应用于工程与环境和资源等浅部地球物理领域，并取得了很好的效果。工程地质工作者的评价返回结束11

随着微电子技术的迅速发展，现在的探地雷达设备已由庞大、笨重的结构改进为现场适用的轻便工具。目前，已推出的商用探地雷达有：美国地球物理探测设备公司(GSSI)的SIR系列微波联合公司(M/A—Com，Inc.)的TerrascanMK系列日本应用地质株式会社(0Y0公司)的GEORADAR系列加拿大探头及软件公司(SSI)的PulseEKKO系列瑞典地质公司(SGAB)的RAMAC钻孔雷达系统大量的国产仪器等。 这些商用的探地雷达所使用的中心工作频率在10～1000MHz范围，时窗在O～20000ns。根据不同的地质条件，地面系列的探测深度约在30～50m，分辨率可达数厘米，深度符合率小于±5cm。探地雷达由于采用了宽频短脉冲和高采样率，使其探测的分辨率高于所有其它地球物理探测手段，采用可程控高次叠加(多达4000次)和多波形处理等信号恢复技术，大大改善了信噪比和图像显示性能。今后的趋势是向多天线高速扫描接收和进一步改善天线对各种目的体的回波响应性能，以实现更精确、小尺寸、高工效、低成本以及图像联系真实地质情况等总的要求。探地雷达仪器进展返回结束122.雷达波在工程材料介质中传播返回结束探地雷达利用高频电磁波(主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫)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：当地下介质中的波速v为已知时，可根据测到的精确的t值(ns，1ns=lO-9s)。由上式求出反射体的深度(m)。式中x(m)值在剖面探测中是固定的：v值(m/ns)可以用宽角方式直接测量，也可以根据近似算出(当介质的导电率很低时)[4]，其中c为光速(c=0.3m/ns)，为地下介质的相对介电常数值，后者可利用现成数据或测定获得。131）电磁波在介质中传播速度

返回结束14返回结束15返回结束16返回结束17返回结束182）介质本身性质变化返回结束19岩石的电学性质存在频散现象返回结束

野外观测和实验室标本测量的结果都说明，岩石的电学性质随频率的改变而变化。图2给出的是在实验室中测得的干砂岩和湿砂岩的有效电阻率与频率的关系。

Δ——干标本；○——湿标本20岩石的电学性质存在频散现象返回结束

图3表示相对介电常数()与频率的关系。图上曲线说明了高电阻率均匀岩石的特征，在雷达频段内其介电常数可认为是一常数。

辉绿岩；2.闪长岩；3.辉长岩4.辉岩；5.王长岩；6.花岗岩21岩矿石的相位常数返回结束在无损耗的非磁性媒质中，

,相速度为：

随的增加，v趋近于

22表2媒质的相对介电常数和波速值返回结束媒质V(m/ns)媒质v(m/ns)花岗岩4(9)0.15(0.1)土壤(含水20%)10(4～0.095)(0.05～0.15)安山岩2O.21士壤(干)4(3～5)0.15(0.13～0.17)玄武岩40.15沼泽肥土120.087凝灰岩6O.12肥土150.078石灰岩7(6)0.11(0.12)混凝土6.40.12大理岩60.12沥青3～50.12～0.18砂岩(4)(0.15)冰3.20.17煤4.50.14～O.15聚氯乙烯30.1523吸收系数返回结束

吸收系数决定了场强在传播过程中的衰减速率，对以位移电流为主()的媒质，的近似值为：

24图5

吸收系数与频率的关系曲线返回结束25讨论吸收系数

返回结束值与电导率成正比而与频率无关。图5说明：对于不同的频率f可从图上读出，从而求出值。分析图中曲线得出，当乘积的值大于2×1010时，媒质的吸收系数与频率无关。如，，要求媒质的电阻率大于20，吸收系数即与频率无关。注意：当采用直流电阻率计算岩石的吸收系数时，由于导电率的频散现象，计算值往往低于实测值。263）电磁波反射与折射

返回结束27返回结束u、ε、σ分别为介质的导磁系数、相对介电常数和电导率。角标1和2分别代表入射介质和透射介质。由关系式可以看出，反射系数与界面两边介质的电磁性质和频率有关。很明显，电磁参数差别大者，反射系数也大，因而反射波的能量也大。

28返回结束29返回结束30返回结束对于斜入射情况，反射系数将因波极化性质而变，反射系数还与入射角大小有关。介质的含水量一般也会对σ、ε值有所影响，含水多者σ、ε值变大，相应地，反射系数也会不同。波的吸收程度与衰减因子有关。

313.工作方法和成果判释返回结束l．剖面法与多次覆盖（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。（2）多次覆盖应用不同天线距的发射——接收天线在同一测线上进行重复测量．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。32工作方法

返回结束331．分辨率

分辨率是方法分辨最小异常体的能力。分辨率可分为垂向分辨率与横向分辨率。

（1）

垂向分辨率一般把地层厚度b=λ／4作为垂直分辨率的下限。（2）横向分辨率探地雷达的技术参数返回结束34探测的分辨率问题

返回结束指对多个目的体的区分或小目的体的识别能力。概括地说，这个问题决定于脉冲的宽度，即与脉冲频带的设计有关。频带越宽，时域脉冲越窄，它在射线方向上的时域空间分辨能力就越强，或可近似地认为深度方向的分辨率高，其关系式为：。式中Beff有效频带宽度，为分辨界面的有效波形之间的时间间隔。若从波长的角度来考虑，则工作主频率越高(即波长短)，雷达反射波的脉冲波形就越窄，其分辨率越高。实际应用中可以半波长为尺度来表明纵向分辨率。例如，对于100MHZ的中心频率，在粘土中，波长λ=0.6m(以v=0.06m/ns计)，其分辨能力为0.3m。

35探测的分辨率问题

返回结束水平空间方向上的分辨能力，在很大程度上决定于介质的吸收特性。介质吸收越强，目的体中心部位与、边缘部位的反射能量相对差别也越大，水平方向的分辨能力相对也就较强。分辨率还与地下各个方向上脉冲波的能量分布情况，即天线的方向图有关。

36返回结束37返回结束38目的体特性与所处环境分析（1）天线中心频率选择（2）时窗选择（3）采样率选择（4）测点点距选择（5）天线间距选择

探地雷达测量的设计v返回结束39现场测量工作返回结束剖面法(CDP)：发射天线和接收天线以固定间距(TR=z=D)沿探测线同步移动，记录点位于TR的中点。测量中测点间距应小于波长的l/4。宽角法(WARR)：采用一个天线固定，移动另一个天线的方式，或者两天线同时由一中心点向两侧反方向移动。此时记录的是电磁波脉冲通过地下各个不同介质层的双程传播时间，它反映地下成层介质的速度分布。多天线法(MAM)：这种测量方式是利用多个接收天线，同时实现多点测量。但这种方法必须考虑天线的屏蔽，以避免直达波或泄漏波在天线之间多次反射造成的干扰。透射法：做电磁波CT时使用。但用得较少。宽角法测速度41数字记录的探地雷达数据类似于反射地震数据，反射地震数字处理许多有效技术通过某种形式改变均可以应用于探地雷达资料的处理。例如：多次重复测量取平均，以抑制随机噪声；邻近的不同位置的多次测量取平均，以压低非目的体杂乱回波，改善背景；自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波；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，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成果判释、数据处理(1).探地雷达的数据处理返回结束42图像判释

返回结束

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。43（补充速度的求取）

1．时间剖面的解释方法（1）反射层的拾取（2）时间剖面的解释2．资料解释的专家系统介绍（1）对雷达图像信息进行反褶积处理。

（2）利用自动识别系统

（3）根据专家领域知识进行地层性质判别

(2).探地雷达的资料解释方法v返回结束44图像解释

返回结束识别异常：在很大程度上基于地质雷达图像的正演成果。通过理论计算和大量的物理模拟实验，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理论依据。

地质解释：和所有物探技术一样，它是一个“系统工程”，它包含了物理原理、仪器技术特点、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。45返回结束图像识别时，根据图像的波形处理结果，结合已知情况进行判释。图像色彩可以定义为灰度、黑白、彩色等。判释时通常先找出共同特征，如同相轴等；再找异常部分，如高频区、双曲线、同相轴错乱等。

46返回结束47返回结束图中可