我国探地雷达的发展与应用

我国探地雷达的发展与应用

0目标体反射波信号转换为临床应用,其又分以下简称作在中国，也称为地壳雷达，使用超高频（106109hz）脉冲磁强计研究地下环境的分布特征，是一种利用超高频（106109hz）探测地下介质分布特征的地球物理方法。其工作原理是,宽带脉冲发射天线将纳秒高压脉冲源提供的电脉冲信号转化为脉冲电磁场,并以脉冲电磁波形式射向目标体。宽带脉冲接收天线将来自目标体的反射脉冲电磁波转化为电脉冲信号传送给宽带取样示波器后以时域方式显示出来,再经计算机处理后给出时域特性或频域特性显示。在雷达移动探测过程中,定时向地下发射脉冲电磁波,并不断接收到目标体的反射波,它们组成雷达剖面图像。通过对雷达图像的判读可确定目标体(管道、洞穴、埋藏物、地层等)的分布特征。也可以通过读取接收到的反射波传播时间和求取电磁波传播速度来计算目标体的埋藏深度。探地雷达理论虽然早在上世纪初就提出,但真正开展应用研究是在上世纪70年代以后,随着电子技术和现代数据处理技术的应用发展,探地雷达技术应用已从冰层、盐层等弱耗介质扩展到土层、煤层、岩层等有耗介质。其应用领域迅速扩大,现在已在岩土工程勘察、水文地质勘察、工程质量检测、地下埋藏物探测、塌陷和岩溶勘察、矿产资源勘探和考古等众多领域得到广泛应用。1国家探测雷达技术发展的历史回顾和设备研究现状1.1探地雷达在我国的发展历程利用探地雷达探测地下目标体分布特征的理论,早在1910年,德国的G.Leimbach和H.Lowy等就以专利形式提出。此后,直到1968年前后,美国TeledyneMicronetics公司在其它科研机构研究视频雷达探地的基础上,开发了一套单周期雷达,并应用于加利福尼亚公路路基下溶洞勘查和地下采矿试验,这可以说是最早的探地雷达设备。由于受地下介质的复杂性和地层对电磁波有较强的衰减性等条件限制,探地雷达的初期应用,仅限于冰层、岩层等对高频电磁波吸收较弱的介质中。如1970年Harrison在南极的冰面上,取得了800~1200m穿透深度的资料。1974年L.T.Procello用雷达研究月球表面结构;UnterbergerR.R.用探地雷达探测冰川、冰山的厚度以及岩矿层中的夹层等。上世纪70年代后期,探地雷达的应用从冰层、盐层等弱耗介质扩展到土层、煤层和岩层等有耗介质中。1970年,美国地球物理探测仪器公司(GeophysicalSurveySystems,Inc.简称GSSI)生产出第一台商业性质的探地雷达,取名为地下界面探测雷达(SubsurfaceInterfaceRadar,简称SIR型雷达)。相关工程技术人员开始利用SIR型雷达来探测地下介质分布特征。此后,岩土工程地质勘察的某些领域才逐步开始实现真正的无损、快速探查——探地雷达探测。上世纪80年代中后期,世界上其他国家也纷纷开始研制探地雷达,如德国、英国、瑞典、意大利、挪威和加拿大。l989年,加拿大Sensors&Software公司(简称S&S公司)成立,它在A—CuBed公司开发的EKKO脉冲探地雷达基础上,生产出PulseEKKO-IV型探地雷达,并将其商业化。我国从上世纪80年代开始引进国外的探地雷达技术,l985年前后,铁道部门和城市市政部门先后引进过一台SIR-8型探地雷达(铁道部)和一台SIR-3型探地雷达(成都自来水公司),并进行了一些探测性能的初步试验工作,这可以说是我国最早期的探地雷达应用研究。1990年,中国地质大学(武汉)在中国首次引进加拿大EKKO-IV型探地雷达,并且进行了从探测理论、探测方法到图像资料解释等较为系统的应用基础研究,对促进探地雷达技术在我国的应用与发展,起到了很大的推动作用。据不完全统计,国内先后引进探地雷达200余台,约相当于探地雷达起源生产国(美国)所拥有数量的2倍。我国引进国外的探地雷达仪器种类以美国GSSI公司的SIR系列和加拿大S&S公司的EKKO系列为主,这两家公司产品约占我国探地雷达引进总数量的75%,其余部分是瑞典MALA公司生产的RAMAC系列雷达、意大利IDS公司的RIS系列雷达和极少量的俄罗斯等国生产的探地雷达。我国在引进国外探地雷达后不久,就开始了研制生产国产的探地雷达设备,当时进行研究的有:煤炭部重庆煤炭研究所、成都电讯工程学院(现成都电子科技大学)、北京工业学院(现北京理工大学)和上海微波研究所等单位,并且先后都有成功的样机问世。1994年,交通部公路科学研究院以王笑京为首的项目研究组,研制出了手推车式连续测量探地雷达,并先后在深圳等地应用。1997年,航天部的支海燕等人也研制成功频率较高、脉冲较窄的一种高分辨率探地雷达,并生产出正式商业产品(即爱迪尔CBS29000V型车载脉冲探地雷达)。此后中国电波传播研究所、西南交大、上海微波所、新乡22所及中国矿业大学等单位都先后研制成功了各具特色的探地雷达,并且应用于一定领域。1.2探地雷达的发展概况国外仪器生产厂商由于研发实力强、技术水平先进,他们所生产的仪器早已商品化和系列化。目前国外已推出的商品化探地雷达设备主要有:美国地球物理探测仪器公司(GSSI)的SIR系列,微波联合公司(M/A—Com,Inc.)的TerrascanMK雷达;日本应用地质株式会社(OYO公司)的GEORADAR系列;加拿大探头及软件公司(S&S)的PulseEKKO系列;瑞典MALA公司的RAMAC雷达系列;意大利IDS公司的RIS系列雷达等。其中美国GSSI生产SIR系列产品由于其数据采集速度高,在公路、铁路和桥梁等交通线检测中具有很大优势。目前最新型SIR-20型探地雷达的扫描速率最高可达到每秒800次,基本上代表着新一代探地雷达的发展趋势。近几年国内在探地雷达设备的研制方面也取得很大进展,国防科技大学电子科学与工程学院在国家863计划信息获取与处理技术主题支持下,历时三年,于2005年研制成功高分辨率GPR系统RadarEye,该系统具有车载式和便携式(手持)两种工作方式,分浅层高分辨率和深层低分辨率多种工作模式。其处理软件具备地下目标的二维、三维合成成像以及地下目标分类等功能。2005年,中国电波传播研究所研制出LTD系列探地雷达,其中LTD-2000型探地雷达可配套25~1000MHz等多种屏蔽天线,代表着国产商业探地雷达设备的水平。LTD-2000型探地雷达的商品化程度和相关技术性能指标较以前已有了很大提高,其中某些技术指标已达到或者超过了国外同类仪器水平,这说明我国自制的探地雷达已经具备了一定的竞争力。随着电子技术和计算机技术的发展,各种探地雷达仪器的性能指标也在不断提高。现阶段探地雷达的发展主流趋势是研发数据采集速度高、抗干扰能力强、探测深度大、性能稳定、处理速度快、分辨率高、设备轻便的探地雷达系统。目前国内外几种主流型号探地雷达设备的性能指标如表1所示。2工程探测经验我国开展探地雷达应用研究已有20余年,取得了一系列研究成果,积累了丰富的工程探测经验。探地雷达在我国的应用研究现状主要分为探测理论研究和工程应用研究两大方面。2.1地震波的正演模拟技术理论研究方面,目前仍相对地集中在信号处理上。物探技术人员为了识别图像或对图像进行地质解释,将目前最新的许多数据处理方法,诸如分形、神经网络、反褶积、小波分析等应用于探地雷达的数据处理中。这主要是因为探地雷达所接收到的信号十分复杂,脉冲电磁波在通过地下介质的过程中,波形和波幅将发生较大的变化,而脉冲余振、系统内部干扰、地表不光滑或地下介质不均匀等引起的散射以及剖面旁侧的绕射等干扰,导致实时记录图像多变和不易分辨。但是当前的信号处理仅限于时间波形处理,如从单次测量结果中减去平均波形以压低噪声和杂乱回波、采用时变增益以补偿介质吸收和抑制深部噪声、用频率滤波以剔除不必要的干扰频率等;除此之外,还研究采用了聚焦技术,以集中目标体的空间响应;采用信号增强以及反褶积等数值处理技术,以加强近地表被强初至电磁波模糊了的反射体波形特征等。为了识别图像或对图像进行地质解释,除了对简单形体模型进行正演外,目前计划开展专家系统技术的有关研究。此外,中国地质大学(武汉)等高等院校已经进行了探地雷达探测体的正反演研究。2.2探地雷达技术应用前景广阔在探地雷达技术应用研究方面,我国拥有的200多台探地雷达,几乎涵盖了全国各个部门。从大型的国家级研究院所、高等学校到工矿企业,从地矿、铁路、交通、民航、水利到城建、考古部门,许多单位都用上了探地雷达,工程技术人员在各自的工作领域进行了较深入的系统研究,随着研究程度的深入,将进一步拓展探地雷达技术的应用范围,使我国的探地雷达应用技术水平一直处于世界先进行列。我国探地雷达技术的应用研究主要有下列几个领域。(1)探地雷达对于施工缺陷的处理方法在工程中的应用这是探地雷达技术应用卓有成效的领域之一。工程质量检测的最基本、最重要的要求就是数据准确可靠,但其探测对象许多却是隐蔽工程,所以常规手段难以兼顾,而探地雷达可以解决这类问题。由于工程的缺陷部位介质与完好部位介质的相对介电常数存在较大差异,因此可用雷达查明施工中出现的隐蔽的质量缺陷。探地雷达能够较好地检测混凝土浇筑质量、土体含水量等指标,还可用于建筑物结构检测、混凝土中钢筋分布准确定位探测、混凝土保护层厚度检测、建筑物结构探伤(空洞、裂缝、蜂窝等)和建筑物内隐蔽物查找等方面。(2)探地雷达天线城市基础设施探测包括各种金属和非金属(PE、PVC、水泥等)管线探测,地下空洞(岩溶、人防工程、地下室、地道)探查,城市路面塌陷检测,突发工程事故抢险等。由于城市中有各种干扰源(机械振动、电磁干扰),许多物探方法无能为力。而探地雷达天线有屏蔽功能,在这方面具有相当优越性,其快速准确探测的优势得到充分发挥。相关应用研究很多,应用效果也各具特色,尤其是在地基(复合地基)和桩基等基础工程检测方面取得了较大突破,目前能用探地雷达较准确地检测地基加固处理效果。(3)路基质量检测算法验证随着我国公路建设的突飞猛进,探地雷达技术在高速公路和高等级公路的质量验收和路基质量检测中得到了广泛应用,其探测速度快、成果精度高已得到了广泛认同。应用领域主要包括沥青层(或混凝土)厚度检测,公路基层、垫层和路基质量检测,路基病害(路基下沉、翻浆、高含水区域、孔洞、软弱体、裂缝等)检测及桥梁结构检测等。(4)路基冻土层及采空区的探测包括铁路路基各层质量检测,路基病害(路基下沉、翻浆、高含水区域、孔洞、软弱体及裂缝等)检测,路基中岩溶或采空区探测,路基冻土层分布范围探测、铁路道渣囊分布范围检测等方面,应用效果越来越好。应用范围已从未运营铁路线路向通车运行线路扩展,目前正在研究类似公路质量检测的轨道车载式铁路路基质量检测系统。(5)妨碍物及断裂发育情况由于常规的勘察钻孔数量有限,无法全面了解地下地层分布特征。而探地雷达可有效地勘察地下回填土的厚度、地下障碍物的分布范围、地层分层特征和地下断裂的发育情况等。其优点是能够快速地大面积普查,从而弥补钻孔勘察数量有限的不足,为工程设计和施工提供依据。在该领域,单独或配合少量其它物探手段,可完成下列地质勘探工作:地层划分、地下断层和断裂查找、地基调查、水文地质勘察、矿产资源调查、地下采空区范围探测、岩溶地质调查及滑坡勘查等。(6)其它技术的优势近几年,探地雷达技术在公路、铁路和水电工程隧道施工和竣工验收上应用十分普遍,主要用于隧道开挖超前地质预报、隧道衬砌厚度检测、隧道衬砌缺陷检测和隧道路基质量检测等方面。特别是在隧道衬砌厚度检测及隧道衬砌缺陷检测上具有其它方法无可比拟的优势。此外在隧道开挖超前地质预报中,配合进行一些地震反射探测,也已取得了令人瞩目的超前地质预报效果。(7)施工质量控制我国水利水电行业工程技术人员使用探地雷达,主要用于前期工程勘察(滑坡体调查、基岩埋深探测),中后期的工程施工阶段质量控制、堤坝隐患探测和水利工程质量检测(堤坝中孔洞、蚁穴、裂隙渗漏点探测等),对水利工程的施工进度和施工质量起到保证作用和改善促进作用。特别是在堤坝隐患探测和水利工程质量的检测中,工程技术人员已尝试解决了一些工程问题,如探测坝基的密实度、完好程度及洞穴、裂缝及陷落等严重隐患的分布范围,并取得良好的效果。(8)家庭壁画的探测在考古学领域,探地雷达主要用于古文化层埋深调查,古遗址探测,地下埋藏物探测,地下墓穴探测,古建筑结构和风化程度检测及古代壁画空鼓区域调查等。我国在这方面的应用虽然起步较晚,但已取得了许多成果,如中国地质大学(武汉)曾对甘肃敦煌莫高窟的石窟进行过探测研究。在对秦始皇陵的考古研究工作中,地矿系统的许多单位也使用了探地雷达技术。(9)用探地雷达探地雷达在环境保护方面,我国利用探地雷达技术比较晚。目前,国内外使用探地雷达主要解决如下问题:农业土壤调查分类,地下水位埋深探测,地下储油罐位置探测,加油站泄漏点和污染范围探测,地下排污管道破碎泄漏污染探测及垃圾填埋场污染物扩散范围探测等。(10)探地雷达在地下隐患检测及安全探测中的应用前景我国在军事与安全领域使用探地雷达技术相对国外更晚,属于新拓展领域。目前主要用于下列方面:战争时期遗留未爆炸物探测,建筑物内隐蔽物探测,地下隐蔽物(小型隐蔽地穴、埋藏的枪械或武器)探测,掩埋的尸体探测等等。在该领域中,由于探测对象(兵器、爆炸物、危险物等)与周围介质的电性差异很大,用雷达进行探测的效果非常好。随着探地雷达应用实践的增加和研究的深入,其在军事与安全探测方面的应用前景将十分广阔。上述众多领域的成功应用表明,探地雷达所用的天线种类较多,与其他的物探方法相比,在地下隐患无损探测及工程质量的检测方面具有其独特的优越性,它能够针对不同的问题(如文中叙述的10大领域)和不同的探测对象,合理选用适当的设备和正确的探测方法,并取得良好的效果。当然,在所有这些应用探地雷达技术的行业中,尽管有少数单位还达不到熟练运用的程度,但总体来看,我国在探地雷达的应用方面,已进入成熟和研究开发新应用领域阶段,国内进行的某些探测领域甚至在国外也从未研究过,属于我国首创。3探地雷达的发展趋势是什么?+探地雷达由于使用的是高频宽频带短脉冲电磁波和高速采样技