地质雷达技术应用要点教材

地质雷达技术应用要点

赵永贵1国内外地质雷达技术与应用现状2工程质量检测中的地质雷达技术3岩溶勘察中的地质雷达技术

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。地质雷达的应用领域工程场地勘察地质雷达最早用于工程场地的勘查，包括重要工程场地、铁路与公路路基，用以解决松散层分层和厚度分布，基岩风化层分布，以及节理带断裂带等问题。有时也用于研究地下水水位分布，普查地下溶洞、人工洞室等。在粘土不发育的地区，使用中低频大功率天线，探查深度可达20m-30m以上。在地震地质研究中，地质雷达也用于研究隐伏活断层分布，效果很好。

地质雷达最早用于工程场地的勘查，包括重要工程场地、铁路与公路路基，用以解决松散层分层和厚度分布，基岩风化层分布，以及节理带断裂带等问题。有时也用于研究地下水水位分布，普查地下溶洞、人工洞室等。在粘土不发育的地区，使用中低频大功率天线，探查深度可达20m-30m以上。在地震地质研究中，地质雷达也用于研究隐伏活断层分布，效果很好。

工程场地勘察场地勘察场地勘察图像松散层下隐伏灰岩顶面岩溶陷落洞

考古考古是地质雷达应较早的领域，在国内外有很多成功的实例，如意大利罗马遗址考古、中国长江三峡库区考古等项目都应用了雷达技术。利用雷达探测古建筑基础、地下洞室、金属物品等。

考古探察

古渠道与遗址

在现今城市改造中，有时也需要了解地下管网，如电力管线、热力管线、上下水管线、输气管线、通信电缆等，这对于地质雷达是很容易的。目前地质雷达为地下管线探测发展了高分辨3D探测系统及软件，如PATHFINDER雷达、RIS-2K/S等雷达都可以胜任这类工作，不但可探测到水平位置分布，还可以确定其深度，得到三维分布图。

地下管网探测地下管网探测

工程检测近年应用来领域急速扩大，特别是在中国的重要工程项目中，质量检测广泛采用雷达技术。铁路公路隧道衬砌、高速公路路面、机场跑道等工程结构普遍采用地质雷达检测。用于检测衬砌厚度、脱空和空洞、渗漏带、回填欠实、围岩扰动等问题。检测厚度精度可达厘米级。工程质量检测工程质量检测混凝土中钢筋网混凝土与围岩界线空隙空洞4090140cm混凝土衬砌砌砂岩夹泥岩隧道衬砌检测

对于浅表的金属矿化带、断层蚀变带以及掌子面附近的金属矿化带，可以用地质雷达探测。矿化带金属及氧化物、硫化物富集，电磁性质差异明显，电磁波反射清晰，可为找矿体供参考。以下是山东界诃金矿寻找断裂蚀变带金矿的例子。金属矿化带勘查寻找金属矿化带

随着西部大开发进程的加快，西部的公路、铁路、水电等建设项目增多，大部分建设在高山峡谷地区，隧道工程数量巨大。为保证隧道施工中的人员、设备安全，保证工期和质量，节约经济投资，需要进行隧道地质超前预报。目前的超前预报是采用地震、雷达探测与地质研究相结合的办法。地震预报掌子面前100m左右，地质雷达预报20-30m范围内。目前阶段预报的准确率不等，很大程度上依赖于经验。下边是公路隧道掌子面上地质雷达的探测预报纪录。隧道超前预报

隧道超前预报

地质雷达通常是工作反射方式下，如果选用发射与接收分离型的天线，就可以工作在透射方式下，进行电磁波CT成像。跨孔天线、100MHz加强形天线、低频杆式天线都可以这样使用。用雷达记录电磁波的时程，包含了电磁波的走时和振幅值，可以同时进行电磁波速与衰减成像。这种方法对于探查断裂带、密集节理带、含水带、金属含矿带、溶洞空洞都非常有效。下边是在金川龙首矿的一个电磁波探测实例。

电磁波透射CT电磁波透射CT图像

美国有一个将地质雷达用于水资源调查的例子。用雷达调查河水的深度和流速，评估水资源。他的观测设计得很巧妙。探测不用船，而是将雷达天线用钢索吊在河面上，横跨河流断面移动，测量河床界面反射，确定河流断面水深度分布。同时，使用10GHZ频率天线测量河面水流速度，计算河水流量。用雷达测水深容易理解，用雷达测流速有些鲜为人知。雷达测速与流速计的测量结果非常一致。该例说明只要灵活运用，地质雷达的用途是无穷的。地表水资源调查

河床深度调查河床断面微波测量河水表面流速河水流速分布

地质雷达用于金属矿含量检测也是一个奇想。将高频天线吊在传送带上方，传送带上物件、样品、矿石从天线下边通过，反射强度的高低与金属含量有关。

地质雷达用于矿石调查金属矿化度分布

地质雷达技术在欧美地区很受重视，每年都召开国际讨论会，2002年第9届地质雷达国际讨论会于4月29日到5月2日在美国加利福尼亚州的SantaBarbara召开。由美国的GSSI公司、瑞典的MALA公司、加拿大的Sensors&Softward公司以及Electrical&ComputerEngineering公司共同资助，由SantaBarbara大学承办。2003年第10届地质雷达国际讨论在挪威召开。下列三张照片是第9届地质雷达国际讨论会片段，讨论会期间几家公司展示了他们新近研发的雷达设备。

国内外地质雷达技术发展状况

美国有三个地质雷达厂家，GSSI是规模较大的一家，此外有PLUSRODAR和PENETRADAR。GSSI公司及其产品GSSI公司成立于1970年，1990年加入OYO集团，推出SIR-10型雷达，销售了150套，1994年推出SIR-2型雷达，4个月内销售25套。上世纪末本世纪初推出了SIR2000,最近又推出SIR3000。

美国的地质雷达技术发展近况美国PLUSRODAR公司的PLUSRODARⅤ型路用雷达，采用空气耦合双及型天线，有250MHz，500MHz、1GHz、2GHz多种型号。同时可安装4个不同频率的天线，测量速度可达110km/h。WESTERNUNION

美国西部联盟路面雷达公司美国PENETRADAR公司创建于1974年，一直从事高精度路面雷达系统的设计开发，该公司的IRIS/IRIS-L型路面雷达已作为美国路桥检测的工业标准。在中国有十几家用户。美国PENETRADAR公司

路面检测雷达英国ERA公司SPRSCAN雷达英国有两家雷达生产商，分别是ERA公司和SEARCHWELL公司。目前对于他们产品的详情了解较少。

意大利IDS公司RIS-2K/MF雷达意大利意锐（IDS）公司生产的RIS-2K/MF雷达（北京博态克公司代理），多通道雷达。IDS公司具有多年国防及卫星雷达经验，民用始于20年前，意大利电信在安装光纤前需探测地下目标，提出了极其严格的要求，IDS公司为此研制出RIS-2K/MF雷达系统。目前配置的天线的频率有80、100、150、200、400、600、1200、1600MHz。英国和意大利雷达意大利RIS雷达意大利RIS雷达

加拿大的Sensors&Software公司生产的PulseEKKO系列地质雷达在上世纪初就进入了中国(雷迪公司代理)，早期产品为PulseEKKOⅣ，接着有功能改进的PulseEKKO100。该仪器的特点是接收与数字采样都放在天线中，通用光纤与笔记本电脑通讯，笔记本电脑作为记录器，抗干扰性强。但联线太多，野外使用不太方便。加拿大EKKOPULSE雷达加拿大EKKOⅣ天线输入电压400V，光纤1000V，重复频率30kHz。加拿大探头与软件公司PLUSE-EKKO雷达

加拿大雷达雷达控制器PULSEEKKO高频雷达天线PULSEEKKO一体化雷达

加拿大雷达瑞典生产地质雷达较早，上世纪80年代中期，ABEM公司就生产井下透射雷达，到现在工程探测及检测雷达及各类天线齐全。瑞典的MALAGEOSCIENCE公司，丹麦的依可-丹公司，也都生产探地雷达。

瑞典及丹麦的雷达瑞典雷达

目前国内有4家雷达厂商：国内在上世纪80年代就开始地质雷达的研究工作，主要是为了煤矿安全，重庆煤研所在很多煤矿进行了试验，采用模拟信号、屏幕显示技术，不是数字雷达。90年代初外国雷达进入中国后，电子部22所和航天部爱迪尔公司也先后开始数字化雷达的研制，分别推出了自己的产品。90年代末和本世纪初骄鹏公司与矿大研究生院也分别研制出自己的产品。国内的地质雷达技术发展爱迪尔公司推出的CIDRC道路检测雷达，天线中心频率750MHz、1000MHz、2000MHz,并配有层位追踪软件，适合公路路面测量。后有开发出CBS-900探地雷达一体化机，配有高频、中频和低频天线，10MHz—2GHz系列。用于混凝土结构、路面、工程场地等各种测量。

爱迪尔道路雷达上世纪90年代中期，电子部青岛22所原在河南新乡时就研制出LTD-3型探地雷达，配有80MHz-1000MHz屏蔽型天线和25MHz-2000MHz非屏蔽性天线，并配有分析软件，用于混凝土结构、路面、工程场地等各种测量。其软件最早采用小波分析方法，效果很好。青岛22所LTD-3型探地雷达LTD-3雷达北京矿大研究生院煤矿地质雷达专为煤矿安全探测设计的，具有防爆功能，2002年研制成功。雷达配有GR处理软件，功能完善，层面追踪和小波分析。北京矿大研究生院地质雷达

骄鹏公司的GEOPEN型地质雷达推出的比较晚，但一体化和造型设计在国内是最好的。光纤传输，25MHz--400MHz中低频天线，250MHz-2000MHz中高频屏蔽天线。并有GRIM型井间雷达系统，一次可采集多频信号，0.5-32MHz。骄鹏公司GEOPEN型地质雷达

骄鹏雷达工程勘察与检测对地质雷达技术的要求地质雷发展的最主要的推动力是社会需求，包括环境、考古、资源和工程等领域的需求，其中最主要的是工程需求。工程需求有两个方向，一个是工程勘察，另一个是工程检测，两者对地质雷达的技术要求是不同的。目前的地质雷达在工程检测中应用的效果比较好，而在工程勘察中的效果不理想，原因是雷达目前的技术指标更接近工程检测的要求，而距工程勘察要求有较大的距离。工程勘察对地质雷达的技术要求最主要的是探测深度和分辨率，目前的探地雷达在北方第四系地层中探测深度可达到20-25m,在南方一般为15-20m。在基岩出露地区探测可能会略深些。可解释的地层的厚度即分辨率约0.5-1.0m左右。而工程场地勘察关心的深度一般为30-50m，公路与铁路线路勘察关心的深度在20-30m左右，因而地质雷达不能满足大多数工程场地的勘察需要，可满足部分线路勘察的需要。电磁波在岩土介质中传播时衰减是不可避免的，因而，要加大探深度，必须对雷达的软硬件有较大的改进。硬件的改进有两方面，一个是提高天线的发射功率，另一个是提高A/D转换的动态位数。目前GSSI公司的80MHZ、100MHz强力天线是市场上见到的发射功率最大的天线，双峰值1300V，平均功率分别为3000mw和2500mw。但应用结果表明其探测深度还显不足，应进一步提高。提高探测深度的另一有效措施是提高A/D转换的动态位数n。A/D转换位数n决定了仪器探测的动态大小，是同时记录最强和最弱信号的能力。所能探测的最强与最弱信号的比值应等于2n。加大探测深度时，深浅反射信号的幅值的差异增大，因而仪器的动态范围需要增加。此外，应该提高软件的处理功能，更有效地消除噪音和干扰，提高弱反射信号的识别能力，也就增加了探测深度，可弥补硬件能力的不足。目前的地质雷达技术指标，基本上是受工程检测需要的引导在发展。工程检测的基本要求是高分辨率，分辨率要求达到厘米级，而对于探测深度要求较低，一般为1-2m以内。近年来，先后开发出各类高频天线，包括手持扫描雷达，天线频率达到2GHz。

地质雷发展的最主要的推动力是社会需求，包括环境、考古、资源和工程等领域的需求，其中最主要的是工程需求。工程需求有两个方向，一个是工程勘察，另一个是工程检测，两者对地质雷达的技术要求是不同的。目前的地质雷达在工程检测中应用的效果比较好，而在工程勘察中的效果不理想，原因是雷达目前的技术指标更接近工程检测的要求，而距工程勘察要求有较大的距离。工程勘察对地质雷达的技术要求最主要的是探测深度和分辨率，目前的探地雷达在北方第四系地层中探测深度可达到20-25m,在南方一般为15-20m。在基岩出露地区探测可能会略深些。可解释的地层的厚度即分辨率约0.5-1.0m左右。而工程场地勘察关心的深度一般为30-50m，公路与铁路线路勘察关心的深度在20-30m左右，因而地质雷达不能满足大多数工程场地的勘察需要，可满足部分线路勘察的需要。电磁波在岩土介质中传播时衰减是不可避免的，因而，要加大探深度，必须对雷达的软硬件有较大的改进。硬件的改进有两方面，一个是提高天线的发射功率，另一个是提高A/D转换的动态位数。目前GSSI公司的80MHZ、100MHz强力天线是市场上见到的发射功率最大的天线，双峰值1300V，平均功率分别为3000mw和2500mw。但应用结果表明其探测深度还显不足，应进一步提高。提高探测深度的另一有效措施是提高A/D转换的动态位数n。A/D转换位数n决定了仪器探测的动态大小，是同时记录最强和最弱信号的能力。所能探测的最强与最弱信号的比值应等于2n。加大探测深度时，深浅反射信号的幅值的差异增大，因而仪器的动态范围需要增加。此外，应该提高软件的处理功能，更有效地消除噪音和干扰，提高弱反射信号的识别能力，也就增加了探测深度，可弥补硬件能力的不足。目前的地质雷达技术指标，基本上是受工程检测需要的引导在发展。工程检测的基本要求是高分辨率，分辨率要求达到厘米级，而对于探测深度要求较低，一般为1-2m以内。近年来，先后开发出各类高频天线，包括手持扫描雷达，天线频率达到2GHz。工程对地质雷达技术的要求

目前国内外地质雷达生产厂商超过10家，生产的地质雷达大同小异，其性能多集中在工程检测领域。总括各类雷达，其共同的特点是：1．

雷达天线高频特性能较好，低频性能差一些；2．

发射功率较小，探测浅；3．

雷达系统本身噪音较大，影响探测能力；4．

雷达处理软件发展落后与硬件；此外，有些雷达整体性差，接线太多，有的雷达采用笔记本作为记录器，现场工作不方便；还有些雷达数据传输很不方便，数据采集1小时，回来传数据3小时。地质雷达技术存在的问题

电磁波基本要点电场、磁场与波矢量电磁波是横波，电场强度E、磁场强度H和波矢量K三者互相垂直，组成右手螺旋关系。右手螺旋关系含义如下，四个手指并拢伸直指向电场方向，然后四指回握90°指向磁场方向，大拇平伸则指向波的传播方向k。电磁波的电场、磁场、与波矢量的关系如下图所示。在波的传播过程中其空间方向是固定不变的，即使是发生了反射与折射，也只是传播方向K发生变化，电场与磁场的方向依然不变。在空气中电场与磁场是同向位的，两者同时达到极大和极小值，电场强度与磁场强度的比值刚好等于电磁波速。在工程介质中因为有传导电流能量损失，电场与磁场的相位再不同步，磁场落后与电场一个相位，电导率越高，落后的相位越大。描述电磁波传播特性的波矢量k为复数：k=β+iα,

β描述波传播的相位，称为相位常数；α描述波幅的衰减，称为衰减常数，它们是介质的性质。相位常数与衰减常数与介质电磁参数及频率的关系如下：

β=ω（με）1/2[（（1+σ2/ω2ε2）1/2+1）/2]1/2

α=ω（με）1/2[（（1+σ2/ω2ε2）1/2-1）/2]1/2

根据介质的电磁性质，分三种情况对上式进行讨论。

对于低电导介质，满足σ<10-7S/m，σ/εω《1，此时相位常数、衰减常数和电磁波速V为：

β=ω（με）1/2α=σ（μ/ε）1/2

V=ω/β=（1/με）1/2

上式说明对于低电导介质，电磁波速与介电常数和磁导率的平方根成反比。对于非铁磁性物质，导磁率为1。衰减常数与电导率成正比，与介电常数的平方根成反比。说明电磁波能量的衰减主要是由于感生涡流损失引起的。

对于高电导介质，满足σ>10-2S/m，σ/εω»1，此时相位常数、衰减常数和电磁波速V为：

β=α=（σμω）1/2

V=ω/β=（ω/σμ）1/2

上式说明在高导介质中，波速与频率的平方根成正比，与电导率的平方根成反比，波速是频率和电导率的函数，波速很低。如对于铜，电导率为5*107，在100MHZ时波速为3.5m/s；对于1GHZ的频率，电磁波速为11m/s。这一速度与空气及岩土介质中的电磁波速相比，可以认为导体中的电磁波速为0。也就是说，在导体中电磁波很难传播。通常用波幅降至原值的1/e的传播距离称为穿透深度δ：δ=1/α=（2/σμω）1/2

该式说明穿透深度与电导率和频率的平方根成反比。在100MHz频率下，对于铜的穿透深度仅为0.7*10-3cm，局限于表面。在空气中电场与磁场的幅值是相等的，且两者相位相同。而在导体中磁场强度比电场大，相位要滞后电场45°，这些都与感生电流有关。介质中的电磁波速与能量衰减特性

工程质量检测技术要点仪器配套与参数选择2现场检测注意要点3资料处理要点4波相识别5工程解释天线与采集参数选定天线选择衬砌检测900MHZ天线衬砌与围岩检测600MHZ天线路面检测1.2-1.4GHZ天线路基600/900MHZ天线参数设置记录长度ns[2•h(m)/0.1(m/ns)]•1.5样点数512，1024，2048

S(samp/scan)•scan/sec•Bit/samp带宽设定高截2倍，低截1/2工程检测资料处理与波相识别雷达资料预处理扫描线/里程均一化，去水平波，小波处理变增益显示/彩色显示；波相识别表面反射波位置和极性，初衬二衬及内部界面，空洞，钢筋，多次波；工程解释衬砌厚度，空洞，欠实区，含水带，钢筋密度；

为获得雷达探测的结果，需要对雷达记录进行处理与判读，判读是理论与实践相结合的综合分析，需要坚实的理论基础和丰富的实践经验。雷达记录的判读也叫雷达记录的波相识别或波相分析，它是资料解释的基础。在此首先介绍波相分析的基本要点。要点1：反射波的振幅与方向从反射系数的菲涅耳（Fresnel）公式中可以看出两点：第一点反射振幅的大小，界面两侧介质的电磁学性质差异越大，反射波越强。从反射振幅上可以判定两侧介质的性质、属；第二点反射波的极性，波从介电常数小进入介电常数大的介质时，即从高速介质进入低速介质，从光疏进入光密介质时，反射系数为负，即反射波振幅反向。反之，从低速进入高速介质，反射波振幅与入射波同向。这是判定界面两侧介质性质与属性的又一条依据；如从空气中进入土层、混凝土反射振幅反向，折射波不反向。从混凝土后边的脱空区再反射回来时，反射波不反向，结果脱空区的反射与混凝土表面的反射方向正好相反。如果混凝土后边充满水，波从该界面反射也发生反向，与表面反射波同向，而且反射振幅较大。混凝土中的钢筋，波速近乎为零，反射自然反向，而且反射振幅特别强。因而，反射波的振幅和方向特征是雷达波判别最重要依据。雷达目标波相识别的三项基本要点1

钢筋反射波的振幅与方向

要点2：反射波的频谱特性不同介质有不同的结构特征，内部反射波的高、低频率特征明显不同，这可以作为区分不同物质界面的依据。如混凝土与岩层相比，比较均质，没有岩石内部结构复杂，因而围岩中内反射波明显，特别是高频波丰富。而混凝土内部反射波较少，只是有缺陷的地方有反射。又如，表面松散土电磁性质比较均匀，反射波较弱；强风化层中矿物按深度分化布，垂向电磁参数差异较大，呈现低频大振幅连续反射；其下的新鲜基岩中呈现高频弱振幅反射，从频率特性中可清楚地将各层分开。如围岩中的含水带也表现出低频高振幅的反射特征，易于识别。节理带、断裂带结构破碎，内部反射和闪射多，在相应走时位置表现为高频密纹反射。但由于破碎带的散射和吸收作用，从更远的部位反射回来的后续波能量变弱，现号表现为平静区。雷达目标波相识别的三项基本要点2岩土介质雷达波谱特性要点3：反射波同向轴形态特征：

雷达记录资料中，同一连续界面的反射信号形成同相轴，依据同向轴的时间、形态、强弱、方向反正等进行解释判断是地质解释最重要的基础。同向轴的形态与埋藏的物界面的形态并非完全一致，特别是边缘的反射效应，使得边缘形态有较大的差异。对于孤立的埋设物其反射的同向轴为向下开口的抛物线，有限平板界面反射的同向轴中部为平板，两端为半支下开口抛物线

雷达目标波相识别的三项基本要点3地下金属管雷达波反射特性

衬砌与围岩之间的脱空区为空气，与混凝土和围岩的波阻抗差异很大，反射波正反相间，波相先兰后红，反射很强，脱空区断续蜿蜒，位置清晰明显，极易辨别。下列2张图是南昆铁路隧道衬砌检测图象。衬砌与围岩之间分布有大小脱空区。衬砌厚度和脱空的波形特征

衬砌厚度与空洞检测

灰岩是一种节理、裂隙比较发育的岩体，雷达波可将这种岩体结构清晰的显现出来。节理裂隙断断续续，反射波高频成分较多，时强时弱，断