地质雷达探测技术应用本科论文

1、本科毕业论文本科毕业论文 地质雷达探测技术应用地质雷达探测技术应用application of ground penetrating radar technique学院（部）： 地球与环境学院 专业班级： 地质工程 学生姓名： * 指导教师： 张*教授 2010 年 05 月 30 日地质雷达探测技术应用 摘要 地质雷达是利用超高频电磁波探测地下介质分布情况的一种物探手段。根据有无反射信号，可以判断有无被测目标；根据反射 信号到达滞后时间及目标物体平均反射波速，可以计算出探测目标的 深度。由于地质雷达 探测技术方便、快速、无损、探测精度高等优点而被广泛使用。本文在介绍地质雷达探测技术的相关理论

2、的基础上，列举地质雷达发展现状及存在问题，设计模型试验，并综合地质雷达探测应用的实例，分析研究了影响地质雷达探测精度的因素并就地质雷达应用上的不足给出自己的认识。关键词关键词: :地质雷达地质雷达，模型试验，模型试验，抛石底界，探测精度，抛石底界，探测精度application of ground penetrating radar techniqueabstractabstractground penetrating radar is the use of ultra-high frequency electromagnetic wave detecting subsurface distr

3、ibution of a geophysical means. according to whether the reflected signal, can determine whether the measured objectives; according to the reflected signal arrival delay time and the average reflectance of the object velocity, we can roughly calculate the depth of exploration targets. as the ground

4、penetrating radar technique convenient, fast, non-destructive, high precision detection is widely used. this paper describes the related ground penetrating radar technique based on the theory, outlined the development of geological radar status and problems, design, model test, and geologic radar ap

5、plication example, analyzed and studied the influence of geological factors and the accuracy of radar ground penetrating radar short application is given its own understanding.key words: ground penetrating radar，line, model tests, the ripped-rock bottom摘要.iabstract.ii1 绪论.21.1 地质雷达技术的发展.21.2 地质雷达技术的

6、现状.21.3本文的主要研究内容.32地质雷达探测技术原理.42.1地质雷达的基本原理.42.1.1电磁波的传播、波速、反射与折射.42.1.2地质雷达的工作原理.52.2地质雷达数据处理与解释.93地质雷达试验.113.1常用地质雷达仪器及其比较.113.2模型试验.133.2.1实验目的.133.2.2试验仪器介绍.133.2.3测线布置.143.2.4试验数据处理及图像解释.153.3总结.164地质雷达探测技术应用.174.1地质雷达技术的应用范围.174.2地质雷达在海堤抛石底界探测中的应用.184.2.1工程概况及海堤结构.184.2.2抛石底界探测方案.194.2.3测线布置.2

7、14.2.4数据处理与图像解释.224.2.5总结.244.3影响地质雷达探测精度的因素.265结论.285.1 论文研究结论.295.2 展望.29参考文献.30致谢.321 绪论1.1 地质雷达技术的发展从地质雷达模型的诞生到今天将近有一百年的历史，其精确度、准确性均得到了很大的提高，应用的范围也逐渐推广。地质雷达(又叫探地雷达)的发展大致可以分为3 个阶段，即发明阶段(19041930 年)、发展阶段(19301980 年)和成熟阶段(1980年至今)。它是利用一个天线发射高频宽带电磁波，另一个天线接受目标体介质界面的反射波，根据电磁波在介质中传播时其路径、电磁场分布与波形随所穿透的介质

8、的介电性质及几何形状而变化的规律，结合波的往返时间、波幅与波速等资料，来推断介质的结构，如空间形态、大小、埋深等。早在 1910 年，德国人 letmbach 和 lowy 就在一份德国专利中阐明了地质雷达的基本概念：用埋设在一组钻孔中的偶极天线探测地下相对高导电性的区域，正式提出了地质雷达的概念。hulsenberg 于 1926 年提出用脉冲技术确定地下结构的思路，cook在 1960 年用脉冲雷达在矿井中做了试验。但是地下介质比空气对电磁波有更强的衰减特性，其传播规律比在空气中也要复杂的多，因此早期地质雷达的应用仅局限于对电磁波吸收很弱的诸如冰层、盐矿等介质中。20 世纪 70 年代以来

9、，随着电子技术的发展以及现代数据处理技术的广泛应用，特别是在第二次世界大战期间，因政治军事的原因，地质雷达技术得到了前所未有的发展，地下浅层目标探测得以实现。地质雷达的应用范围也迅速扩大，从冰层、盐矿等弱耗介质扩展到土层、煤层、岩层等有耗介质，现已覆盖考古、矿产资源勘探、岩石勘查、无损检测及工程建筑物结构调查等众多领域，并开发了用于地面、钻孔与航空卫星上的地质雷达技术。随着技术的不断进步，对雷达的发射和接收天线的改进以及对获得数据进行处理的软件系统的升级，使得地质雷达的探测精度和深度有了很大的提高，将地质雷达的应用推广到更大的范围。1.2 地质雷达技术的现状国内地质雷达的研究始于 20 世纪

10、70 年代初。当时，地矿部物探所、煤炭部煤科院，以及一些高校和其他研究部门均做过地质雷达设备研制和野外试验工作，到 20 世纪 90 年代以来，由于大量国外仪器的引进，地质雷达得到了广泛的应用与研究。虽然地质雷达在水文、工程、环境等领域已得到广泛的应用，但由于许多基本的理论和技术问题至今未得到根本解决，因而地质雷达的真正优势并没有得到充分的发挥。当前存在的主要问题包括：（1）探测深度浅，探测深度和分辨率的矛盾无法克服，加大探测深度意味着牺牲探测分辨率；（2）多次波及其它杂波干扰严重，且一直没有好的消除办法，国内外的雷达均存在这一严重问题； （3）介质不均匀影响很大，且无法根本消除，导致难以获得

11、精确的速度资料； （4）单发单收的数据采集方式能够提供给后期处理和解释的信息量有限。 以上几个问题对地质雷达来说是致命性的缺陷。尽管众多地球物理学家、电磁学专家和物探工作者对雷达的天线设计、信号处理、地下目标成像等方面做了大量的研究和改进，但这些工作只是对现有地质雷达体制进行的局部的修正，要想地质雷达技术向前发展，必须更新思路，从根本原理上解决问题。意大利 ids 公司的 ris 天线阵系列，将多个单极天线组合成阵列天线，旨在将电磁波聚成一个窄波束向地下发射，采用多通道采集技术接收目标体反射的雷达回波信号，以获得更多更精确的数据。但是单纯的将多个单极天线组合成阵列天线仍然不能有效解决问题。在实

12、际的应用中，人们已经广泛采用屏蔽天线，一方面可以防止雷达发射天线发出的电磁波散射，另外可以防止外界对电磁波的干扰。在工程场地中，场地地面是否平整关系到天线与地面的耦合程度，有无大树、高压线等关系到对电磁波的干扰程度，场地中目标体介电常数、含水性都关系着地质雷达探测的效果。因此本文将要探讨的是有哪些因素会影响地质雷达的探测精度。1.3本文的主要研究内容本文的主要研究内容有：1)介绍了地质雷达的发展历程及其研究现状和存在的问题；2)介绍了地质雷达的基本原理，为试验数据分析提供理论指导；3)介绍并阐述了雷达波的传播、反射、折射、透射与散射绕射等规律。介绍地质雷达探测的地球物理条件及常见介质的介电常数

13、，分析雷达波在介质中的传播与衰减规律。4)设计了验证性地质雷达模型试验，并介绍了常用的探测仪器；5)采集数据，运用软件对试验数据处理，进行分析雷达图像，研究雷达波形特征；6)结合地质雷达在浙江省玉环县大麦屿港湾堤基抛石底界探测的应用例子，分析了影响地质雷达探测精度的因素以及如何减少外界因素的干扰，并就目前地质雷达目前在应用上提出了自己的一些看法。2地质雷达探测技术原理2.1地质雷达的基本原理2.1.1电磁波的传播、波速、反射与折射雷达(radar)是“无线电探测与定位”的英文缩写。雷达的基本任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方向、速度等状态参数。雷达的用途广泛，种类繁多，分类的方法也

14、非常复杂。用于发现、追踪地面以下目标，异常体或地质现象的雷达叫地质雷达，也称探地雷达。它是一门新兴的无损探测技术。 地址雷达的雷达波是频率为 15mhz2.2ghz 的微波，属于电磁波。当波长远小于物体尺寸时，微波的传导和几何光学相似，即在各向同性均匀介质中具有直线传播、反射、折射的性质，当微波波长接近物体尺寸时，微波又有近于声波的特点。雷达法检测技术就是以微波作为传递信息的媒介，根据微波传播特性，对材料、结构和产品的性质、缺陷进行非破损检测与诊断的技术。微波对电磁衰减大的非金属材料具有较强的穿透能力，不能穿透导电性能好的材料。当雷达发射的微波进入介质之后，微波和介质的分子发生相互作用，介质分

15、子发生取向极化、原子极化、空间电荷极化等现象，从而引起微波信号的衰减移相等。与超声、x 射线等传统检测缺陷技术不同，微波检测不是依据材料的密度而是电磁特性，因而穿透能力强，同时在微波频段，各种材料的电磁特性变化比其他物理性质对受检物体的缺陷更为敏感，这就是微波检测的优越性所在。微波在介质中的传播速度取决于介质的磁导率和介电常数，即:v (21)nccfvrr1式中: 真空中的电磁波速度，即为:0.3m/nsc折射率 ；n相对磁导率；r相对介电常数，其实际值与含水量有关。r在探测中，将波速求准，是保证精度的关键之一。微波在介质中的波长为： (22)nfcrr0这里 0是指微波在真空中的波长，显然

16、 0从式(2-1)可知，微波在介质中的传播速度、折射、反射等都与其电磁特性(相对介电常数、磁导率、电导率等)有关，当介质中有异物如气孔缺陷、夹杂、裂隙等存在时，均会使微波传播速度、方向、能量等受到影响，产生反射、散射、衰减等，从而在微波接收信号上反映出来，这就是微波检测的依据。通常把一种介质的介电常数与空气中的介电常数的比称为相对介电常数。常见介质的介电常数、磁导率、电导率等见表 2-1。表 2-1 常见介质物理量表介质介电常数电导率(ms/m)电磁波速度(m/ns)衰减系数(db/m)空气100.30海水8030000.011000饱和砂20-300.1-10.060.03-0.3花岗岩4-

17、60.01-10.130.01-1泥岩5-151-1000.091-100粘土5-402-10000.061-300淤泥25-305000.0520-30 由于雷达波对物体的电磁特性敏感，因此其主要用途在于探测被测物体的结构组成、内部缺陷等，例如市政建设中可采用雷达技术查明地下管线(如水管、煤气管道等)的分布，探测浅层的地层结构，用于高速公路、机场跑道、铁路路基、桥梁、隧道及大坝等混凝土工程的质量验收和日常维修，探测混凝土结构中的孔洞、剥离层和裂缝等缺陷损伤的位置和范围。雷达电磁波向地下各介质传播过程中，遇到不同的波阻抗界面时，将产生反射波和折射波。反射与透射规律遵循波的反射与透射定理。反射波

18、能量大小取决于反射系数 r。对于工程探测来讲，不良地质体属于高波阻抗，所以反射系数 r 和折射系数 t 可表示为: (23)2121r (24)2112r式中:和分别为界面上下介质的相对介电常数。12由式(23)可知，反射系数的大小，主要取决于界面两侧介质相对介电常数的差异程度。差异越大反射系数越大，则越利于探测。例如对于工程不良地质体(如溶洞)探测而言，为围岩的相对介电常数，而为空气或水，空气1，水12 81，与差异较大，这是地质雷达探测工程不良地质体的地球物理基础。122.1.2地质雷达的工作原理地质雷达(ground penetrating radar，简称gpr)在雷达工作的基础上由天

19、线、发射机、接收机(包括信号处理机)和显示器等部分组成。地质雷达工作时，在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号，并直接回馈给发射机，发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线。由天线将这些电磁能量辐射至被检测体中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。脉冲波遇到波束内的目标体后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取，脉冲波行程需时：(25)224xzt当地下介质中的波速为已知时，可根据测得的时间 t 值(ns)，由上式就可以求出目标反射体的深度(m)，式中 x(m)值在剖面探测中是固定的；值(m/ns)可以用宽角方式直接测量，也可

20、以根据式(21)计算求出。图 21 上部分为地质雷达工作原理示意图，下面的为对应雷达记录的回波曲线。图 21 地质雷达工作原理 地质雷达的常用方法主要有反射法，透射法和 cmp 法(共中心点法)，其中以反射法使用的最为频繁，cmp 法主要用于测定介质速度。各种方法见图 2-2 所示。 反射法 透射法cmp 法图 2-2 地质雷达常用方法地质雷达能探测到的最深目标体的深度称为地质雷达的探测距离。当雷达系统选定后，系统的增益已知： (26)nrtwwq 式中：为发射机的发射功率，tw为接收系统背景噪声功率。nrw因此只要到达雷达接收器的回波信号幅度大于，那么来自该目标体的回波就可nrw以为雷达系统

21、识别，于是探测距离的预测就归结于求目标体回波的大小。发射机wtwrt rpr gt grrr gs sps图 23 地质雷达功率传播示意图图 2-3 表示雷达波从发射到接收的功率传播过程。若发射机的功率为，发射天线的tw效率为，目标体反射面距发射天线的距离为 ,入射波方向上天线方向增益为，目trtg标体的散射截面为，目标体到接收点方向上散射增益为，接收天线的有效面积为ssg，对偶极天线ra (27)42ra接收天线的效率为，接收天线的方向性增益为，介质的衰减系数为，接收天线rrg接收到的总功率为，则rw (28)rssrtrttrergggww44642上式即为雷达公式。如果接收功率小于仪器的

22、最小接收功率，该目标就超出了地质rw雷达的探测能力。从(27)式可以看出，总是小于 1，由于重量和体积的限制，tr天线的效率 g 不便设计的很大，实际上是个很小的值，这一点说明了地质雷达用于rw探测地下介质时，探测深度受限制。地质雷达的分辨率又称分辨能力，指将两个靠的很近的异常体分开的能力。通俗的讲就是地质雷达能识别的最小目标大小，可以分为垂直分辨率和水平分辨率。vdhd垂直分辨是垂直方向上可以区分的最薄层次，理论上可以把雷达天线主频波长的1/8 作为垂直分辨率的极限，但是由于外界的干扰因素，一般把波长的 1/4 作为其下限，即 (29)rvfcd441由上式可以看出天线的频率越高，其分辨率越

23、小，分辨能力越强。水平分别率是雷达天线在地面上拖过时，可以分辨的地下最小目标的横向尺寸。水平分辨率一般由第一菲涅尔带直径确定，其大小为 (210)rhfchhd22由上式看出分辨率不仅与天线频率有关，还随着目标体的深度的增大而变大，即目标体深度越大，分辨能力越低。在地下土体的检测中，由于地下土层的成份结构复杂，而且一般含有较多水分，因而为了提高穿透能力，一般采用频率较低的雷达波，其频率最低的为 50 mhz100mhz。对于一般地层，采用合适雷达，理论上可探测最大深度可达 30m，考虑各种因素引起的散射，实际上地层中 10m 以内的目标都可以被检测到。而在其他的应用领域内，根据目标体埋深、介电

24、性质会选用不同频率的天线。2.2地质雷达数据处理与解释探测前，首先对仪器进行标定、调试，通过对已知点深度的探测确定场地选用合理的介电常数和波速，并确定接收机、发射机处于良好的工作状态。在野外工作中，根据实际情况，采用点测和连续扫描(挂测距轮)两种方式进行探测。发射与接收系统同步同向移动，接收数据通过屏幕上显示的曲线，从整体形状上判断是否有频点数据畸变，以便及时检查观测，并对异常点进行重点检测。根据检测区域检测精度、范围大小，合理布置一定密度的测线，测线走向布置原则上垂直于探测体走向，并沿可能的延展方向追索多个断面(如渗流、管线通道)，单一测线的探测范围等同于天线的宽度。针对要求查明的探测体的类

25、型、埋深，选配不同频率的天线，掌握探测和处理技术的应用和研究，对已勘察典型场地进行试验或结合多种地质手段验证，从已知到未知的工作原则，进行勘查、探测，最后采集、处理数据，解释图像。但要注意接收机、发射机在工作中均不能悬空，以保证仪器与地面能够很好的耦合，防止晃动干扰，充分接收电磁反射波、折射波，避免人为干扰造成的数据误差。雷达资料的解释，包括两个部分，一是数据处理，二是图像解释。由于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，使得雷达脉冲到达接收天线时波的振幅衰减，波形与原始波形存在较大差别；在介质不均匀的情况下还发生散射、反射和透射，另外，由于不同程度的各种随机信

26、号噪声和干扰波，也歪曲了实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，处理的目的是压制随机的和规则的干扰，以最大可能的分辨率在地质雷达图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用参数(包括电磁波波速，振幅和波形等)，为进一步解释提供清晰的图像。现在大多数地质雷达都有配套的数据处理软件，常用的 radan 软件就是其中很不错的一种。野外工作完成后对采集的数据进行处理，处理步骤包括：去直流漂移，增益，水平滤波，带通滤波，偏移绕射处理，进行必要的地形等各种修正、干扰及有用信号的识别、反演处理等，通过待探测断面的追踪勾绘，查明探测体的性质、走向及展布。再依据定性和定量解释结果绘制成果图，编写成果报告，报

27、告内容包括物探方法技术、质量分析、解释方法和结果，并对成果图进行详细具体说明。 图像解释的第一步是识别异常，然后进行资料解释。对于异常的识别，应结合己知到未知，从而为识别现场探测中遇到的有限目的体引起的异常现象，以及对各类图像进行解释提供依据。 识别异常过程是一个经验积累的过程，一方面基于透视雷达图像的正演成果，另一方面由大量的工程实践成果获得。只有获得高质量的地质雷达图像并能正确判别异常，才能获得可靠准确的解释结果。准确解释目标体特征的理论基础有两点。一是从反射波的连续性特点来看，在正常衰减过程中，当电磁波遇到较强的反射界面时，其波幅会骤然增加，之后迅速恢复到正常的变化规律，而雷达剖面记录的

28、是电磁波的反射回波信号，所以两侧介质物理性质相差较大的界面将产生较强的反射信号；二是如果目标体中存在有许多杂乱无章的界面时，雷达接受到这些界面的反射回波信号不仅强度较弱(波幅小)，而且杂乱无序，同相轴不连续。另外在对数据和图像解释的时候要充分结合场地的地质条件，对一些异常地带要结合现有的资料，分析其可能的原因。3地质雷达试验3.1常用地质雷达仪器及其比较上个世纪八十年代以来，国内外学者专家做了大量的理论和试验工作，同时也推动了仪器的研发工作，国外涌现了一系列商用地质雷达，如加拿大的探测器与软件公司(sensor & software)的 ekko 系列,美国地球物理探测公司(geoph

29、ysical survey system inc)的 sir 系列，microwave associates 的 mk 系列，瑞典地质公司(sgab)的ramac/gpr 系列，俄国geotech company的 oko 系列，日本应用地质株式会社 oyo 公司的 georadar 系列等；国内地质雷达发展起步较晚，发展也相对较慢，主要有北京爱迪尔公司 cr20、cbs900 等。这些雷达仪器的基本原理大同小异 ,主要功能有多通道采集、多维显示、实时处理、变频天线、多次叠加、多波形处理等 ,另外还有井中雷达系统 ,多态雷达系统 ,层析成像雷达系统等。下面介绍几种常用的地质雷达仪器。加拿大的探

30、测器与软件公司（sensor & software）的 ekko 系列，ekko 系列地质雷达是由加拿大探测器与软件公司生产，加拿大探测器与软件公司(sensor & software inc.)是一家高科技的现代物理地球公司，具有基础雄厚、实践经验丰富的高科技队伍，其中包括有从事地质雷达研究十多年的专家和应用地球物理学博士等高技术人员。该公司最新推出 ekkopro 多功能地质雷达、低价轻便的 noggin 地质雷达及conquest 混凝土专用雷达。ekko 系列雷达具有天线端数字化、全程光缆传输、频带范围宽(5mhz 到 2000mhz)、测量方式多(反射、cmp、透视、

31、孔间成像)、出图正规多样、电耗甚低、软件丰富、轻便多用、工作温度范围广等特点。其只要产品及其技术指标如下如下：ekkopro 地质雷达(适用于地质及环境检测)、conquest 地质雷达(适用于混凝土雷达钢筋检测)、noggin 地质雷达(适用于混凝土管道检测表)。 美国地球物理探测公司(geophysical survey system inc)的 sir 系列。创始于1969 年的美国地球物理探测公司(gssi 公司） ，是世界上第一家专业研制地质雷达的公司，其前身为美国宇航局。随着 60 年代末期美国宇航局专门为阿波罗计划所研制的专用仪器，成功地探测到月球表面尘埃之后，世界上第一台进入民

32、用的地质雷达得以在美国推出，它就是美国 gssi 公司生产的 sir 系列地质雷达的前身。它用电磁波为地质勘察服务，为勘察方法起到了革命性的推动作用。1990 年 gssi 公司兼并给 oyo 公司，使得其具有了雄厚的资金和进一步研究开发的前景。 在地质雷达行业中，gssi 乃是无可争议的先驱，她有一系列首创：1973 年首创收发一体化屏蔽天线，使地质雷达从点测进化到连续测量；1992 年首创 4 通道数字化 sir10a 型快速扫描高精度雷达；1994 年底，在 sir10a 基础上，首先开发出高速公路测量雷达 sir10h 和空气耦合型天线，并在我国首先成功使用和推广；1996 年下半年首

33、先研制出重量只有 6 公斤的便携式地质雷达 sir2 型目前更是研制出了扫描速度达到 800 线/秒，功能强大的双通道 sir20 型透地雷达。下面简单介绍一下sir20 和 sir3000 两种型号。 sir20 地雷达(图 31)是 gssi 公司生产的 gpr 系列中最新的产品，sir20 通过集成强大的数据采集单元和基于 radan nt 快速数据处理软件的 gssi 系统，改革了gpr 产业。图 31 sir20 型地质雷达 sir3000 便携式地质雷达(图 32)是一种轻便小巧，功能极强的单道透地雷达，带内置电池总重量 4.1kg，sir3000 型可持续快速实时彩色成像，它具有

34、 200 线/秒的扫描速率，适用于雷达天线范围是 16mhz2600mhz。其实物图见图 25，sir20 和 sir3000 的特点比较如(表 31)。图 32 sir3000 型地质雷达表 31sir20 和 sir3000 特点比较技术参数sir20sir3000天线适配所有的 gssi 各种天线，可以同时配 2 个天线适配 gssi 所有天线通道数2 个通道单通道扫描率800 线/秒200 线/秒工作温度-100c400c-100c400c测量方式连续测量、距离测量、点侧连续测量、距离测量、点侧显示线扫描、波形和变面积线扫描，三维显示重量10kg4.1kg存储器内部存储：60gb，可扩

35、展电源12v 直流电10.8v 直流电增益范围-20+100db-20+80db测量速度80 公里/小时20 公里/小时3.2模型试验3.2.1实验目的经过前文详细的介绍，已经对地质雷达有很深的了解了。本文设计一个地质雷达模型试验：对水泥路面下排水管道和电缆管进行探测，并希望通过此模型试验达到以下预期效果：（1）通过试验，提高实际动手能力，进一步熟悉仪器各项操作；（2）对数采集的数据进行处理，对处理得到的图像进行客观合理解释，进一步提高对软件的使用技术；（3）通过试验对地质雷达已有的探测能力进行验证；（4）通过综合的练习，为下一步到场地实际应用做准备。3.2.2试验仪器介绍本次试验所用的是瑞典

36、 ramac/gpr 地质雷达(如图 33)，该地质雷达由主机、显示器(外接笔记本，包含操作软件和数据处理软件)、天线(含发射机及接收机)、连接电缆组成，本次试验采用的 250m 天线，可探测深度为 5m。该地质雷达具有很多特色：有高集成化、真数字式、高速 、轻便，可单人操作；系统集成化程度高、体积小、重量轻；功耗低，主机功率消耗仅为 25w，系统耗电量低，不需电瓶供电；天线与主机之间采用光纤连接，频带宽、速度快、数据质量好、抗干扰能力强，因此发射机、接收机及主机之间不会相互干扰；穿透能力强、探测深度大；天线采用屏蔽方式，因此其抗干扰能力强；高分辨率、兼容性强、性价比高。33 瑞典 ramac

37、/gpr 地质雷达3.2.3测线布置 本次试验于校内水泥路面上进行，测线长度为 12m，位置平面图如图 34 所示，剖面图如图 35。34 地质雷达模型试验平面图35 地质雷达模型剖面图 为了避免车辆，行人等干扰因素的影响，特意将时间选在中午，整个数据的采集过程是没有车辆，行人的。3.2.4试验数据处理及图像解释 本次试验一共采样点 480、测点频率 3500mhz、测点间距 0.3m 和发射接收天线间距 0.31m。由于波速已知，可直接从雷达剖面图上判读出每条管线的埋深度，从井盖处量得管顶距混凝土地面厚度为 0.50m。图 36 是水泥(硅)排水管和电缆管线的雷达图像，从图上可见，反射波组成

38、的同相轴都是为向下开日的双曲线，呈伞状。根据异常形态可以确定，双曲线的中心位置即为管线的中心位置。从雷达剖面可以看出在测线东门 草坪草坪草坪排水井盖电缆井盖图书馆开始到1.1m 处(图 36 红色圈出部位)出现电磁波绕射且宽度较小，给水管有明显的多次波，根据反复的试验并结合给水管物理特性和反射波振幅特征可以判断是水泥路面下埋藏的非金属管，即排水管，排水管最上面的异常为其管顶，下面异常为给水管管底且埋深在 0.45m 左右，与实际测量的 0.5m 比较有 0.05m 的误差。而深度在 4.3m 处也出现了电磁波的绕射，并且呈现管顶和管底的轮廓，只是不太明显，由于实际路面旁边有邮电井盖可以断定是邮

39、政系统的外面包有塑胶的电缆管。36 排水管线的雷达图像3.3总结 本实验的误差大致为 0.05m，在误差允许的范围内，很好的验证了地质雷达的应用能力和探测精度，达到了设计模型试验的预期目的。另外通过模型试验，可以可出：（1）准确的选择合适频率的天线至关重要，本试验选择的是 250mhz 的天线，分辨率和穿透能力均比较好；（2）在场地中尽量减少外界的干扰，如车辆等对地面的震动等（3）本试验中的路面是水泥路面，较平整，地面耦合很好，如果场地不平缓，要进行地形校正图 3.11 为水泥路面上浅层孔洞雷达探测模型剖面。通过实验选择中心频率 1200mhz 天线进行数据采集，其中采样点数为 483，测点频

40、率 22000mhz，测点间距为 0.01m，发射接收天线间距 0.08m。数据采集方式为测量轮距离连续探测，测线长度约 4m，天线沿测线匀速拉动。图 3.12 为雷达波数据处理结果剖面，从中可以看出，在剖面长度方向上 0.9m 及3m 处分别为比较宽的绕射波形，根据模型判断是排水涵洞引起的，其特征表现为长方体状，具体位置在水泥面层下方约 10cm。本次探测实验表明，探地雷达可以有效的探测出路基浅层的孔洞、土洞等内部结构。图 3.11 观测系统布置图4地质雷达探测技术应用4.1地质雷达技术的应用范围地质雷达应用从 1960 年(j.c. cook )矿井试验开始至今，应用范围越来越广泛。从探测

41、对电磁波吸收较弱的冰川、冰山厚度，逐渐扩大并渗透到许多部门中：考古、基础深度确定、地下水污染、矿产勘探、潜水面、溶洞、地下管缆、分层、地下埋设物探察和公路地基、铺层、钢筋结构、水泥结构、隧道无损探伤等检测。地质雷达最早用于工程场地勘查：解决覆盖层厚度、松软层厚度及分布、基岩风化层界面及分布、基岩节理和断裂带、地下水分布、普查场地地下溶洞、空洞、塌陷区、地下排污巷道等，在回填等松软层上，大多采用中低频天线，探查深度可达 20m以上，在致密或基岩上探查深度可达 30m 甚至 51m 以上。更大深度的应用是在地质灾害调查，我国是一个地质灾害频发的国家，地质灾害往往会直接危害到人民生命财产的安全，在工

42、程边坡设计过程中也要查明工程地质条件，因此对边坡工程地质结构的调查显得尤为重要，但由于客观条件使用常规地质钻探手段施工困难，工程投资大，费用高，控制范围有限，很难查明滑坡滑动面及不良地质结构面的整体发育情况，地图 3.12 雷达图像结果图质雷达作为一种新型的高分辨率无损探测工具，采用地质雷达超强地面耦合天线结合钻探，可以有效地解决这个问题，为滑坡治理与支护提供设计参数。图 37 为地址雷达应用于滑坡体探测。 图 37 地址雷达探测滑坡体 图 38 地址雷达探测路基工程质量检测及病害诊断：近年来，国内外铁路公路等地下隧道、公路及城市道路路面、机场跑道、高切坡挡墙等重要工程项目的工程质量检测及病害

43、诊断中，广泛采用雷达技术。主要检测衬砌厚度、破损、裂隙、脱空、空洞、渗漏带、回填欠密实区、围岩扰动等，路面及跑道各层厚度、破损情况，混凝土构件中的空洞、裂隙及钢筋分布等，检测精度可达毫米级。如图 38 为地质雷达应用在探测路基。地下埋设物与考古探察：考古是地质雷达应用较早的领域，探测古建筑基础、地下洞室、金属物品等，在城市改造中用雷达可探测地下埋设物，如电力管网、输水管道、排污管道、输汽管网、通讯管网等。因为常用的管线探测仪一般只能探测到电力电缆、 通信电缆和铁质管道等金属管 ,而对于水泥管、 pvc 管等非铁质管道几乎探测不到。市区的排污管道、 煤气管道、 自来水管道及预留的各种管道不是水泥

44、管就是 pvc 管 ,使用地质雷达探测在不用大面积开挖的情况下快速精确的定位上述非金属管道并判断其尺寸。图 39 为地质雷达应用于管线普查。图 39 地质雷达应用于哈尔滨地铁一期工程管线普查实际上地质雷达的现有应用远不止这些，而且随着工程建设的规模和速度越来越来，地质雷达的应用也越来越广。4.2地质雷达在海堤抛石底界探测中的应用4.2.1工程概况及海堤结构 本工程已进入竣工验收阶段，为科学计算工程抛石方量，利用地质雷达开展对海堤抛石底界进行探测。工程位于浙江省玉环县西南部的大麦屿港湾，南邻大麦屿客运码头，北接粮食中转码头，西临乐清湾。海堤采用透水的抛石直立堤型式，工程等别为等，主要建筑物海堤级

45、别为 3 级。堤线全长 1715m，由北侧堤、正堤及南侧堤组成。其中北侧堤长 192.3m，堤顶高程为 7.0m，堤顶总宽 7m，涂面高程 0.52.0m；正堤长 1316.5m，堤顶高程为 7.0m，堤顶总宽 7m，涂面高程2.04.5m；南堤长206.2m，堤顶高程为 7.0m，堤顶总宽 7m，涂面高程2.05.0m。 海堤采用透水的抛石直立堤型式。堤顶宽 7m，采用 20cm 厚的沥青路面，路面以下分别为 10cm 厚的泥结石稳定层、20cm 厚的石渣垫层和 30cm 厚的干砌块石。堤身外坡自堤顶高程起至 3.0m 高程设 c20 砼灌砌块石挡墙，在 3.0m 高程处设 6.0m 宽的消

46、浪平台，消浪平台以下设镇压平台，根据断面自身稳定需要，分别在不同高程设宽度不等的镇压平台，平台与涂面间以 1:41:6 的坡度衔接。内坡自 m10 浆砌块石挡墙齿脚以 1:1.5 的斜坡与内支脚衔接，内支脚根据堤身施工期稳定计算确定，分别在不同高程设宽度不等的平台，与涂面间以 1:2 的坡度衔接。外坡消浪平台采用四脚空心块护面，镇压平台及以下斜坡采用大块石理抛护面，厚度大于 60cm。堤坝内侧设计反滤层，先在交界面处铺一层 20cm 石渣垫层，再在其上铺一层机织复合土工布，然后铺设一层厚度为 40cm 的袋装碎石作为反滤。海堤堤基(见图 310)主要以深厚的淤泥及流泥质土为主，高压缩性，低强度

47、，物理力学性质差，总厚度近 30m 左右。堤基采用塑料排水插板法进行处理，即在处理区涂面上先铺放一层 30kn/m 的有纺土工布，再在其上铺设厚 100cm 的碎石垫层，然后进行排水板插设，排水板插入涂面最大深度北堤为 24m，正堤为 28.3m，南堤为26m，插设间距北堤和南堤为 1.2m，正堤为 1.0m，最后在碎石垫层顶面铺放一层160kn/m 的有纺土工布；其中南堤在沿堤顶宽度两侧采用灌注桩处理。图 310 海堤堤基三维模拟图4.2.2抛石底界探测方案海堤堤身抛填块石层的检测目前应用较多是钻探检测法和地质雷达法。钻探法与物探方法相比具有直观和准确的优点，但由于其施工周期长及信息不连续的

48、特点，钻探法应仅作为物探方法的验证及标定作用。物探方法具有测点密度高、检测速度快和对抛填区无破损等优点，但由于抛填块石包括局部泥石混合层的复杂物性，工程技术人员一直在致力解决提高其解析精度。抛石层与淤泥层之间存在一定物性差异，因而具备物探检测的地球物理前提，但由于抛石体的均质性差，其间充填淤泥、海水及碎石土，抛石体内部及泥石混合层电性或地震波典型特征提取较为困难，直接影响到泥石界面的鉴定。因此本次海堤抛石底界探测以地质雷达为主，并布置了几条地震映像测线相互验证，介质电性参数或地震波参数可利用堤内侧回填区已经完成的6个测斜孔及堤顶2个预留孔地质分层资料，另外4条沉降断面成果资料可作为参考，这里主

49、要就关于地质雷达部分进行了详解。对于一定的介质和目标体深度，一般天线中心频率越高，则探测深度越小，分辨率越高；天线中心频率越低，则探测深度越大，分辨率越低。因此，在实际探测工作中，应针对介质条件和目标体性质、深度和尺寸，选择合适的天线频率，在确保分辨率的前提下，一般尽量选择较低频的天线。抛石探测断面的介质层大致为抛石层、土石混合层、淤泥层，根据表 3-1 所示常见介质的物理量表，抛石(可参考岩石电磁波速度)、淤泥及海水等介质之间有较明显的电性差异，具备雷达探测的基本物性条件。地质雷达在海堤探测一般采用双天线反射测量方式，且多采用剖面法，即发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动，其测量结果可

50、以用地质雷达时间剖面图像来表示。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走时，表示雷达脉冲从反射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能够准确反映测线下方地下各反射界面的形态。本次检测使用的地质雷达是 ramac 探地雷达 (图 311)，该仪器的特点是分辨率高，擅长于进行大数据量、高密度的连续探测并实时显示彩色波形图，比较适合本工程的检测需要。使用时天线贴在探测工程表面，可方便拖动测量，获得连续探测剖面。本次海堤抛石量探测拟采用 50mhz，250mhz 天线可达到近 40m 的探测目标深度。 雷达主机 雷达背包 100mhz 天线 250mhz 天线图 31

51、1 ramac 地质雷达系统4.2.3测线布置本次探测主要集中在北侧堤及正堤，探测以地质雷达方法为主，并辅以地震映像法。探测布置结合 4 条原位监测断面。测线布置分纵向和横向测线。纵向测线布置： 初拟沿堤顶轴线(测线 11)从北侧堤起点开始至正堤 1+100 段采用地质雷达探测(长约 1292m)；在 4 条原位监测断面(图中红色所示)北侧堤 0+125 及正堤0+300、0+625、1+025 附近布置雷达测线，其中堤内及堤外侧镇压平台各布置 1 条纵向雷达测线(单条 100150m)。横向测线布置：拟布置 6 条，主要布置海堤的内外镇压平台，其中 3 条与监测断面重合，另 3 条分别位于各

52、监测间断面之间。探测布置平面见附图 312，四条红色线为监测断面，自左起分别为北 0+125，正0+300，正 0+625，正 1+025。图 312 地质雷达测线布置图雷达探测时，探测对象的电性参数一般需要现场试验测定，也就是需要适量的钻孔分层资料进行现场标定，所获得的脉冲电磁波速度或地震波速度应在理论范围值之内。由于本工程已有地质钻孔资料且可参考沉降板资料，故本次不再布置钻孔。4.2.4数据处理与图像解释 由于本次测线一共有 21 条，比较多，本文只选择其中第 1 条，第 2 条，第 6，条第 9 条，第 11 条，第 15 条和第 21 条测线分析，其余测线另见于大麦屿报告用图 。 第

53、1 条测线为堤内纵线，与正堤 0+125 相交且与正堤垂距 23m，全长 140m，采用50mhz 的天线。据钻孔推测相交处底界为 5.8m，地质雷达图解释深度为 6.0m，见图313，图中蓝色虚线为抛石体底界，黑色实线为 6m 线。图 313堤内纵线 gprsl1 地质雷达探测结果图第 2 条测线为堤内横线，沿正堤 0+125 相交与测线 1“十字”相交，全长 31m，采用 50mhz 的天线。据邻近钻孔推测相交处底界为 5.8m，地质雷达图解释深度为6.0m，在 30m 处由于现场施工的影响，使得图像不清晰，见图 314，图中蓝色虚线为抛石体底界，黑色实线为 6m 线。图 314堤内横线

54、gprsl2 地质雷达探测结果图第 11 条测线为堤顶轴线，始于北 0+000，止于正 1+120，全长 1312m，采用 50mhz的天线。见图 315(由于本图太大，以做缩小处理)，图中蓝色虚线为抛石体底界，北0+125 处深度为 10.86m，正 0+300 处深度为 14.40m，正 0+625m 处深度为 14.90m，正1+025 处深度为 15.80m。靠近北 0+000 处受箱涵影响，在图上椭圆标志处；长方形标记处受坡度影响；有三处受栈桥影响，在图上由圆形圈出。图 315堤顶轴线 gprsl11 地质雷达探测结果图第 21 条测线为堤外纵线，全长 250m，采用 250mhz

55、的天线。见图 316，图中蓝色虚线为抛石体底界，抛石深度 7.4m。图 316 堤外纵线 gprsl21 地质雷达探测结果图4.2.5总结 在本次海堤堤基抛石底界探测中，地质雷达充分发挥了其高效、快捷的特点，探测结果图像清晰，探测精度高，取的很好的效果。从探测结果可以看出在堤内抛石底界深度多在 57m 的范围，且大多数深度在 6m，堤顶抛石底界深度在 15m 左右，堤外抛石底界深度在 6.5m10.5m 范围内，多数地段稳定在 7.5m 左右。但是从图像上也可以看出由于受到箱涵、坡度、栈桥以及施工等影响，部分地段的图像扰动较大，因此在地质雷达探的应用中，应尽可能减少外界的干扰。随着我国基础建设

56、的飞速发展，需要对工程质量进行检测，对施工过程进行监控，对自然灾害进行防治，以及对矿产资源的探测都要运用各种探测手段，地质雷达以其快速、有效、无损等特点发挥了不可替代的作用。在模型试验的基础上，结合地质雷达在浙江省玉环大麦屿海堤抛石底界的探测应用，可以看出地质雷达检测技术具有如下的特点： (1)对混凝土有很强的穿透能力，可探测较大深度，10m 以内的不良地质体可以很好的被检测到； (2)可实现无损、连续、实时检测，经济、高效； (3)操作简便，探测结果直观。使用者经过短期培训就能掌握，探测时，雷达显示屏幕实时成像，操作人员可直接从屏幕上读出探测结果，现场也可打印成图； (4)测量精度高，测试速

57、度快。无载波电磁脉冲技术与高频聚能天线的组合使检测工作完全避开了人为因素，它能有效地探测出道路的分层结构和内部变化，如果采用车载工作方式，其测试速度将大大提高； (5)减小波长和增大频率宽度，可提高分辨率，特别是对浅层和中深部； (6)由于微波具有极化特性，不但可以探测出目标体的位置，还可以可确定目标体的形状和方向； (7)地质雷达可配置不同天线，完成不同的探测任务，如 900mhz 高频天线可用于公路路面检测，500mhz 天线可用于公路路基下存在缺陷的探测检测，方便灵活；(8)测点密度不受限制，便于点测和普查。工作方式灵活，可以连续普查某一段工程的质量，也可随时对工程的异常区域进行重点、反

58、复探测和分析。由于地质雷达以上众多优点，使得地质雷达在工程中应用越来越广泛。另外，地质雷达在探测某一类或者相近的介质的时候，其图像波形很相似；探测物理性质(如介电常数、导电率、导磁率等)不同的介质时，其图像差异很大。具体来说如下： (1)填土层。填土层波形粗黑、杂乱、不规则、不连续，原因在于填土层一般成份不均匀，电阻率变化大，反射强度大，粉质粘土层波形连续较黑，淤泥质粘土层波形均匀、细条、浅色、反射强度不大，砾石层波形粗大、连续； (2)地下管线。地下管线由于绕射作用，波形为粗黑弧形(近似于伞状)，弧形顶端即为管线的顶部，垂直方向波形有两组且垂直间距固定，是管线的上部反射线和下部反射线；(3)

59、混凝土体。混凝土电阻率较高，反射强度小，波形灰白，而混凝土中的钢筋则反射强度大，波形粗黑，呈双曲线形状； (4)水道。水为低电阻体，反射强度大，波形粗黑，范围小； (5)地下金属体。金属体的波形特征为粗黑均匀。由于每种地质雷达的主机扩展性比较好，一般每种主机配有可发射不同频率电磁波的天线，其中高频信号衰减快，探测浅，但探测精度高；低频信号，衰减慢，探测深，但探测精度较低，各频率天线的探测精度约是其波长 1/3，可以说深度和精度(分辨率)是相互对立、相互矛盾的。故要针对待测不同类型的隐伏体选择合适频率的天线，既能探测到目标体又要符合探测精度要求。各种天线所用的天线如下表。表 4-1 各频率天线适

60、用条件或环境说明表序号天线频率（mhz）探测深度（m）适用条件或环境备注112000.50.7浅层的混凝土质量、结构、钢筋检测及公路路面的质量检测屏蔽天线250023管线探测，公路铁路路面、路基检测和公路铁路隧道检测等屏蔽天线325025中深部的管线探测，不明物体及空洞探测，坝体质量和铁路公路路基和挡土墙检测等屏蔽天线4100710地质分层及基岩探测，深层电缆束，大型管道及岩溶空洞探测，坝体检测和铁路公路路基勘察等。屏蔽天线5503050深部地质调查、滑坡、崩塌探测、冰川研究、考古、地下水成图、大坝勘探、基岩调查等非屏蔽天线4.3影响地质雷达探测精度的因素影响地质雷达探测因素可以简单分为两类：一是影响地质雷达仪器；