工程雷达检测技术ppt课件

岩土工程测试专题之三 工程雷达检测技术 2 1 1概述 工程检测中的雷达检测技术是一项新兴检测技术 属于脉冲时域探地雷达技术领域 Ground Penetrating Radar GPR 正弦电磁波的传播特征是工程雷达的理论基础 用频率10 2000MHz的宽频脉冲电磁波来确定工程结构或构件介质分布的一种电磁波方法 雷达天线由接收 发射两部分组成 电磁波在介质中传播时 其路径 电磁场强度与波形将随通过介质的电性和几何形态而变化 根据反射波的时间 幅度与波形资料推断工程介质的结构和分布 3 1 1 1工程雷达检测特点 同为利用电磁波的反射原理探测目标的雷达技术 工程雷达区别于探空雷达的主要特点 探空雷达是在无耗介质中传播 探地雷达探测的是在有耗介质中传播 探空雷达目标体一般为金属体 目标回波能量大 工程雷达目标体大多为非金属体 与周围介质差异小 回波能量小 工程雷达与通用探地雷达也有所区别 要求探测深度相对较浅 精度和分辨率相对较高 探测目标一类为金属体 钢筋 管线等 一类为非金属体 工程介质分层厚度及隐患 4 相对于工程中常用的其它无损检测方法 具独特的技术特点 使用不同天线频率 可实现几厘米到几米的不同探测深度 改变天线中心频率和频带宽度 可实现不同分辨率的检测 无接触式扫描检测 速度快 可进行大面积快速连续检测 可穿透介质中的空隙探测到内部质量情况 可对有装修层的结构和构件进行检测 可探测钢筋等金属体分布 也可探测孔洞裂隙等非金属介质差异 雷达检测结果可二维切片图或三维立体显示 5 1 1 2工程雷达检测技术在工程中的应用 探测地下管网 水 电 油气 热 路面 机场跑道分层厚度 地基脱空 回填欠实 地下水渗漏 隧道衬砌厚度 围岩扰动 脱空与空洞 桥梁或混凝土建筑中的钢筋分布 孔洞 疏松 裂缝 剥离层等缺陷的位置与范围 6 1 2工程雷达检测原理 1 2 1工程介质中电磁波的传播麦克斯韦 Maxwell 方程是研究电磁波传播的基础 大多数复杂形式的电磁波都可以近似成平面波的叠加 有耗介质中 电磁波传播的一维波动方程 假设沿z轴方向传播 式中 E 电场强度 介质绝对介电常数 介质绝对磁导率 7 水平极化电磁波 电场强度E 磁场强度H和波矢量K三者互相垂直 介质中传播的电磁波在数学上可表示为 其中 E0 H0为场源电场强度和磁场强度 E H为距场源距r点的电场强度和磁场强度 ejkr称为基本波函数 传播常数k是一个复数 k j 为相位系数和吸收系数 8 吸收系数 式中 电磁波角频率 2 f 介电常数 介质电导率 介质导磁率 相位系数 9 1 2 2电磁波在介质中的传播速度 探地雷达测量的是介质界面的反射波的走时 为了获取界面的深度 必须要有介质的电磁波传播速度 其值为 为相位系数 为导电率 1 为介电系数 0 r 空气介电常数与相对介电常数成积 为磁导率 0 r 空气导磁率与相对导磁率成积 10 相位系数 是波速决定因素 讨论二种极限情况 11 12 1 2 3电磁波在介质中的吸收特性 13 1 2 4工程介质的电磁学特性 介质的电磁学性质可用介电常数 电导率 磁导率 来表征 1 介电常数 是表征物质在外加电场中储存极化电荷的能力的物理量 介电常数最大的物质是水 其相对介电常数是81 最小的是空气 相对介电常数为l 工程介质的介电常数一般为中等值 如岩石 土 混凝土等常见的工程介质的相对介电常数在4到9之间 其介电常数的差异主要取决于介质中的含水量大小 例如干砂的相对介电常数为2 6 充水后其相对介电常数可升高到25 提高了10倍 14 2 电导率 电阻率的倒数 表征介质的导电能力 介质的电导率越高 则电磁波衰减越大 即电磁波传播距离越短 低电导介质的 l0mS m 在此类介质中 电磁波衰减极大 雷达难于工作 例如 湿粘土 湿页岩 海水 海水冰 湿沃土 含水砂岩 含水灰岩 金属等 15 3 磁导率 是表征介质在磁场作用下产生磁感应能力大小的物理量 绝大多数工程介质都是非铁磁性物质 其相对磁导率接近1 对电磁波传播无大影响 而铁磁性物质的磁导率很高 对电磁波的波速和衰减有着重要影响 表1 1列出了一些常见介质的电磁参数 16 表1 1常见介质的电磁参数 17 1 2 5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 垂直入射时 反射系数的数学表达式 18 1 3工程雷达仪器 工程中应用的雷达为脉冲时域雷达 雷达由主机和发射 接收天线组成 主机与天线雷达天线沿测线从左向右移动 如图 发射天线不断发射雷达电磁波 并辐射到被测介质 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 19 天线类型按频率划分为低频 中频 高频天线 按结构划分为非屏蔽 屏蔽天线 按电性参数划分为偶极子天线 反射器偶极子天线 喇叭天线 80MHz以下为低频天线 通常采用非屏蔽式半波偶极子杆状天线 无反射器 偶极子天线一半的长度为 4 用于较深目标的探测 100 1000MHz为中频天线 采用屏蔽式半波偶极子天线 半个偶极子长度为 4 反射器将辐射到后方的能量集中到前方 在前方形成较强的电磁场密度 具有体积小 发射效率高的特点 在工程检测中常使用此类天线 高于1GHz的为高频天线 一般为喇叭形 以提高辐射效率 该类天线辐射能量集中 分辨率高 主要用于道路质量检测 20 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 21 EKKO100增强型 EKKO1000型 Noggin250型 加拿大EKKO系列 22 SIR3000型 匹配天线 美国SIR系列 23 Subecho70型 屏蔽天线900型 屏蔽Subecho200型 Radarteam定制的天线 24 X3M型 瑞典RAMAC系列 匹配天线 25 屏蔽天线100型 非屏蔽天线100型 非屏蔽天线200型 26 RIS 2K ME型 多道 意大利RIS系列 RIS 2K 0型 单道 27 电子部22所LTD系列 200MHz 300MHz 500MHz 500M 900M 1000M 28 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 29 1 4工程雷达主要技术性能 1 4 1雷达分辨率分辨率又称分辨能力 是指将两个距离很近的异常体区分开来的能力 也指能清楚识别的最小目标的大小 工程雷达探测的目标体 如地质分层 路面分层 空洞 管道 都是具有长 宽 高的三维立体 有横向延展度和垂向延展度 因此 判别分辨率就有横向分辨率和垂直分辨率两种 两者既有不同又相互关联 雷达波的脉冲宽度是决定雷达探测分辨率高低的关键因素 30 1 垂直分辨率Rv在雷达剖面中能够探测到的物体的垂向最小尺度称为垂直分辨率 当电磁波垂直入射时 接收到的雷达信号为被测物体顶面反射波和底面反射波的合成 被测物垂向尺度由顶面和底面反射的初至时间差确定 它是描述雷达对地层或者目标体最小厚度的分辨能力 依据地震反射理论 对离散的反射界面 根据瑞雷标准定义的分辨率的极限是 4 怀特定义分辨率极限则为 8 对无限延展的平面层 极限分辨率为 30 在雷达天线的设计中 一般选择天线的中心频率fp等于天线的通频带 f 即fp f l 因此 平面层在 20左右 离散目标的雷达的分辨率近似于 31 2 水平分辨率Rf它是目标体之间最小水平间隔的分辨能力 如果把垂向分辨率看成为时间分辨率 那么横向分辨率更多体现为空间分辨率的概念 水平分辨率 可以用惠更斯原理及菲涅尔带说明 惠更斯首先提出 球面波波前上的所有点均可视为该时刻开始振动的新点振源 各点振源产生新的球面波 这些球面波经t t时刻后 波前的包络叠加组合形成新的波前 如下图所示 当入射球面波波前传播到水平界面AB 并与其相切于O 点 继续传播经 4后的波前与界面AB相交于C D两点 CD称之为菲涅尔带 32 菲涅尔带上各个点的反射波与O 点垂直反射波在观测点O叠加 使观测点反射回来的波幅相长 对观测点的反射波幅做出贡献 而菲涅尔带以外各点产生的反射波则相消 故菲涅尔带是产生反射的有效面积 这就决定了反射法的可分辨的水平方向的尺寸 即水平分辨率 可计算出菲涅尔带半径 上述为二维剖面 实际为空间三维球面波 R1 R2间的 4带为以干涉形成的能量叠加带 称为第一菲涅尔带 有效反射面是以R1为半径的圆 圆面积决定了水平分辨率Rf 即分辨两相邻异常体的最小水平间距要大于第一菲涅尔带半径 33 表1 2常用天线水平分辨率 34 1 4 2雷达探测深度 与选用的天线频率和发射功率 地下介质的相对介电常数 电导率相关对于铜 铁等良导电介质 其电导率 很大 衰减常数 也很大 因此 电磁波在良导电介质中传播时 场矢量的衰减很快 电磁波只能透入良导体表面的薄层内 电磁波只能在导体以外的空间或电介质中传播 这种现象称为趋肤效应 电磁波透入导体内的深度称为穿透深度 或趋肤深度 这表明电磁波进入良导体的深度是其波长的1 2 倍 高频电磁波透入良导体的深度很小 当频率是100MHz时 可见 高频电磁波的电磁场 集中在良导体表面的薄层内 相应的高频电流也集中在该薄层内流动 35 当介质 0 1dB m 通常介质条件 时 Annan给出了探测深度的简易估算式 表1 3 36 1 5雷达现场检测 1 5 1探测目标体与环境条件了解目标体与环境条件是确定雷达测试能否进行及选择系统配置与参数及测试方案的基础 要点包括 目标体深度 以决定雷达时间窗口大小 目标体的尺寸及要求精度 其决定雷达系统应有的分辨率 包括天线频率和测网布置方案 目标体的电性以及周围介质的电性差异 测量环境的干扰情况 37 1 5 2雷达检测中的干扰因素与图像特征 测线附近地物的干扰当雷达测线附近地面存在孤立的物体 如金属杆 高大建筑 发射塔等 发射天线所辐射的电磁波就会通过空气传播到该物体 并产生反射波 由于电磁波在空气中传播时能量衰减几乎为零 因此地物反射波的能量很强 中心频率几乎不发生频移 在振幅 频率特征上与发射源的电磁波很相似 波速为0 3m ns 38 39 当杆形物位于测线中部时 地面树立的杆形地物在地质雷达剖面上呈双曲线型反射 这类干扰波在振幅 频率上表现为强振幅 同相轴连续 中心频率接近发射天线的中心频率 在一次波下会产生多次波 特别是杆形地物为金属质地时 40 2 地形干扰 坎状地形引起的异常会在雷达记录上产生2组交叉的特征波 其信号能量强 相位数多 其波传播的视速度既不是空气中电磁波的速度 也不是地下介质中电磁波的速度 而是介于两者之间 它是沿自由 表面传播的地面波 其出现的时间与天线距坎边的距离相关 单坎 其波组呈倒 V 型 其顶点对应于坎边 波组顶部往往与直达波复合 V 型不明显 在记录上呈明显的 八 字型 41 凸 型坎波组形状在记录上呈 X 型 在两三个相位之后 两组波相互干涉在一起 形成水平状 右图 这种地形对有效信号引起的干扰特别严重 造成有效反射信号无法辨认 42 3 耦合效应引起的干扰图像 局部地形变化 改变了雷达波的辐射特征 并引起电磁波的散射和漫射 当地面存在小沟或石块等杂物 天线不能很好地与地面接触 能量不能有效地耦合传输到地下 使电磁波在地面与天线间形成振荡 由于天线耦合不好而引起的干扰波 在记录自始至终都存在 其频率接近工作主频 信号强 衰减慢 像无阻尼振荡 右图 43 如果天线垂直离开地面一定距离 其干扰现象可以得到一定程度的抑制 但直达波的相位数亦会增多 辐射到地下的能量也会衰减 44 4 空中输电线干扰图像特征 当雷达测线垂直通过输电线 天线的极化方向与输电线方向平行时 输电线引起的干扰呈双曲线型 其顶点正对于输电线的下方 尤其是高压输电线 其影响范围远达50 80m 信号强 相位多 高度根据t c 2计算 单线架空输电线路干扰 45 当测线与架空输电线路平行时 天线的极化方向与架空输电线路方向垂直 输电线路在地质雷达剖面上表现为一强振幅水平同向轴 平行测线架空输电线路干扰 46 多线高压输电线路在地质雷达剖面上的反映 剖面上出现了多组能量强 多次波多的反射 其干扰非常严重 多线架空输电线路干扰 47 5 地表金属物影响 天线通过地表金属物时会产生强反射 在地质雷达剖面上反映为强能量同相轴出现 并且反射波会在金属物和天线间产生多次反射 在剖面上表现为强能量同相轴垂向延续时间长的特点 48 1 5 3测线布置原则 测量工作进行之前必须首先建立测区坐标 以便确定测线的平面位置 1 目标是一维体 如管线方向已知 测线应垂直管线长轴 如果方向未知 则应采用方格网 2 对基岩面等二维体进行调查时 测线应垂直二维体的走向 线距取决于目的体沿走向方向的变化程度 3 目的体体积有限时 先用大网格小比例尺初查 以确定目的体的范围 然后用小网格 大比例尺测网进行详查 网格大小等于目的体尺小 49 1 5 4测试方法 剖面法 反射观测方式 50 柱墙楼板 发射天线 接收天线 透射法 宽角法 共深点法 CDP 用于求取表层土的电磁波传播速度 空气波 地表直达波 51 1 5 5测量参数选择 测量参数选择合适与否关系到测量的效果 测量参数包括天线中心频率 时窗 采样率 测点点距与发射 接收天线间距 1 天线中心频率选择 天线中心频率选择需兼顾目的体深度与目的体的尺寸 一般来说 在满足分辨率且场地条件又许可时 应该尽量使用中心频率较低的天线 天线频率与探测深度的粗略关系 1000M 0 5m500M 1 0m200M 2 0m100M 5 0m50M 10m10M 50m 52 2 时窗选择 时窗选择主要取决于最大探测深度hmax 单位m 与地层电磁波速度v 单位m ns 时窗w ns 可由下式估算 w 1 3 2hmax v 考虑到hmax和v的变化 时窗应预留出30 以上的余量 53 3 扫描点数选择 扫描点数即每道波形的采用点数 128 256 2048等 为保证在一定频率下 每个波形有10个采样点 扫描点数应满足 扫描点数 10时窗长度 s 天线频率 Hz 如 天线1000M 时窗50ns 要求点数大于500 可选512 54 4 扫描速率选择 扫描速率为每秒采集的扫描线记录数 速率大时扫描线密集 可提高天线的移动速度 确定速率后 根据目标体尺寸决定天线移动速度 vTcm s 应保证最小探测目标内有20条扫描线 55 1 5 6电磁波速的估计和标定方法 雷达探测目标深度等于反射时间乘以电磁波速度 因此电磁波速度的估算直接关系到目标深度的探测精度 雷达波速的估算方法有以下几种 1 根据被测介质类型查出对应于测量对象材质的介电常数后 用速度公式估算速度 要注意材质中的含水情况对介电常数的影响会很大 2 利用已知埋深物体的反射走时计算波速 v 2h t h为已知目标埋深 t为反射波的双程走时 这种方法简单可行 是现场检测中常用的一种方法 3 利用地下点孤立目标产生的反射双曲线求速度 见下图计算 4 共中心点 CMP 法求速度 见下图计算 56 如图中 地下孤立目标为一条管道 当雷达天线由1号点向2号点方向扫描探测 由于雷达发射的是球面波 故在1号点已可探测到管道 其反射时间为tx 但是反射波却记录在1号点的正下方 如此当天线由1号点移动X距离 扫描到2 3号点 得到的反射波的分布便是图中的 同相轴 这个同相轴为双曲线绕射波图像 管道顶部2号点反射走时为t0 移动x后的3号点反射走时亦为tx 计算管深h和波速v 57 如图 用可分离天线相对于某一中心位置对称移动发射 接收天线 t0为中心点反射走时 tx为移动x的反射走时 共中心点法求速度 58 1 6雷达图像的数字处理 常规的数字处理方法 预处理 点平均 道平均等数字滤波 低通 高通及带通 中值滤波等偏移处理 以射线理论为基础的偏移归位方法波动方程偏移多次叠加技术特殊的数据处理方法 复信号分析 瞬时相位 瞬时振幅 瞬时频率其它一些非线性技术的应用 如分形技术发展方向 成像处理 图像的三维可视化 智能解释功能 59 1 7雷达资料解释 1 7 1时间剖面的对比原则对雷达剖面图像进行解释的基础是提取反射目标 只要被测介质中存在电性差异 就可以在雷达剖面图中找到相应的反射波 识别和追踪同一界面的反射波形依据 同相性 振幅显著性变化 波形特征同相性 在水平电性分界层 产生的反射波组往往有一组光滑平行的同相轴与之对应 这一特性称为反射波组的同相性 相似性 雷达记录点距与介质变化相比要小得多 相邻道同一个反射波组的波形 振幅 周期及包络线形态有一定特征 这一特征称为反射波形的相似性 60 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 沿界面产生明显异常 水下河床断面的检测图象 61 1 7 2目标波组初始相位识别的基本要点 雷达记录的判读也叫雷达记录的波相分析 是雷达资料解释的基础 1 反射波组的初始振幅与相位由可以看出两点 界面两侧介质的电磁性差异越大 反射波幅越强 波从介电常数小的进入介电常数大的介质时 反射系数为负 反射波振幅反相 反之 反射系数为正 反射波振幅与入射波同相 62 从反射波的振幅和相位上可以判定反射界面两侧介质的性质 其规律是 1 从空气中进入混凝士 反射波振幅反相 2 从混凝土内部的脱空层再反射回来后 反射波不反相 3 混凝土内的充满水界面 电磁波反射回来时 反射波反相 4 混凝土中的钢筋 因电磁波波速近似为零 反射波反相 且反射波振幅特别强 63 混凝土模型中充水与未冲水孔的测试结果 500M天线 冲水孔界面反射波初始相位与直达波初始相位反相 未冲水孔界面的反射波初始相位与直达波初始相位同相 1000M天线测试 冲水孔界面反射波的初始相位与直达波初始相位相反 未冲水孔界面反射波初始相位与直达波初始相位相同 64 2 反射波的频谱特性不同介质有不同的结构特性 其反射波的频谱特征明显不同 例如 混凝土相对于岩层 比较均匀 没有岩层内部结构复杂 因而围岩中反射波明显 高频波丰富 混凝土内部反射波较少 只在有缺陷的部位发生反射 另外 围岩中的含水带也表现出低频高振幅特征 易于识别 65 3 反射波同向轴形态特征 雷达记录中 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 方向等进行判断 孤立的目标体其反射的同向轴为向下开口的双曲线 无限长平面界面反射的同向轴是直线 如图所示 有限长的板状目标同相轴的中间部位为直线 两端为半只向下开口的双曲线 66 1 7 3不同工程检测中雷达图像特征 1 潜水面水平的强振幅反射波潜水面上下介质因为含水量的差别 介电常数产生较大的差异 反射系数较大 潜水面下的反射波组衰减较大 67 2 不同土层的波场特征杂填土 反射波杂乱无序 粘土层 同相轴连续 波组平行粉质粘土 振幅中等淤泥质粘土 衰减大 振幅小砂层的波场特征与粘土层相似 中等及粗砂层 反射波同相轴不连续 存在有规律的绕射波 68 3 基岩破碎带的波场特征同相轴错断 但破碎带两侧的波组关系相对稳定 破碎面上的振幅强 69 4 暗浜及古河道的波场特征特殊的地质现象 成分复杂 电性差异大二者雷达图像特征相似 区别在于范围的大小反射波振幅大 波形粗黑 同相轴不连续 波形杂乱 边界明显 70 5 地下管线反射同相轴呈向上凸起的弧形 顶部反射振幅最强 弧形两端反射振幅最弱