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探地雷达原理及应用读书报告
班级：061094班 姓名：洪旭程 学号：20091001724
探地雷达探测是一种先进的测试技术,是近十余年发展起来的地球物理高新技术方法,以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点,备受广大工程技术人员的青睐。现已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、水文地质调查、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考古探测等众多领域,取得了显著的探测效果和社会经济效益,并在工程实践中不断完善和提高,必将在今后的工程探测领域发挥着愈来愈重要的作用。因此,对广大工程技术人员来说,了解和学习探地雷达的原理及应用是非常必要的。
探地雷达探测技术在方法、仪器等方面仍在发展,其分辨率和探测范围也在不断的提高和扩大,比如美国地球物理调查系统公司(Geophysical Survey System Inc.)的SIRO10H 仪器,其标称的最小探测深度为4 cm ,最大探测深度为50 m ,最小可探测对象尺度为毫米级。但探地雷达探测技术与其它的地球物理勘查技术一样,其探测效果与其应用条件密切相关。
一、探地雷达的工作原理
探地雷达探测的工作原理,简单地说是通过特定仪器向地下发送脉冲形式的高频、甚高频电磁波。电磁波在介质中传播,当遇到存在电性差异的地下目标体,如空洞、分界面等时,电磁波便发生反射,返回到地面时由接收天线所接收。在对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上,根据接收到的雷达波形、强度、双程时间等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态,从而达到对地下隐蔽目标物的探测(如图1 所示)。这是一种非破坏性的探测技术,可以安全地用于城市建设中的工程场地,并具有较高的探测精度和分辨率。
图1 中T 为发射天线, R 为接收天线,电磁波在地下介质中遇到目标体和基岩时发生反射, 信号返回地面由天线R 接收并记录,通过主机的回放处理,就可以得到雷达记录的回波曲线(如图2 所示)。
图2 中横坐标的单位为m ,横轴代表地表面的探测距离,在地表面均匀打点可以得到相应点位的地下介质分布情况;纵坐标
代表的是电磁波从发射到遇见地下目标体或基岩时反射回地面并被仪器接收所需要的时间。有了雷达记录的双程反射时间即可据公式(1)算出该界面的埋藏深度H :
H =(t·c)2 εr(1)其中, t 为目标层雷达波的反射时间;c 为雷达波在真空中的传播速度(0.3 m/ ns);εr 为目标层以上介质相对介电常数均值。
二、探地雷达数据采集及处理
2.1 数据采集
探地雷达采用高频电磁波的形式进行地下介质的探测，其运动学规律与地震勘探方法类似，因而地震勘探的数据采集方法可以被借鉴到探地雷达野外测量中，其中包括反射﹑折射和透射测量方式。在反射测量方式中以剖面法多次覆盖技术为主，其他方法为辅。剖面法是发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。剖面法的测量结果用探地雷达时间剖面图像来表示。当天线距离很小时，相当于自激自收的数据采集方式，得到的记录能较准确地反映测线处各反射界面的形态和介质体的空间位置等信息。然而，由于地下介质对电磁波的吸收，来自深处界面的反射波会由于信噪比过低而不易识别，这时需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试，然后将测试记录中相同位置的记录进行叠加，以增强对深部介质探测的分辨率。在探地雷达探测过程中，可以根据现场地形﹑设备状况以及实际需要来选择不同的测量方式。
2.2 数据处理
探地雷达数据处理的目的主要是压制各种噪声，增强有效信号，提高资料信噪比，以最大可能的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，以便从数据中提取速度、振幅、频率、相位等特征信息，帮助解释人员对资料进行有效的地质解释。探地雷达的数据处理流程一般分两部分：第一部分为数据编辑，包括数据合并、废道剔除、测线方向一致化、漂移处理；第二部分是常规处理以及探地雷达图像增强处理，包括数字滤波、振幅恢复、均衡、归一化、小波变换、时深转换等。
三、影响探地雷达的因素
影响探地雷达的探测深度、分辨率以及精度的因素主要包括内在与外在的两方面。内在 因素主要是指探测对象所处环境的电导率,介电常数等因素;外在因素主要与探测方法有关, 如探测所采用的频率,采样速度等。在实际应用中,综合考虑这些因素,采用适当的方法技术, 是探测成功与否的关键。本文主要就环境电导率、介电常数以及探测频率的影响做一些探讨。
3.1 环境电导率的影响
环境电导率是影响探地雷达探测深度的重要因素,高频电磁波在地下介质的传播过程中 会发生衰减。由于探地雷达的工作频率较高,一般认为,高频电磁波在地下介质的传播过程满 足介电极限条件,即ωεmσ。ω为电磁波的频率;ε为环境的介电常数;σ为环境的电导率。高频电磁波的衰减系数满足
（1）
其趋肤深度
（2）
实际上,由于大地电阻率一般都比较低, 达不到介电极限条件, 其工作条件介于准静态极限(ωεnσ)与介电极限条件之间。对于静态极限,其趋肤深度
（3）
可见,不管工作条件是在介电极限还是在准静态极限条件,或者是界于两者之间,其趋肤深度 都是随电导率的增大而减少,即环境的电导率越低,高频电磁波的衰减越慢,探测深度越大。在工程实践中,环境电导率的值一般在4～10s)σa + ns σw +(1s)εa + ns εw +(1ε2)/(ε1 + ε2),(7)由于探地雷达是接受反射波的信息来探测目标体,而反射信号的强弱取决于介电常数的差异,因此,介电常数的差异是探地雷达应用的先决条件。
3.3 探测频率的影响
一般的探地雷达都拥有多种频率的天线,一些厂家的天线中心频率低频可达到16 MHz ,高频可达到2 GHz。通常,把探测时所采用的天线中心频率称为探测频率,而其实际的工作频率范围是以探测频率为中心的频带,探测频率主要影响探测的深度和分辨率。当探地雷达工作在介电极限条件时,高频电磁波的衰减几乎不受探测频率的影响,比如,电磁波在空气中传播,由于不存在传导电流,电磁波不发生衰减。但实际上,由于大地电阻率一般都比较低,其工作条件达不到介电极限条件。由于传导电流的存在,高频电磁波在传播过程中发生衰减,其衰减的程度随电磁波频率的增加而增加。因此,在实际工作时,必须根据目标体的探测深度选用合理的探测频率。在工程地质勘察中,勘察深度一般在5～30 m ,选择低频探测天线,要求探测频率低于100 MHz。对于浅部工程地质,探测深度在1～10 m ,探测频率可选择100～300 MHz;对于探测深度在0.5～3.5 m 的工程、环境以及考古勘察工作,探测频率可选用300～500 MHz;对于混凝土、桥梁裂缝等厚度在0～1 m 左右的检测,探测频率一般选用900 MHz～2 GHz。
探测频率是制约探测深度的一个关键因素,同时也决定了探测的垂直分辨率,一般是探测频率越高,探测深度越浅,探测的垂直分辨率越高。对于层状地层,以Tm 表示可分辨的最小 层厚度,λ为高频电磁波的波长, 则有Tm = 0.5λ, 由于λ= v/ f , 其中, v 为电磁波的传播速度, f 为电磁波的频率,而又因(6)式,于是Tm = c/ 2 f ε。由此可见,探测频率和介质的介电常数是决定垂直分辨率的两个主要因素。对于金属圆柱体,其可探测的最小直径约为埋深的8 % ,埋深大于3 m,其可探测的最小直径约为埋深的50 %。探测频率也是制约水平分辨率的一个关键因素。探地雷达向地下传播是以一个圆锥体区域向下发送能量, 如图1 所示。电磁波的能量主要聚集在能量区, 而不是一个单点上。在能量区的中央有一个称为第一Fresnel 带的区域。雷达接收的反射波能量主要来自该区域,因此,反射波的信号反映的是反射区内介质的平均效应,也就是说,当水平尺度小于反射区尺度时,雷达是难以分辨的,而反射区的半径Rf 主要由电磁波的波长λ和反射面的深度R0 决定,其关系为Rf =(λR0 + 1/ 42λ)1/ 2。电磁波频率越高,波长越短,反射区的半径越小,水平分辨率高。
四、探底雷达的应用实例
4.1管线探测中的运用
地质情况
沪宁高速公路改造工程, 在跨越丹阳运河时需进行大口径灌注桩的施工。由于石油天然气管道在设计的桩位附近, 准确位置不详, 为保证打桩工程的安全实施, 需查明该管线精确的水平位置。为了穿越运河, 管线的埋深相当大, 属于超深管线, 所以探测难度较大。
推断解释
采用探地雷达型号为加拿大Sensor & Soft-w are Inc.生产的PU LSE EKKO-4 型。沿着管线的走向一共布置了三条剖面, 每条剖面走向垂直于管线走向, 剖面按照对应的桥桩进行编号, 即分别为55#、52# 和50#。使用天线频率为50MH z, 天线间距为1m, 测点间距为0.25m。探测结果分别如图
3、图4 和图5 所示,雷达探测波形图的水平坐标为距离(单位: m), 左侧纵坐标为雷达波双程传播时间(单位: ns), 右侧
纵坐标为深度(单位: m)。55# 雷达剖面(图3)中, 在水平位置13.5~15.5m、深度方向16~ 18m 区域出现较为明显的异常反射波;在该深度区域内, 所圈定的异常范围内其反射波振幅明显强于周围介质的反射波的振幅, 表明此位置处的确存在强反射体, 即天然气管 道。
52# 雷达剖面(图4)中, 在水平位置19.0~21.0m、深度方向26~ 28m 区域出现较为明显的异常反射波;在该深度区域内, 所圈定的异常范围内其反射波振幅明显强于周围介质的反射波振幅, 表明此位置处的确存在强反射体, 即天然气管道。
50# 雷达剖面(图5)中, 在水平位置17.0~18.75m、深度方向26~ 28m 区域出现较为明显 的异常反射波;在该深度区域内, 所圈定的异常范围内其反射波振幅明显强于周围介质的反射波振幅, 表明此位置处的确存在强反射体, 即天然气管道;此处应当说明的是, 在本条雷达剖面的结束位置处仍没未看到天然气管道反射波与另一侧周围介质的分界面, 是因为该剖面结束位置处有一水沟, 导致测线只能在该位置结束, 因此剖面未能显示出全部异常区。根据本次探测结果, 高速公路桥的基桩距探地雷达探测到的天然气管道中心地面投影位置最小达3.5m, 桩基施工只要控制好垂直度, 不会触及到天然气管道, 可以安全施工。
4.2隧道超前预报中的运用
地质情况
在宜万铁路某施工隧道进行超前预报,测区属构造剥蚀—溶蚀深切割中山,基本地形配置为台原山地和深切峡谷。地势北高南低,山顶高程1 593～1 100 m ,河谷切割深度200～700 m ,山脉一般沿NE 向和EW 向延伸。地形条件对区内岩溶发育起明显控制作用,岩溶发育总体呈深切峡谷型特征。测区地处亚热带温暖湿润气候区,四季分明,冬季干冷少雨,夏季湿热多雨,其气候条件有利于岩溶发育。
推断解释
图2(a)是使用瑞典RAMACPGPR 探地雷达100MHz 主频天线采集的雷达数据,采样频率995 MHz ,采样点数为512 ,天线间隔110 m ,采样间隔011 m。从图上可以明显看出,在掌子面前方519～718 m 和1114～1410 m 之间分别各有一个明显异常。后经开挖验证,第一处异常为不同岩性的界面,第二处异常是一夹泥薄层,并与隧道顶部的一个大溶洞相通,因该地区在预报检测之后发生过大的降雨,在实际开挖时发生了突泥。由于事先采取了有效的防范措施,所以未造成任何工程事故。探地雷达的隧道超前预报工作为隧道安全施工起到了保驾护航的作用。图2(b)是用瑞典RAMACPGPR 探地雷达50 MHz主频天线采集的雷达数据,采样频率为499 MHz ,采样点数为480 ,天线间隔110 m ,采样间隔011 m。
从图上可以看出, 在掌子面前方810～1615 m 处有一处明显异常。数据采集过程中,发现隧道已开挖部分大多为碳质灰岩,而在接近掌子面的地段,碳质灰岩中夹杂的方解石明显增多,这是岩溶发育或裂隙发生的初步特征,因此判断该处异常可能是富含水。经开挖验证,现场情况与预报结果相符。
4.3水坝渗漏检测中的运用
地质情况
黑龙江省甘南县某水库始建于1958 年, 为省内大型水库。该水库的坝型为粘土均质坝, 表层为块石护坡。1998 年遭受超百年不遇洪水, 库区水位达205.69 m, 土坝后坡在高程193~ 200 m 范围内发生33 处面积不等的严重散浸(散浸是指在坝体下游出现零星分布的多处浸水现象)和局部的集中渗流。
推断解释
为了查明造成散浸的原因, 查明散浸点在坝体内的分布情况, 采用地质雷达方法对坝体进行了全面的检测。在平行坝轴线在坝顶、前坡马道、后坡马道共布置5 条地质雷达测线。地质雷达工作频率为40 MHz, 时间窗口为900 ns, 64 次迭加, 天线间距1 m, 采样点距1 m。坝顶测线的雷达检测结果显示, K 0+ 060-K 0+ 120 及K0+ 240-K0+ 400 桩号的雷达图像中出现多处无规律地呈零星分布的强反射, 图1 为桩号K0+ 240-K0+ 400 的雷达测量剖面图。图中强反射区距坝顶埋深约10~ 12 m。由于该水坝是均质土坝, 雷达工作场地也没有其他干扰因素, 因此, 这种呈零星分布的强反射只能是坝体局部粘土受水浸润处于相对饱和状态, 与周围未受到水浸润的粘土形成明显的电性界面所形成。可见, 在带压力的水体作用下, 长期受浸泡的土体粘粒形成泥浆, 并向坝体下游逐渐渗出, 形成散浸。后期的钻探取心表明,桩号K0+ 235-K0+ 400 处坝顶11 m 以下的粘土含水量明显大于其它地段, 是发生散浸的严重区段。散浸现象在雷达图像上表现为断断续续的强反射,呈零星的条带状分布, 强反射处雷达波的视频率变低, 波形变宽, 并伴有较强的多次波出现。
参考文献
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