電磁波法探測技術(shù)—地質(zhì)雷達(dá)綜述

1、 電磁波法探測技術(shù)地質(zhì)雷達(dá)綜述2地質(zhì)雷達(dá)法、探地雷達(dá)法GPR（Ground-Penetrating-Radar），Geo-radar, Geo Probing radar是研究超高頻短脈沖電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的一門學(xué)科。正弦電磁波的傳播特征是探地雷達(dá)的理論基礎(chǔ)。是一種對下的或結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不可見的目標(biāo)體或分界面進(jìn)行定位或判別的電磁波探測技術(shù)3探地雷達(dá)具有以下技術(shù)特性，使其在許多領(lǐng)域尤其是工程地質(zhì)領(lǐng)域的得到廣泛應(yīng)用。 1.它是一種非破壞性探測技術(shù)，可以安全地用于城市和正在建設(shè)中的工程現(xiàn)場，工作場地條件寬松，適應(yīng)性強； 2.抗電磁干擾能力強，可在城市內(nèi)各種噪聲環(huán)境下工作，環(huán)境干擾影響??； 3.具

2、有工程上較滿意的探測深度和分辨率，現(xiàn)場直接提供實時剖面記錄圖，圖像清晰直觀； 4.便攜微機控制數(shù)據(jù)采集、記錄、存儲和處理； 5.由于使用了高頻率，電磁波能量在地下的衰減較強烈，若在高導(dǎo)厚覆蓋條件下，探測范圍將受到限制。4探地雷達(dá)雖然與探空雷達(dá)一樣利用高頻電磁波束的反射來探側(cè)目標(biāo)體，但是探地雷達(dá)探測的是在地下有耗介質(zhì)中的目的體，因此形成了其獨特的發(fā)射波形與天線設(shè)計特點。雷達(dá)探測技術(shù)用于地下，是在高頻微電子技術(shù)的以及計算機數(shù)據(jù)處理方法迅速發(fā)展的近代，才得以極大提高，應(yīng)用領(lǐng)域也迅速開拓。與探空或通迅雷達(dá)技術(shù)類似，探地雷達(dá)也是利用高頻電磁脈沖波的反射探測目的體及地質(zhì)現(xiàn)象的，它是從地面向地下發(fā)射電磁波來

3、實現(xiàn)探測目的，故亦稱之為探地雷達(dá)或地質(zhì)雷達(dá)（Grannd Penetrating Radar, GPR）。據(jù)已發(fā)表的資料探地雷達(dá)使用的發(fā)射波形有調(diào)幅脈沖波、調(diào)頻脈沖波、連續(xù)波等；使用的天線有對稱振子天線、非對稱振子天線、螺旋天線、喇叭天線等。脈沖時域探地雷達(dá)輸出功率大，能實時監(jiān)測測量結(jié)果，設(shè)備可做成便攜式等優(yōu)點，在商用地面探地雷達(dá)中，已得到廣泛應(yīng)用。5探地雷達(dá)的實際應(yīng)用范圍很廣，如： 灰?guī)r地區(qū)巖溶的探測; 冰川和冰山的厚度等探測; 工程地質(zhì)探測;管線探測;煤礦井探測，泥炭調(diào)查; 放身性廢棄物處理調(diào)查;水文地質(zhì)調(diào)查; 地基和道路下空洞及裂縫等建筑質(zhì)量探測; 地下埋設(shè)物，古墓遺跡等探查; 隧道、堤

4、岸、水壩等探測。 探地雷達(dá)探測所使用的中心工作頻率在105000MHZ范圍時窗在020000ns，電磁場以波動形式傳播，為輻射場法。根據(jù)不同的地質(zhì)條件，地面系列的雷達(dá)探測深度約在3050m，分辨率可達(dá)數(shù)厘米，深度符合率小于5cm。6 一、基本原理 高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，通過發(fā)射天線被定向送入地下，經(jīng)存在電性差異的地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，由接收天線所接收。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時，其傳播路徑、電磁場強度與波形將隨通過介質(zhì)的電性特征與幾何形態(tài)而變化。因此，通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下分界面或地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。工程勘察專題-地質(zhì)雷達(dá)7探地雷達(dá)工作原理示意圖8超高

5、頻電磁波（10MHz5000MHz）由于地下介質(zhì)往往具有不同的物理特性，如介質(zhì)的介電性、導(dǎo)電性及導(dǎo)磁性差異，因而對電磁波具有不同的波阻抗，進(jìn)入地下的電磁波在穿過地下各地層或管線等目標(biāo)體時，由于界面兩側(cè)的波阻抗不同，電磁波在介質(zhì)的界面上會發(fā)生反射和折射，反射回地面的電磁波脈沖其傳播路徑、電磁波場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，因此，從接收到的雷達(dá)反射回波走時、幅度及波形資料，可以推斷地下介質(zhì)或管線的埋深與類型。9為相位系數(shù)，為導(dǎo)電率（1/），為介電系數(shù)，為磁導(dǎo)率1011123. 電磁波的反射系數(shù)電磁波在傳播過程中，遇到不同的阻抗界面時將產(chǎn)生反射波和透射波，其反射與透射遵循反射與

6、透射定律。反射波能量大小取決于反射系數(shù)R，反射系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：13地下介質(zhì)相對介電常數(shù) r導(dǎo)電率(mS/m)雷達(dá)波速（m/ns）衰減系數(shù)（dB/m)空氣100.30淡水800.50.0330.1海水80300000.011000干砂3-50.010.150.01飽和砂20-300.1-100.060.03-0.3石灰?guī)r4-80.5-20.120.4-1泥巖5-151-1000.091-100粉砂5-301-1000.071-100粘土5-402-10000.061-300花崗巖4-60.01-10.130.01-1巖鹽5-60.01-10.130.01-1冰3-40.010.160.01金屬

7、30010100.017108PVC材料3.31.340.160.14常見介質(zhì)的相對介電常數(shù)、導(dǎo)電率、傳播速度與吸收系數(shù)14 利用雷達(dá)對空間目標(biāo)的探測已發(fā)展成為一項成熟的技術(shù)，并被廣泛應(yīng)用在各種軍事及民用領(lǐng)域中。隨著人類對自然界認(rèn)識的逐步深化，人們對地下世界的探知要求變得越來越迫切與深入。早在1904年德國人就采用了電磁波探測地下的金屬物體，到1956年，J.c.Cook 又提出了應(yīng)用無載頻脈沖雷達(dá)探測地下目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)理論與應(yīng)用實踐，瞬態(tài)無載頻脈沖雷達(dá)技術(shù)得到了較快的發(fā)展，并在70年代中進(jìn)入了實際應(yīng)用階段。 我國從80年代中期開始進(jìn)行探地雷達(dá)技術(shù)的研究和試驗，最初用于軍事地雷的探測。經(jīng)過

8、十幾年的研制攻關(guān)，在雷達(dá)硬件設(shè)備、信號處理、目標(biāo)成像等方面取得重大進(jìn)展和突破，特別是成功地實現(xiàn)了對地下目標(biāo)的三維層析成像，大大提高了分辨率和清晰度，使探地雷達(dá)在信號處理和成像技術(shù)方面進(jìn)入了世界領(lǐng)先行列二、雷達(dá)技術(shù)的研究及探測儀器的發(fā)展15加拿大Sensor & Software Inc., EKKO (Noggin)系列美國GSSI，SIR系列瑞典Mala Geoscience Inc., RAMAC系列 意大利IDS, RIS系列中國電磁波傳播研究所CRIRP，LTD系列拉脫維亞，ZOND系列16EKKO 100增強型EKKO 1000型Noggin 250型EKKO 系列17SIR3000

9、型（最新）匹配天線SIR 系列183207型5103型5100型Next美國GSSI自行生產(chǎn)的天線19Subecho 70型屏蔽天線900型屏蔽Subecho 200型Radarteam定制的天線20X3M型RAMAC系列匹配天線21屏蔽天線100型非屏蔽天線100型非屏蔽天線200型22RIS-2K/ME型（多道）RIS系列RIS-2K/0型（單道）23LTD系列25MHz50MHz100MHz200MHz300MHz500MHz500M900M1000M24LTD車載系統(tǒng) 主機放入車內(nèi)測距裝置天線小車檢測用天線（900M、500M、300M可用）LTD-2000車載公路檢測儀（車載系統(tǒng)探測

10、速度可達(dá)到60km/h，各項指標(biāo)已達(dá)到或超過國外同類產(chǎn)品，可用于公路面基層厚度和基層下存在缺陷檢測）25北京愛迪爾公司的CBS-9000型 地質(zhì)雷達(dá)及天線ZOND12-E型 地質(zhì)雷達(dá)及天線27三、野外數(shù)據(jù)采集1. 主要技術(shù)參數(shù)1.1 雷達(dá)方程28探測距離與探距方程雷達(dá)系統(tǒng)從發(fā)射到接收過程中的功率損耗Q可由雷達(dá)探距方程來描述。滿足Qs+Q0的距離 ，稱為探地雷達(dá)的探測距離，亦即處在距離 r 范圍內(nèi)的目的體的反射信號可以為雷達(dá)系統(tǒng)所探測。系統(tǒng)增益：最小可探測的信號功率輸入到發(fā)射天線的功率29對于銅、鐵等良導(dǎo)電媒介質(zhì)，其電導(dǎo)率很大，衰減常數(shù)也很大，因此，電磁波在良導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播時，場矢量的衰減很快，

11、電磁波只能透入良導(dǎo)體表面的薄層內(nèi)（電磁波只能在導(dǎo)體以外的空間或電介質(zhì)中傳播），這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。電磁波透入導(dǎo)體內(nèi)的深度稱為穿透深度，或趨膚深度：這表明電磁波進(jìn)入良導(dǎo)體的深度是其波長的1/2倍，高頻電磁波透入良導(dǎo)體的深度很小。當(dāng)頻率是100MHz時， ?？梢?，高頻電磁波的電磁場，集中在良導(dǎo)體表面的薄層內(nèi)，相應(yīng)的高頻電流也集中在該薄層內(nèi)流動。 1.2 探測距離與選用的天線頻率、地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率相關(guān)30ZOND12-E100MHZ天線實例統(tǒng)計的探測深度巖性電阻率（ M）探測深度（M）花崗巖7000-1500020-50基性巖7000-1500020-50輝長巖10000-14000

12、20-50石英5000-1000025-50土壤粗砂（干）20000-8000020-30卵石（濕）1000-500010-15砂（干）5000-2000015-25砂（濕）200-10005-10粉砂（干）400-20005-10粉砂（濕）30-2003-8粘土（濕）15-302-6耕作土（干）1000-1500010-20耕作土（濕）200-10005-10泥炭100-3008-10淡水1000020SIR-100MHZ天線實例統(tǒng)計的探測深度巖性電阻率（ M）探測深度（M）花崗巖7000-1500020-50基性巖7000-1500020-50輝長巖10000-1400020-50石英50

13、00-1000030-50土壤粗砂（干）20000-8000025-40卵石（濕）1000-500010-15砂（干）5000-2000015-30砂（濕）200-10005-10粉砂（干）400-20005-10粉砂（濕）30-2003-8粘土（濕）15-302-6耕作土（干）1000-1500010-20耕作土（濕）200-10005-15泥炭100-3008-10淡水1000020321.3 分辨率（分辨最小異常體的能力）垂向分辨率：區(qū)分一個以上反射界面的能力 四分之一波長：B=/4=v/4f水平分辨率：在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸波的干涉原理，與第一菲涅爾帶有關(guān)332. 探地

14、雷達(dá)探測的設(shè)計 每接受一個探地雷達(dá)測量任務(wù)都需要對目的體特性與所處環(huán)境進(jìn)行分析，以確定探地雷達(dá)測量能否取得預(yù)測效果。 (1)目的體深度是一個非常重要的問題。如果目的體深度超出雷達(dá)系統(tǒng)探測距離的50，那么探地雷達(dá)方法就要被排除。雷達(dá)系統(tǒng)探測距離可根據(jù)雷達(dá)探距方程進(jìn)行計算。 (2)目的體幾何形態(tài)(尺寸與取向)必須盡可能了解清楚。目的體尺寸包括高度、長度與寬度。目的體的尺寸決定了雷達(dá)系統(tǒng)可能具有的分辨率關(guān)系到天線中心頻率的選用。如果目的體為非等軸狀，則要搞清目的體走向、傾向與傾角，這些將關(guān)系到測網(wǎng)的布置。34(4)圍巖的不均一性尺度必須有別于目的體的尺度，否則目的體的響應(yīng)將淹沒在圍巖變化特征之中而無

15、法識別。 (5)測區(qū)的工作環(huán)境必須搞請。當(dāng)測區(qū)內(nèi)存在大范圍金屬構(gòu)件或無線電射頻源時，將對測量形成嚴(yán)重干擾,此外測區(qū)的地形、地貌、溫度、濕度等條件也將影響到測量能否順利進(jìn)行。 (3)目的體的電性(介電常數(shù)與導(dǎo)電率)必須搞清。雷達(dá)方法成功與否取決于是否有足夠的反射或散射能量為系統(tǒng)所識別。當(dāng)圍巖與目的體相對介電常數(shù)分別為r1與r2時，目的體功率反射系數(shù)的估算式為:一般來說目的體的功率反射系數(shù)應(yīng)不小于。35 測量工作進(jìn)行之前必須首先建立測區(qū)坐標(biāo)，以便確定測線的平面位置。 (1)管線方向已知，測線應(yīng)垂直管線長軸；如果方向未知，則應(yīng)采用方格網(wǎng)。 (2)目的體體積有限時，先用大網(wǎng)格小比例尺初查，以確定目的體

16、的范圍，然后用小網(wǎng)格、大比例尺測網(wǎng)進(jìn)行詳查。網(wǎng)格大小等于目的體尺小。 (3)對基巖面等二維體進(jìn)行調(diào)查時，測線應(yīng)垂直二維體的走向，線距取決于目的體沿走向方向的變化程度。3. 測網(wǎng)布置364. 測量參數(shù)選擇測量參數(shù)選擇合適與否關(guān)系到測量的效果。測量參數(shù)包括天線中心頻率、時窗、采樣率、測點點距與發(fā)射、接收天線間距。 (1)天線中心頻率選擇。天線中心頻率選擇需兼顧目的體深度與目的體的尺寸，一般來說，在滿足分辨率且場地條件又許可時，應(yīng)該盡量使用中心頻率較低的天線;天線頻率與探測深度的粗略關(guān)系：500M-3-5m 200M-3-8m100M-15m50M-30m10M-50m (2)時窗選擇。時窗選擇主要

17、取決于最大探測深度h max(單位m)與地層電磁波速度v(單位m/ns)。時窗w(ns)可由下式估算:w=1.3(2 h max/v) ;37 (3)采樣率選擇。采樣率是采樣點間的時間間隔。采樣率由尼奎斯特(Nyquist)采樣定律控制，即采樣率至少應(yīng)達(dá)到記錄的反射波中最高頻率的2倍。大多數(shù)探地雷達(dá)系統(tǒng)，頻帶與中心頻率之比為1：1，即發(fā)射脈沖能量覆蓋的頻率范圍為倍中心頻率。這就是說反射波的最高頻率約為中心頻率的倍，按Nyquist定律，采樣速率至少要達(dá)到天線中心頻率的3倍。為使記錄波形更完整，專業(yè)工程師建議采樣率為天線中心頻率的6倍（ZOND系列雷達(dá)系統(tǒng)建議10倍）。當(dāng)天線中心頻率為f(MHz

18、)。則采樣率(ns)： t=1000/6f38(4)測點點距選擇。在離散測量時，測點點距選擇取決于天線中心頻率與地下介質(zhì)的介電特性。為確保地下介質(zhì)的響應(yīng)在空間上不重疊，亦應(yīng)遵循尼奎斯特定律，采樣間隔n x(m)應(yīng)為圍巖中子波波長的14，即:在連續(xù)測量時，天線最大移動速度取決于掃描速率，天線寬度以及目的體尺寸。SIR系統(tǒng)認(rèn)為查清目的體應(yīng)至少保證有20次掃描通過目的體，于是最大移動速度V max應(yīng)滿足: 39(5)天線間距選擇。使用分離式天線時，適當(dāng)選取發(fā)射與接收天線之間的距離，可使來自目的體的回波信號增強，偶極天線在臨界角方向的增益最強，因此天線間距S的選擇應(yīng)使最深目的體相對接收與發(fā)射天線的張角

19、為臨界角的2倍，即實際測量中，天線距的選擇常常小于該數(shù)值。原因之一是天線間距加大，增加了測量工作的不便；原因之二是隨著天線間距增加，垂向分辨率降低，特別是當(dāng)天線距S接近目的體深度的一半時，該影響將大大加強。一般取S為最大目的體深度的20%i張角S405. 野外信號采集方式5.1 剖面法（反射觀測方式）海洋與地球科學(xué)學(xué)院工程物探室415.2 透射法柱墻樓板發(fā)射天線接收天線425.3 寬角法（共深點法，CDP） 用于求取表層土的電磁波傳播速度地面地面空氣波地表直達(dá)波43四、 探地雷達(dá)圖像的數(shù)字處理技術(shù)常規(guī)的數(shù)字處理方法： 預(yù)處理：點平均、道平均等 數(shù)字濾波，低通、高通及帶通、中值波波等 增益調(diào)節(jié)：

20、AGC、SEG、Const 偏移處理：以射線理論為基礎(chǔ)的偏移歸位方法 波動方程偏移 多次疊加技術(shù)特殊的數(shù)據(jù)處理方法： 復(fù)信號分析：瞬時相位、瞬時振幅、瞬時頻率 其它一些非線性技術(shù)的應(yīng)用，如分形技術(shù)發(fā)展方向：成像處理、圖像的三維可視化、智能解釋功能 44五、探地雷達(dá)圖像的解釋方法地下介質(zhì)電性分布幾何分布已知資料波形特征分析45461 時間剖面的對比原則 拾取反射層，依據(jù)勘察孔進(jìn)行對比，建立各種地層的反射波組特征；只要地下介質(zhì)存在電性差異，就可在雷達(dá)剖面上找到相應(yīng)的反射波。 識別和追蹤同一界面的反射波形依據(jù)： 同相性、振幅顯著性變化、波形特征472 干擾波的雷達(dá)圖像特征 如何識別干擾波與目標(biāo)體的圖

21、像特征非常關(guān)鍵干擾信號在實際探測工作不可避免1) 地面干擾 地面架空電線（雙曲線） 測線附近的金屬物（強振幅、密集的反射波組） 地面上的礫石（多次反射，局部強振幅回波） 測繩和皮尺（典型的“X”型干擾）2) 地下異常的多次波 在地質(zhì)體與地表面來回反射，嚴(yán)重影響目標(biāo)體的挨反射波信息，波形雜亂，不規(guī)則。483 常見特殊地質(zhì)體的雷達(dá)圖像特征1) 潛水面水平的強振幅反射波潛水面上下介質(zhì)因為含水量的差別，介電常數(shù)產(chǎn)生較大的差異，反射系數(shù)較大。潛水面下的反射波組衰減較大。492) 不同土層的波場特征雜填土：反射波雜亂無序，粘土層：同相軸連續(xù)，波組平行，粉質(zhì)粘土，振幅中等，淤泥質(zhì)粘土，衰減大，振幅小，砂層的

22、波場特征與粘土層相似，中等及粗砂層，反射波同相軸不連續(xù)，存在有規(guī)律的繞射波。503) 基巖破碎帶的波場特征 同相軸錯斷，但破碎帶兩側(cè)的波組關(guān)系相對穩(wěn)定 破碎面上的振幅強514) 暗浜及古河道的波場特征特殊的地質(zhì)現(xiàn)象。成分復(fù)雜，電性差異大二者雷達(dá)圖像特征相似，區(qū)別在于范圍的大小反射波振幅大，波形粗黑，同相軸不連續(xù)，波形雜亂，邊界明顯，524 常見地下目的物的雷達(dá)圖像特征1) 地下管線 反射同相軸呈向上凸起的弧形，頂部反射振幅最強，弧形兩端反射振幅最弱，不同的材質(zhì)的管線的反射波特征不同： 金屬管：介電常數(shù)大，導(dǎo)電率極強，衰減極大，金屬管頂反射出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，無管底的反射信息 非金屬管，管頂無極性反轉(zhuǎn)

23、，有可能出現(xiàn)管底信息 管內(nèi)是否充水，其波形特征亦不同，若充水，則亦出現(xiàn)波形的極性反轉(zhuǎn) 管線的半徑越大，反射弧的曲率半徑就越大53陶瓷PVC金屬電纜污水管542) 防空洞、地下室及污水箱涵 極強的反射振幅反射波的極性反轉(zhuǎn)553) 樁體 樁體與周圍地層在垂直界面的電性差異明顯，樁體兩側(cè)反射波同相軸存在明顯錯斷。 72式塑料防步兵地雷（左） 雷達(dá)圖像（右）說明：制造地雷的材料和觸發(fā)方式趨于多樣化，僅靠金屬探測器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。探地雷達(dá)不僅可以發(fā)現(xiàn)金屬地雷，對非金屬類目標(biāo)探測也可大展身手。圖譜1：地雷探測六、探地雷達(dá)的應(yīng)用說明：電磁波在地下的傳播過程中遇到空洞等異常，其強度和相位將有明顯變化，典型顯示為雙曲

24、線（LT-1雷達(dá)測于廣州）。圖譜2：地下土洞穴的檢測圖象圖譜3：土洞群的波形堆積圖象 圖譜4：地下空洞探地雷達(dá)檢測圖象 說明：電磁波在地下的傳播過程中遇到巖溶等異常，其強度和相位將有明顯變化，典型顯示為雙曲線（LTD-3雷達(dá)測于山東臨沂）。圖譜5：地下巖溶洞的檢測圖象說明：電磁波在地下的傳播過程中遇到管線，由于管線本身和其中的空氣介質(zhì)與周圍土壤的介電特性差異較大，其強度和相位將有明顯變化，典型顯示為雙曲線（LT-3雷達(dá)測于廣州）。圖譜6：地下管線的檢測圖象圖譜7：三峽庫區(qū)的金屬管線檢測圖像說明：電磁波在地下的傳播過程中遇到管線等異常，其強度和相位將有明顯變化，典型顯示為雙曲線（2003年測于長

25、江三峽）。圖譜8：廊道下鋼筋檢測說明：電磁波在地下的傳播過程中遇到鋼筋等異常，其強度和相位將有明顯變化，典型顯示為雙曲線（2003年測于長江三峽）。圖譜9：廊道下鋼筋及過人通道檢測說明：電磁波在地下的傳播過程中遇到不同介質(zhì)層，其強度和相位將有明顯變化，典型顯示為雙曲線（2003年測于長江三峽）。圖譜10：長江三峽庫區(qū)里的混凝土污水管道（500M）說明：對應(yīng)埋深30cm,直徑為50cm的混凝土管道處出現(xiàn)明顯異常圖譜11：長江三峽庫區(qū)里的混凝土污水管道（300M）說明：埋深30cm,直徑為50cm的混凝土管道呈現(xiàn)典型雙曲線反映圖譜12：蕭山觀潮城五孔小橋探測圖象說明：天線拖過橋面時，來自橋孔和水面的反射信號較強，在剖面中顯示為典型的雙曲線（ 2003年用500M天線測于蕭山）。圖譜13：北疆鐵路SKS段路基檢測剖面說明：冬凍夏溶的交替變化導(dǎo)致鐵路路基發(fā)生不均勻沉降，嚴(yán)重影響行車安全。GPR可給出道渣厚度分布，進(jìn)而確定路基沉降情況，為路基治理提供第一手資料。圖譜14：地下構(gòu)造探測圖像說明：500M天線探測得到的灰度圖，將地下不同特征的埋藏物和地質(zhì)構(gòu)造顯露無遺。說明：水的介電常數(shù)為81，與湖床的性質(zhì)