探地雷達的現(xiàn)狀與展望

文獻綜述探地雷達使用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢勘查技術(shù)與工程探地雷達使用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢勘查技術(shù)與工程核工程與地球物理學(xué)院TOC\o"1-5"\h\z綜述題目:姓 名:學(xué) 號:班 級:年 級:專 業(yè):學(xué) 院:探地雷達使用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢探地雷達（GroundPenetratingRadar,簡稱GPR）技術(shù)是通過發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射有一定延續(xù)時間的寬頻帶電磁波，進而通過接收到的反射電磁波來達到推測地下介質(zhì)分布形態(tài)及特征的一種物探方法。早在1910年，德國人Leimbach和Lowy就在一份德國專利中道明了探地雷達的基本概念。1926年，Hulsenbeck第一次使用電磁脈沖技術(shù)來研究地下巖性構(gòu)造并獲得成功。這兩次成果為探地雷達正式進入物探方法行列奠定了基礎(chǔ)。此后的40年里，探地雷達技術(shù)有了很大改進，但由于地下介質(zhì)比空氣具有強得多的衰減特性，而且波在地下介質(zhì)的傳播比在空氣中要復(fù)雜得多，所以它僅限于研究介質(zhì)相對均勻，對電磁波吸收很弱的地質(zhì)環(huán)境，如極地冰層、淡水湖泊、沙漠及巖鹽等。七十年代以后，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展及現(xiàn)代雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，許多商業(yè)化的探地雷達系統(tǒng)先后開始問世，其中具有代表性的有美國地球物理探測設(shè)備公司（SSI）的SIR系統(tǒng)、加拿大探頭及軟件公司（SSI）的pluseEKKO系列、瑞典地質(zhì)公司（SGAB）的RAMAC鉆孔地質(zhì)雷達系統(tǒng)及日本應(yīng)用地質(zhì)株式會社（OYO）的GEORADAR系列等。如今探地雷達技術(shù)已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，覆蓋領(lǐng)域包括礦產(chǎn)資源勘查、基巖面的探查、土體中土洞探查、地下溶洞探查、超前預(yù)報、考古探查、地下管線探查、軍事探測等多個方面。一、探地雷達的原理探地雷達和探空雷達相似，利用高頻電磁波（主頻為數(shù)十至數(shù)百乃至數(shù)千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線傳入地下，經(jīng)地下地層或目的物反射后返回地面，被另一天線接收。脈沖波旅行時間為T。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速已知時，可根據(jù)測到的準(zhǔn)確T值計算反射體的深度。電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性主要有電導(dǎo)率口和介電常數(shù)￡，前者主要影響電磁波的穿透（探測）深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面。不同的地質(zhì)體（物體）具有不同的電性，因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會產(chǎn)生回波。探地雷達在勘查中的參數(shù)有以下關(guān)系：（一）電磁波行走時間T=、：'4H2+x2/vu2Hv式中H代表目標(biāo)埋藏深度；v代表電磁波在介質(zhì)中的運行速度；T代表電磁波的雙程走。時。（二）電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v=c/￡卩心c/g'rr 、r式中C代表電磁波在真空中的傳播速度（0.29979m/ns）；￡代表介質(zhì)的相r對介電常數(shù)；卩代表介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率（一般卩-1）。rr（三）目標(biāo)體的埋深與電磁波行走時間的關(guān)系H=-v?T2式中H代表目標(biāo)體埋藏深度；v代表電磁波傳播速度；T代表電磁波雙程走時。二、探地雷達的使用現(xiàn)狀（一） 地質(zhì)雷達在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用隧道施工時，對掌子面前方地質(zhì)情況進行及時準(zhǔn)確的預(yù)測，至關(guān)重要。隧道施工過程中遇到的主要不良地質(zhì)情況有溶洞、地下暗河、斷層、破碎帶和瓦斯等，對這些不良地質(zhì)條件及時準(zhǔn)確的預(yù)報，不僅可以提前采取相應(yīng)的措施以提高隧道施工的工作效率，還可以確保施工的安全進行［1］。地質(zhì)雷達是一種快速便捷、不影響施工的超前跟蹤探測技術(shù)，它對上述不良地質(zhì)條件有較好的探測結(jié)果。一般根據(jù)現(xiàn)場要求探測的深度，我們的主要技術(shù)參數(shù)選擇為：1）50MHz非屏蔽天線，天線間距l(xiāng)m。2）100MHz屏蔽天線；天線間距0.5m。記錄時間、疊加次數(shù)和采樣率根據(jù)實際情況做適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)實際情況，采用點測和連續(xù)掃描兩種方式進行探測。一般情況下，根據(jù)探地雷達的圖像資料，我們能做出超前的預(yù)報。（二） 地質(zhì)雷達在公路路面檢測中的應(yīng)用根據(jù)道路的施工要求一般情況下，檢測的路面都是分層的，這就為探地雷達在檢測路面的應(yīng)用提供了條件。不同的層對應(yīng)不同的介電常數(shù)，當(dāng)雷達的透射波透過第一層介質(zhì)到達第二層，電磁波將發(fā)生反射。根據(jù)雷達圖像可以清楚地看到圖直達波，面層與上基層界面之間的反射波，根據(jù)雷達圖像亦可以清楚地看到存在缺陷的地方。各個界面或缺陷位置的深度利用公式（V*At/2）即可求出，其中v既可通過理論公式或?qū)捊欠ㄓ嬎愦_定，亦可通過孔取芯標(biāo)定來確定，直接從雷達時間剖面上依據(jù)同相軸的連續(xù)性判讀。（三） 地質(zhì)雷達在隧道初期支護質(zhì)量檢測中的應(yīng)用新奧法是目前我國隧道施工所采用的基本方法。這種方法所修建的隧道，其噴錨初期支護作為主要受力結(jié)構(gòu)，二次模筑混凝土襯砌主要作為安全儲備和防水等用。因此初期支護的噴射混凝土層厚度檢測是十分重要的，但目前隧道襯砌檢測中，因噴層?。▋H5?20cm）,檢測噴層厚度的不多，難度也很大。地質(zhì)雷達這一檢測方法的推廣應(yīng)用正好解決了以上難題。它采用高科技手段，以其高分辨率和高準(zhǔn)確率，快速、連續(xù)且高效的無損檢測方法很快得到人們的認(rèn)可，人們在實際工程中的推廣和應(yīng)用，經(jīng)過長期實踐和不斷發(fā)展，現(xiàn)已形成一套完整的檢測系統(tǒng)［2］。探地雷達在這方面的工作依據(jù)是：雷達的發(fā)射天線向隧道初期支護噴混凝土內(nèi)發(fā)射高頻寬帶短脈沖電磁波，電磁波遇到具有不同介電特性的噴混凝土與圍巖界面時有部分返回，接收天線接收反射波并記錄反射波的旅行時間。當(dāng)發(fā)射和接收天線沿物體表面逐點同步移動時，就能得到其內(nèi)部介質(zhì)的剖面圖像。根據(jù)接收到波的旅行時間（雙程走時）、幅度頻率與波形變化資料，可以推斷介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)體的深度、形狀等特征參數(shù)。（四） 探地雷達在非金屬管線探測中的應(yīng)用隨著國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，PE、PVC、混凝土等非金屬管線在市政建設(shè)中越來越多的得到應(yīng)用。而非金屬管線的探測也逐漸成為管線管理部門和工程單位的一大難題。探地雷達的出現(xiàn)多少給管線探測帶來了不少方便。在城市地下管線普查中，與其它探測設(shè)備相比，探地雷達不僅能夠探測金屬管線，而且成為PE、PVC、混凝土等非金屬管線探查的主要手段⑶。探地雷達利用超高頻短脈沖電磁波在介質(zhì)中傳播時其路徑、電磁場強度與波形隨通過介質(zhì)的電性質(zhì)和幾何形態(tài)的不同而變化的特點，根據(jù)接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料來判斷管線的深度、位置和估算管線直徑等。當(dāng)管線方向已知時，測線應(yīng)垂直管線長軸。探地雷達系統(tǒng)會自動把不同水平位置采集到的電磁波信號（每一信號亦稱之為一道）從時間域轉(zhuǎn)換成空間域，不同水平位置采集的道信號組合起來，最終得到雷達剖面圖上的波形反應(yīng)，其典型特征為黑、白相間的拋物線（不同雷達，變現(xiàn)形式有差異）。雷達剖面圖上拋物線頂點橫向坐標(biāo)值是管線中心軸線距測量起始點的水平距離，拋物線頂點豎向坐標(biāo)值為管線上表面距測量表面的深度值。（五） 探地雷達在考古探查中的應(yīng)用對考古來講，通常實地挖掘耗資昂貴，但是探底雷達技術(shù)通過提供關(guān)于地層，覆蓋物位置和深度的異常數(shù)據(jù)來給這個尷尬的局面提供了一個合乎邏輯的答復(fù)。探地雷達設(shè)備不貴，而且這項技術(shù)的成本在最近幾年有所下降，這促使越來越多的考古學(xué)家開始利用這一不斷發(fā)展的技術(shù)優(yōu)勢。GPR中心頻率大約500兆赫經(jīng)常被用在考古學(xué)上，因為對于大部分的土壤類型，在分辨率和穿透力上這一頻段的GPR通常能給出足夠的權(quán)衡。較高的頻率可以在淺層檢測并探測出更小的物體［4］。較低的中心頻率于其相反，尤其是在高損耗的土壤里。通常情況下，埋在地下的文物或者空洞（如古墓，容器類器物）與周圍的土壤在材質(zhì)方面是有很大區(qū)別的，這就給探地雷達的應(yīng)用提供了條件，通常情況下，探地雷達能很好地顯示地下介質(zhì)不均勻體的埋藏參數(shù)。三、探地雷達的發(fā)展展望隨著探地雷達應(yīng)用范圍的擴展，如今對探地雷達的要求將越來越高。它要求探地雷達系統(tǒng)具有更高的分辨率，更大的穿透深度，能提供更豐富的地下信息。關(guān)于分辨率和穿透深度，由于探地雷達的天線頻率在分辨率和穿透深度兩個方面互相矛盾，人們不能在發(fā)射頻率上再做更大的文章。如今能做的是研發(fā)一種方向性更強，頻帶更寬，發(fā)射率更高的天線。此外，變頻天線將是一種強大的天線，它不但具有改變中心頻率的能力，而且可以發(fā)射較低頻率的信號。它可以利用各種頻率掃描并進行綜合分析，不但可以獲得更豐富的地下信息，而且還使薄層的識別成為可能。它避免了傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)常需配置多種工作頻率的天線從而導(dǎo)致系統(tǒng)重量增加，操作復(fù)雜的弊端。三維成像技術(shù)如今能帶給我們對事物的直觀認(rèn)識。如今三維探地雷達技術(shù)也得到了一定發(fā)展，國外已有一些公司研發(fā)出具有三維成像技術(shù)的雷達，但總體來說，三維探地雷達技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。這種探地雷達的技術(shù)是：以多道雷達系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以大量模型為核心，綜合二維斷面信息，最后形成底層三維圖象［5］。在數(shù)據(jù)處理方面，如今帶通濾波、頻率-波數(shù)濾波已發(fā)展得很成熟。現(xiàn)在研究最廣泛的當(dāng)屬反褶積及小波變換。對反褶積來說，探地雷達記錄可以看成是反射系數(shù)序列與地震子波的褶積，反褶積就是要消除這種褶積過程，從探地雷達記錄得到反射系數(shù)序列。一般說來，反褶積的目的是消除某種已知的或未知的褶積過程的運算。利用小波變換的調(diào)焦功能和頻域-時域雙重局部性來壓制噪聲是雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)的一條新途徑［6］。研究表明，雷達信號小波算子法成像具有良好的地下界面準(zhǔn)確定位功能，而且根據(jù)高頻電磁波在有耗介質(zhì)中的衰減特性，在精確校正電磁波振幅衰減和相位偏移的基礎(chǔ)上，利用時變反褶積和小波去噪可以得到高分辨率的探地雷達圖像。參考文獻王正成，譚巨剛，紀(jì)勇鵬,.地質(zhì)雷達在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用[R]2005.龔倫,仇文革，王飛?地質(zhì)雷達在隧道初期支護質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[R]2005.錢榮毅，王正成，孔祥春,.探地雷達在非金屬管線探測中的應(yīng)用[R]2005.FaizeandA.Driouach,GPRSurveyattheArchaeologicalSiteofAlmazamma,AlHoceima(Morocco)[D]，InternationalJournalofEngineeringScienceandTechnology(IJEST)，2003，M.STOUTI.1-2