第五章地质雷达

5探地雷达探测技术地质雷达法、探地雷达法GPR（Ground-Penetrating-Radar），Geo-radar,GeoProbingradar它是一种对下的或结构物内部不可见的目标体或分界面进行定位或判别的电磁波探测技术一、基本原理高频电磁波以宽频带短脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，由接收天线所接收。因为它是从地面向地下发射电磁波来实现探测目的，所以又称探地雷达，高频电磁波在介质中传播时，其传播路径、电磁场强度与波形将随通过介质的电性特征与几何形态而变化。因此，通过对时域波形的采、处理和分析，可确定地下分界面或地质体的空间位置及结构。探地雷达工作原理示意图天线雷达可测量信号到达目标的传输时间利用估算的传播速率计算出目标的距离当满足下面条件时，隐蔽物可由雷达探出：在天线信号范围之内信噪比适当时间x天线时间x测深和分辨率与以下几个因素有关：天线频率、发射功率、传播介质的电磁特性、目标物的形状和大小当目标物与扫描方向垂直时当目标物与扫描方向平行时在雷达图中经常会形成一“线状图型”(当在目标物的顶部扫描时)在雷达图中总是会形成一“双曲线图案”所以，需要在横向与纵向两个方向进行扫描超高频电磁波（10MHz－5000MHz）由于地下介质往往具有不同的物理特性，如介质的介电性、导电性及导磁性差异，因而对电磁波具有不同的波阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下各地层或管线等目标体时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲其传播路径、电磁波场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料，可以推断地下介质或管线的埋深与类型。高分辨率无损性高效率抗干扰能力强特点：VzXtR/)4(2/122脉冲旅行时：•Hulgmeyer,1904首次使用电磁信号来确定地下金属目标体的存在•Leimbach,Lowy1910,用电磁波定位埋藏的物体（专利）•Hulsenbeck：脉冲技术确定地下物体的结构，地表下任何介电常数的变化将导致电磁波的反射•A.P.Annan二、雷达技术的研究及探测仪器的发展•加拿大Sensor&SoftwareInc.,EKKO(Noggin)系列•美国GSSI，SIR系列•瑞典MalaGeoscienceInc.,RAMAC系列•意大利IDS,RIS系列EKKO100增强型EKKO1000型Noggin250型EKKO系列SIR3000型（最新）匹配天线SIR系列3207型5103型5100型NextGSSI自行生产的天线Subecho70型屏蔽天线900型屏蔽Subecho200型Radarteam定制的天线X3M型RAMAC系列匹配天线屏蔽天线100型非屏蔽天线100型非屏蔽天线200型RIS-2K/ME型（多道）RIS系列RIS-2K/0型（单道）北京爱迪尔公司的CBS-9000型地质雷达及天线三、野外数据优化采集1.主要技术参数1.1雷达方程fW21.2探测距离探测距离与选用的天线的发射功率、天线频率、地下介质的相对介电常数、电导率相关，频率低，发射功率大，介质电阻率高，探测深度大。地下介质相对介电常数电导率(ms/m)雷达波速（m/ns）衰减系数（dB/m)空气100.30淡水800.50.0330.1海水80300000.011000干砂3-50.010.150.01饱和砂20-300.1-100.060.03-0.3石灰岩4-80.5-20.120.4-1泥岩5-151-1000.091-100粉砂5-301-1000.071-100粘土5-402-10000.061-300花岗岩4-60.01-10.130.01-1岩盐5-60.01-10.130.01-1冰3-40.010.160.01金属30010100.017108PVC材料3.31.340.160.142/h1.3分辨率（分辨最小异常体的能力）垂向分辨率：区分一个以上反射界面的能力四分之一波长水平分辨率：在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸λ——电磁波波长H——目标体埋深2.野外信号采集方式2.1剖面法（反射观测方式）2.2透射法柱墙楼板发射天线接收天线2.3宽角法（共深点法，CDP）用于求取表层土的电磁波传播速度地面地面3天线极化方向（偶极天线，优选极化方向，天线剖面垂直于目标体走向的原则）垂直垂射雨水管水泥路面测线起始点北楼汇文楼关于天线分离距及其天线排列方向的现场试验0.8m0.4m1.6m1.2m0.40.81.24.探地雷达图像的数字处理技术•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、中值波波等增益调节：AGC、SEG、Const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：图像的三维可视化、智能解释功能•自动补偿增益（AGC）•球面指数增益（SEC）•常数增益•用户自定义5.探地雷达图像的解释方法地下介质电性分布几何分布已知资料波形特征分析5.1时间剖面的对比原则拾取反射层，依据勘察孔进行对比，建立各种地层的反射波组特征；只要地下介质存在电性差异，就可在雷达剖面上找到相应的反射波。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5.2干扰波的雷达图像特征如何识别干扰波与目标体的图像特征非常关键干扰信号在实际探测工作不可避免1)地面干扰地面架空电线（双曲线）测线附近的金属物（强振幅、密集的反射波组）地面上的砾石（多次反射，局部强振幅回波）测绳和皮尺（典型的“X”型干扰）2)地下异常的多次波在地质体与地表面来回反射，严重影响目标体的反射波信息，波形杂乱，不规则。5.3常见特殊地质体的雷达图像特征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中砂岩及粗砂岩粘土层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5.4常见地下目的物的雷达图像特征1)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，不同的材质的管线的反射波特征不同：金属管：介电常数大，导电率极强，衰减极大，金属管顶反射出现极性反转，无管底的反射信息非金属管：管顶无极性反转，有可能出现管底信息，管内是否充水，其波形特征亦不同，若充水，则亦出现波形的极性反转管线的半径越大，反射弧的曲率半径就越大陶瓷PVC金属电缆污水管2)防空洞、地下室及污水箱涵极强的反射振幅反射波的极性反转6.探地雷达的应用公用事业管线的探测地质调查考古研究排雷垃圾填埋场的影响冰层的调查矿山巷道及隧道衬砌的探测大口径管道、合流污水管道的渗漏探测道路质量检测专用高速公路路面垫层质量检测雷达系统地表沥青层首层分界面二层分界面分界面顶层路基塌陷段钢筋检测裂缝探测海底结构调查钻孔雷达三维成果显示PIPEGPRV2.3