13第3篇 探地雷达

返回返回成都理工大学信息工程学院4.5探地雷达探地雷达（GroundPenetratingRadar简称GPR）是用频率介于106～109Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种方法。对称振子型调幅脉冲时域探地雷达输出功率大，能实时监测测量结果，设备可做成便携式等优点，在商用地面探地雷达中，已得到广泛应用。下面主要介绍这种探地雷达。返回返回成都理工大学信息工程学院4.5.1脉冲时间域探地雷达的基本原理脉冲时间域探地雷达利用超高频短脉冲电磁波在地下介质中的传播规律来探测地下介质的分布。因为①任何脉冲波都可以分解成不同频率的单谐波；②对称振子型、发射和接受天线间距离很小。因此电偶极源产生的单谐电磁波场及传播特征是探地雷达的理论基础。4.5.1.1电偶极源的电磁场1、均匀介质中的电磁场返回返回成都理工大学信息工程学院水平电偶极子源在主剖面中的辐射场为rxrepHrzrepHrepEikryikrxikry4k4k42（2.4-25）特点：在主剖面中，电场和发射天线（偶极子轴）方向平行，而磁场与圆心位于原点的同心圆的切线方向一致。返回返回成都理工大学信息工程学院1．电磁波在介质中的传播速度探地雷达测量的是地下界面的反射波的走时，为了获取地下界面的深度，必须要有介质的电磁波传播速度v，其值为2/12)]1)(1(2[v（2.4-27）返回返回成都理工大学信息工程学院绝大多数岩石介质属非磁性、非导电介质，常常满足1，于是可得rcv（2.4-28）式中c为真空中电磁波传播速度，rm/ns;3.0c为相对介电常数。上式表明对大多数非导电、非磁性介质来说，其电磁波传播速度主要取决于介质的介电常数。返回返回成都理工大学信息工程学院2．电磁波在介质中的吸收特性吸收系数决定了场强在传播过程中的衰减速率，探地雷达工作频率高，在地下介质中以位移电流为主，即1/，这时的近似值为2（2.4-29）即与导电率成正比，与介电常数的平方根成正比。返回返回成都理工大学信息工程学院表2.4.2列出了一些常见介质的相对介电常数、导电率、传播速度与吸收系数。注意高阻与低阻介质的r、、、的不同。表2.4.2介质相对介电常数r、导电率、速度与吸收系数媒质rmS/m)()m/ns(dB/m)(空气100.30淡水800.50.0330.1海水8031040.01103干砂3~50.010.150.01饱和砂20~300.1~1.00.060.03~0.3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返回返回成都理工大学信息工程学院垂直极化波（电场矢量垂直入射面）在界面的反射与折射：电磁波在跨越介质交界面时，紧靠界面两侧的电场强度和磁场强度的切向分量分别相等，则得ttrriitriHHHEEEcoscoscos（2.4-30）返回返回成都理工大学信息工程学院令itirEETEER/,/1212，分别表示波从介质1入射到介质2时界面的反射系数和折射系数。)sin/(coscos2)sin/(cos)sin(cos2212222212iiiiiiinTnnR（2.4-31）其中n表示折射率，*11*22/n。返回返回成都理工大学信息工程学院下面讨论不同入射角时，反射系数12R与折射系数12T的变化规律。1．0i，即垂直向射，此时)1/(2);1/()1(1212nTnnR。当1n时，012R，112T；rE与iE反向，rH与iH同向。当1n时，则与上述情况相反。返回返回成都理工大学信息工程学院2．90,sintin。于是折射波沿界面在介质2中“滑行”，并折向第1介质，而无向下传播的波。这时的入射角称为临界角c。目前常用的时域探地雷达测量方式有剖面法和宽角法两种。返回返回成都理工大学信息工程学院l．剖面法与多次覆盖（1）剖面法剖面法是发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。（2）多次覆盖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量．然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。返回返回成都理工大学信息工程学院2．宽角法或共中心点法222224vhvxt（2.4-36）利用宽角法或共中心点法测量所得到的地下界面反射波双程走时t，由公式（2.4-36）就可求得到地层的电磁波速度。返回返回成都理工大学信息工程学院4.5.2.2探地雷达的技术参数1．分辨率分辨率是方法分辨最小异常体的能力。分辨率可分为垂向分辨率与横向分辨率。（1）垂向分辨率一般把地层厚度b=λ／4作为垂直分辨率的下限。（2）横向分辨率返回返回成都理工大学信息工程学院2/hrf（2.4-37）2．探测距离与探距方程]lg[10minTsWWQ（2.4-38）返回返回成都理工大学信息工程学院雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗Q可由雷达探距方程来描述。)64lg(104342regGGQrrtrt（2.4-39）满足Qs+Q0的距离r，称为探地雷达的探测距离，亦即处在距离r范围内的目的体的反射信号可以为雷达系统所探测。返回返回成都理工大学信息工程学院4.5.2.4探地雷达测量的设计1．目的体特性与所处环境分析（1）天线中心频率选择（2）时窗选择（3）采样率选择（4）测点点距选择（5）天线间距选择返回返回成都理工大学信息工程学院4.5.3探地雷达的数据处理与资料解释4.5.3.1探地雷达的数据处理数字记录的探地雷达数据类似于反射地震数据，反射地震数字处理许多有效技术通过某种形式改变均可以应用于探地雷达资料的处理。返回返回成都理工大学信息工程学院4.5.3.3探地雷达的资料解释方法（补充速度的求取）1．时间剖面的解释方法（1）反射层的拾取（2）时间剖面的解释2．资料解释的专家系统介绍(1）对雷达图像信息进行反褶积处理。（2）利用自动识别系统（3）根据专家领域知识进行地层性质判别返回返回成都理工大学信息工程学院4.5.4探地雷达的应用4.5.4.1在工程地质勘察中的应用1．基岩面的探地雷达探测广州××花园。第四系地层覆盖在基岩（灰岩）上。第四系地层为淤泥、粉质粘土与砂，比较松软；其下为灰岩，有较高的承载力。建筑物拟采用预制桩桩基础。图2.4.34为该场地地层的探地雷达图像，图2.4.34灰岩与覆盖地层的探地雷达图像返回返回成都理工大学信息工程学院2．岩溶地区的探地雷达探测岩溶（又称喀斯特）是指碳酸盐岩等可溶性岩层受水的化学和物理作用所产生的沟槽裂隙和空洞，以及由于空洞顶板塌落使地表产生陷穴、洼地等现象和作用的总称。（1）节理裂隙岩溶图2.4.36为湖北黄石某地裂隙溶蚀带的探地雷达图像。图2.4.36裂隙岩溶的探地雷达图像返回返回成都理工大学信息工程学院（2）溶蚀沟槽灰岩长期出露地表时，其表面遭受风化后强度降低。灰岩表面地形变化剧烈的地方，会由于地表的大径流，使其表面受强烈侵蚀而形成溶沟、溶槽。图2.4.37为广州花都市某处溶蚀沟的探地雷达图像。图2.4.37溶蚀沟的探地雷达图像返回返回成都理工大学信息工程学院4.5.4.2在地基基础施工中的应用1．探地雷达在桩基础施工障碍成因调查中的应用图2.4.39为基岩破碎带的探地雷达图像特征。图2.4.39基岩破碎带探地雷达图像返回返回成都理工大学信息工程学院（2）桩基础下异常性质判断本场地为紧靠长江的滩地，为防洪在地表下填充了大量杂填土。当杂填土中存在建筑垃圾等杂物时，便形成了与周围介质差异极大的强、宽反射波，这类异常没能在周围测线形成有规则的排列，故定为硬性杂物，见图2.4.41（a）。当杂填土堆积比较疏松，形成杂填土中的不密实区，这类填土可能是生活垃圾等细软物质，形成同相轴杂乱的反射波，见图2.4.41（b）。图2.4.41三种地下异常的探地雷达图像返回返回成都理工大学信息工程学院（2）地下顶管前方障碍物探查图2.4.43为1#管超前探测环形剖面雷达图像，图2.4.44为1#管线地表剖面的雷达图像图2.4.431#管超前预报环形剖面雷达图像1#顶管面前方10~14.5m有孤立的接近0.3m的块石图2.4.441#管线地表剖面雷达图像