RIS 地质雷达

1RIS探地雷达一、概述博泰克RIS探地雷达在兼具了传统探地雷达各项优点的同时，增添了高灵敏度、高分辨率的天线阵，使浅层和深层探测一次完成，实现了三维立体探测，大大提高了工作效率，具有数据采集完整、快速、低误差等特点。适用于公路路面、隧道衬砌质量的检测、桥梁结构检测、路基检测、管线探测、岩性分析和条件恶劣场地的应用。使用博泰克RIS天线阵雷达进行公路和隧道检测如图8-1所示。图8-1RIS探地雷达二、RISK2主机技术参数1、扫描速度：850扫/秒2、脉冲重复频率：400KHz3、时窗：9999nsec4、采样点数：128-81925、叠加数：1-327686、分辨率：5psec7、工作温度：－10～50℃8、A/D转换：16bit9、工作环境标准：IP6510、动态范围：160dB11、信噪比：160dB12、可连接8对天线同时测量13、尺寸：22x17x5.5cm，重量：1.2kg现场测量开始前应该对雷达的采集参数进行设定，这一工作最好在进入现场前在室内完成，进入现场后可根据情况略加调整。参数设定的内容包括时间窗口大小、扫描样点数、每秒扫描数、Ａ／Ｄ转换位数、增益点数等内容。参数设置的是否合理影响到记录数据的质量，至关重要。★探测深度与时窗长度探测深度的选取是头等重要的，既不要选得太小丢掉重要数据，也不要选得太大降低垂向分辨率。一般选取探测深度H为目标深度的1.5倍。根据探测深度H和介电常数ε确定采样时窗长度（Range/ns）：2Range=2H(ε)1/2/0.3(ns)=6.6H(ε)1/2(ns)例如对于地层岩性为含水砂层时，介电常数为25，探测深度为3m时，时窗长度应选为100ns，时窗选择略有富余，宁大勿小。★A/D采样分辨率：雷达的A/D转换有8Bit、16Bit、24Bit可供选用。选择24Bit动态大，强弱反射信号都能记录下来，探测深度大、时窗长时采用。16Bit，动态中等，中高频天线、探测2-5m时采用；选择8Bit动态小，采集速度快，探测深度小于1m、时窗小时采用；★扫描样点数扫描样点数Samples/Scan有128、256、512、1024、2048/scan可供选用，为保证高的垂向分辨，在容许的情况下尽量选大。对于不同的天线频率Fa、不同的时窗长度Range，选择样点数Samples应满足下列关系：Samples≧10-8*Range*Fa该关系保证在使用的频率下一个波形有10个采样点。例如对于900MHZ天线，40ns采样长度的时窗，要求每扫描道样点数大于360Sanples/Scan，可以选择接近的值512。对于100MHZ天线，500ns采样长度，样点数应大于500Sanples/Scan,可以取512或1024。样点数大对提高资料的质量有利，但耗时较大，影响前进速度。★扫描速率Scans/S：扫描速率是定义每秒钟雷达采集多少扫描线记录，扫描速率大时采集密集，天线的移动速度可增大，因而可以尽可能的选大。但是它受仪器能力的限制。对于一种类型的雷达，他的A/D采样位数、扫描样点数和扫描速度三者的乘积应为常数。当扫描速率Scans/s决定后，要认真估算天线移动速度TV。估算移动速度的原则是要保证最小探测目标（SOB）内只少有20条扫描线记录：TV≦Scans*SOB/20采集速度=（1/天线数量）*道间距/（脉冲间隔时间+采样点数/A/D转换速度）在上式中，天线数量一般为连接的天线数量，Fastwave的脉冲间隔时间为100毫秒，K2和SRS的脉冲间隔时间为270毫秒。A/D转换速度为采集电子的速度，Fastwave主机的为400KHz，SRS为200KHz，K2为133KHz。3例如探测目标最小尺度为10cm、扫描速率64Scans/s时,推算天线运动速度应小于32cm/s，相当于0.5cm/scan。如果最小目标为0.5m,则天线移动速度可达1.5m/s。★增益点数的选择：增益点的作用是使记录线上不同时段有不同放大倍数，使各段的信号都能清楚的显现出来，增益点的位置最好是在反射信号出现的时段附近。SIR型雷达设计的增益点从2到8个，时窗短时选2点增益，时窗长时选4或5足以。点之间的增益是线性变化的，增益的变化是平滑的。增益大小的调节是使多数反射信号强度达到满度的60%-70%，增益太大将造成削顶，增益太小将丢失弱小信号。★滤波设置：滤波设置是为了改善记录质量。滤波分垂向滤波和水平滤波。垂向滤波分高通和低通，高通频率选为天线频率的1/6，高于这个频率的信号顺利通过，相当于带通滤波器里的低截频率。垂向低通频率选为天线频率的2倍，低于该频率的波顺利通过，相当于带通滤波器里的高截频率。水平滤波分水平平滑和背景剔除，目的是消除仪器和环境的背景干扰。水平平滑通常取3道平滑，背景剔除功能只在回放时起作用。★选择合适的采集方式：雷达的采集方式有多种，对RIS仪器有连续采集、逐点采集、控制轮采集。连续采集是最常用的采集方式，具有工作效率高的特点，便于界面连续追踪。逐点采集一般在表面起伏变化大的情况下采用，或是使用低频拉杆天线时采用。控制轮采集是通过控制论行走为记录打标记，资料位置标记均匀准确，一般在表面平整的机场跑道、高速公路路面等场合采用。★选择适宜的显示方式：雷达显示是现场观察探测结果的只管展示，仪器预设了几个可供选择的彩色显示方式，可以根据不同对象选用，通过比较选择效果最好的方案。显示方案的振幅分成16等级，正幅值8级，负值8级。对16级的不同分法形成了三种显示方案。第一种方案是线性分割，第二种方案是平方根分割，第三种方案是按平方分割。第一种方案在大多数情况下采用，第二种方案在要求突出弱信号时采用，第三种方案在需要反映主要强反射界面时采用。★正常数据采集工作程序正常数据采集工作中并非每次都需要对所有仪器参数进行重新设置。雷达仪器有记忆，上次设定的采集参数仍在起作用。同时硬盘上存有不同天线对应的参数文件，可以根据需要调用。如果某些参数需要修改，可以调出来修改。应该特别注意下列几点：a核定采样窗口长度；b.核定增益点设置；c.确定采集时硬盘写打开；4d.选择显示效果；三、结构及工作原理RIS探地雷达系统分三部分：主机、天线、后分析软件。1、结构1）主机：如图8-2所示。雷达主机是对采集信号进行控制和处理中心，它通过网络和笔记本电脑连接，具先进的设备状态诊断功能，在现场的使用极为方便；博泰克RIS雷达有单通道和多通道型号主机，使用时可依照自己的工作需要进行选择。加上其不间断供电系统，一次可以完成几百公里长度的探测。主机自带的现场采集软件可以自动调节雷达波形、增益等参数（也可选择手动调节），使探测工作最大程度的减少了人为影响。图8-2主机主机特点：1、全中文界面，主机操作简单2、现场准确定位各种缺陷位置3、极高的扫描速度和脉冲重复频率4、主机体积小、重量轻，坚固耐用5、高信噪比、高精度、高分辨率6、可以兼容所有RIS系列的天线和天线阵2）天线：如图8-3所示。天线是用来发射和接收高频电磁波信号的装置，RIS雷达天线的中心频率从10MHz~2.5GHz不等；天线频率的不同，其探测深度和分辨率相应改变。高质量的天线保证了高分辨率的探测精度，由于博泰克RIS雷达天线采用了目前国际上领先的屏蔽技术，尽可能避免了其它干扰信号，得到清晰的雷达波形图，使微弱的细微信号和深部信号不再被强烈的干扰信号所压制，从而提高了探测灵敏度。天线包括以下四种类型：屏蔽天线：具有目前世界上最低频率的屏蔽天线(80MHz)，在市区等要求抗干扰能力很强的地方，需要进行深部探测时，具有无可比拟的优势。非屏蔽天线：频率有10MHz，25MHz，40MHz等，用于地质、水文等方面。5天线阵系列：RIS雷达具有世界领先的天线阵技术，即把相同或不同频率的天线，通过特定的组合方式排成阵列形式。其优点是：增加了探测角度，提高探测概率，探测速度快。井中天线：可深入井中数百米，用于井间CT扫描。天线特点：1、同频率体积小、重量轻2、探测精度高、屏蔽性能好3、先进的天线阵技术大大提高了探测精度与效率图8-3各种天线3）后分析软件后分析软件是将主机处理和存储的雷达信号，根据不同特点进行各种处理，如去除干扰信号、对被测物体进行切片、信号再处理等，并将探测数据链接到CAD制图，对被测物体进行三维立体显示，自动绘制路面、隧道衬砌分层图、公路、铁路路基图、管线三维立体分布图、岩性分层图、分类图等，可自动或手动分析得出各层的实际厚度，在雷达图上加注钻孔取芯实际效果，对不同介质的分层设置不同的雷达波速，从而得到更精确的分层厚度，并可以直接把探测结果导入地理信息系统，方便实现查询、统计、输出等功能，从而更精确、更方便的进行管线探测和数据管理。软件安装在windows界面下，友好的人机对话，对非雷达专业的探测者，提供了最大的帮助。如图8-4所示。图8-4后分析软件6RIS软件的特点：①立体结构综合分析软件能够把处理过的雷达数据存储在数据库中，通过CAD自动链接软件IDSGEOMAP，把处理过的雷达信息导入到CAD中，自动绘制三维图形。②数据分析及分层绘图软件具有以下特点：a.自动或手动精确划分不同材料组成的层面b.自动添加图符说明（该功能能为用户提供报告很有帮助）c.在雷达图上显示实际钻孔取芯的结果，并可据此调整雷达波的波速，同时自动进行速度评估。③岩性分析软件是目前世界上唯一一个能够进行土壤识别的软件，包含先进的“样品识别”算法，内部包含一个完全的土壤样品的数据库，能够自动对雷达图进行处理和识别，然后和数据库相比，以得到准确的分类结果；能够同时显示普通的雷达截面图，水平切片图、分层图、土壤识别彩色图等。应用于路基检测、非开挖技术、地质分析等领域。2、工作原理探地雷达作为无损检测的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点。根据电磁波在有耗介质中的传播特性，探地雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波(几MHz-几GHz)，当其遇到不均匀体(界面)时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定，通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的(见图8-5)。雷达图双曲线数据采集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：1.在天线信号范围之内2.信噪比适当7图8-5探地雷达工作原理示意图电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的，因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差ΔT，即可据下式算出地下异常的埋藏深度H：HVT2（8-----1）式中，H即为目标层厚度；V是电磁波在地下介质中的传播速度，其大小由下式表示：VC(8-----2)式中，C是电磁波在大气中的传播速度，约为3×108m/s；ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数r可表示为：2121r(8-----3)式中，ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。导电率越高，穿透深度越小；中心频率越高，穿透深度越小，反之亦然。四、仪器操作方法和步骤：1、连接1）RIS主机电池接口和网线接口，如图8-6所示。8图8-6主机结构2）RIS主机测量轮及雷达天线接口，如图8-7所示。图8-7主机结构2、软件可以自动调节雷达波形、增益等参数1）K2使用流程：K2是RIS雷达系统的的最新一代采集软件，安装在笔记本电脑上,现在将其基本使用流程归纳如下：双击K2图标，打开采集软件，在屏幕右侧的Configuration当中选择所使用的雷达，并可以设置基本参数，包括时窗（range）,每秒采样数（samplesperscan），波速（propagationspee）d,也可以进一步修改天线的驱动程序，包括采样间距等等。在newsurvey菜单下，可以在surveyname下选择要