67地质雷达讲义-基本理论

铁路高新技术与应用技术培训教材工程质量地质雷达检测技术铁道部铁路继续教育高新技术基地铁道科学研究院继续教育培训中心铁路高新技术与应用技术培训教材工程质量地质雷达检测技术1目录MULU第一章探地雷达概论................................11.1概述.....................................................................................................11.2方法原理.............................................................................................41.3解释原理.............................................................................................81.4应用与发展.........................................................................................9第二章有耗媒质中电磁波的传播特性.................122.1单色水平电偶极子源的辐射场........................................................122.2岩矿石的电磁参数............................................................................142.3脉冲偶极子源....................................................................................182.4结语....................................................................................................21第三章探地雷达在探查地基和路基方面的应用错误!未定义书签。3.1探查地基方面的应用..........................................错误!未定义书签。3.2探地雷达在铁路路基检测中的应用..................错误!未定义书签。第四章隧道衬砌质量的检测..........错误!未定义书签。4.1探地雷达检测隧道衬砌的原理及技术..............错误!未定义书签。4.2探地雷达的资料处理及探查效果......................错误!未定义书签。4.3无损电测喷射混凝土层厚度的方法..................错误!未定义书签。铁路高新技术与应用技术培训教材工程质量地质雷达检测技术24.4衬砌混凝土强度的检测......................................错误!未定义书签。第五章探地雷达在公路道路检测中的应用及研究错误!未定义书签。5.1公路道路评价......................................................错误!未定义书签。5.2铁路路基雷达检测应用研究..............................错误!未定义书签。5.3一维滤波..............................................................错误!未定义书签。5.4雷达初至波的确定..............................................错误!未定义书签。5.5道路脱空雷达波数字模拟及解释策略..............错误!未定义书签。5.6基于时间窗谱剖面技术的病害解释方法研究..错误!未定义书签。5.7基于滚动谱剖面技术的病害解释方法研究......错误!未定义书签。第六章探地雷达在隧道地质预报探水中的解释资料问题错误!未定义书签。6.1地下水对雷达波的反射波的特点......................错误!未定义书签。6.2实例......................................................................错误!未定义书签。参考文献............................错误!未定义书签。铁路高新技术与应用技术培训教材工程质量地质雷达检测技术1第一章探地雷达概论1.1概述雷达探测技术用于地下，是一项提出较早的课题。然而只是在高频微电子技术以及计算机数据处理方法迅速开发的近代，这项技术才获得本质性的进展。今天，探地雷达不仅在探测装备上高度集中了现代技术领域的成就而得到了极大的改善，它的应用领域也正在迅速开拓。美国、加拿大、日本以及西欧等国正大力开发这一技术，服务业务也日益增多。有关该项技术方面的应用成果和文章，已频繁地出现在一些期刊、专门会议文集以及各种地球物理国际学术会议的报告中。1992年在芬兰召开的第四届探地雷达国际会议上，提交优秀论文45篇，并已汇集成册。目前我国也有不少部门，包括地矿、水电、煤炭、铁道等单位正在开展这一技术的试验和应用。与探空或通讯雷达技术相类似，探地雷达也是利用高频电磁脉冲波的反射探测目的体及地质现象的，只是它是从地面向地下发射电磁波来实现.探测的，故亦称之为地质雷达。将雷达原理用于探地，早在1910年就已提出，当时德国的G.Leimback和Lowy曾以专利形式阐明这一问题。以后J.C.Cook在1960年用脉冲雷达，在矿井中做了试验。但是,由于地下介质比空气具有强得多的电磁波衰减特性，加之地下介质情况的多样性，波在地中的传播特性比在空气中要复杂得多。因此，探地雷达的初期应用仅限于波吸收很弱的冰层、岩盐矿等介质中。如s.Evans1963年用雷达测量极地冰层的厚度；Harrison1970年在南极冰面上取得了穿透800～2200m的资料；1974年L.T.Procello用雷达研究月球表面结构；Unbterberger探测冰川和冰山的厚度等。随着仪器信噪比的大大提高和数据处理技术的铁路高新技术与应用技术培训教材工程质量地质雷达检测技术2应用，70年代以后，探地雷达的实际应用范围迅速扩大，其中有：石灰岩地区采石场的探测(1971年Takazi；1973年Kitahra)、二程地质探测(1974年R.M.Morey；1976年，1977年A.P.Annan和J.L.Davis，1978年01hoeft，Dolphin等，1979年Benson等)、煤矿井探测(1975年J，C.Cook)、泥炭调查(1982年C.P.F.Ulriksen)、放射性废弃物处理调查(1982年D.L.wright，R.D.Watts；1985年0.Olsson)以及地面和钻孔雷达用于地质构造填图、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测和水坝、隧道、堤岸、古墓遗迹探查等(1982～1987年加拿大、日本、美国、瑞典等报道)。随着微电子技术的迅速发展，现在的探地雷达设备早已由庞大、笨重的结构改进为现场适用的轻便工具。目前，已推出的商用探地雷达有：美国地球物理探测设备公司(GSSI)的SIR系列，微波联合公司(M/A—Com，Inc.)的TerrascanMK系列，日本应用地质株式会社(0Y0公司)的GEORADAR系列，加拿大探头及软件公司(SSI)的PulseEKKO系列，瑞典地质公司(SGAB)的RAMAC钻孔雷达系统等。这些商用的探地雷达所使用的中心工作频率在10～1000MHz范围，时窗在O～20000ns。据报道，根据不同的地质条件，地面系列的探测深度约在30～50m，分辨率可达数厘米，深度符合率小于±5cm。探地雷达由于采用了宽频短脉冲和高采样率，使其探测的分辨率高于所有其它地球物理探测手段，又由于采用可程序高次叠加(多达4000次)和多波形处理等信号恢复技术，因而大大改善了信噪比和图像显示性能。今后的趋势是向多天线高速扫描接收和进一步改善天线对各种目的体的回波响应性能，以实现更精确、小尺寸、高工效、低成本以及图像联系真实地质情况等总的要求。理论研究方面，目前仍相对地集中在信号处理上。这是因为探地雷达所接收到的信号十分复杂，脉冲在通过地下介质的过程中，波形和波幅将发生较大的变化，而脉冲余振、系统内部干扰、地表不光滑或地下介质不均匀等引起的散射以及剖而旁侧的绕射等干扰，均使得实时记录图像多变铁路高新技术与应用技术培训教材工程质量地质雷达检测技术3和不易分辨、但是当前的信号处理还只限于时问波形处理，如从单次测量结果中减去平均波形以压低噪声和杂乱回波、采用时变增益以补偿介质吸收和抑制深部噪声、用频率滤波以剔除不必要的干扰频率等。除此之外，还研究采用了聚焦技术，以集中目的体的空间向应：采用讯号增强以及预反褶积等数值处理技术，以加强近地表被强初至模糊了的反射体波形特征等。为了识别图像或对图像进行地质解释，除了在简单形体正演基础上大多采用人工判读方法外，正在开展专家系统技术的有关研究。和地震勘探工作相似，探地雷达探测体的正反演研究也正在进行之中。我国的探地雷达仪器研制始于70年代初期。地质矿产部物探研究所、煤炭部煤炭科学院重庆分院，以及一些高等院校和其它研究部门均做过探地雷达仪器研制和野外试验工作。当时使用的是同点天线，以高频示波器显示回波，直接读取初至或照相记录波形。但由于种种原因，这一技术未能正式用于实际。现在，国家地震局、水电勘测设计部门、煤炭部门、铁道部门、黄河水利委员会有关部门以及中国地质大学(武汉)相继引进了国外的仪器，探地雷达的应用和理论研究工作也正日益扩展。中国地质大学(武汉)在国家自然科学基金资助下，于1991年开始进行了探地雷达地下目的体的正反演研究工作，完成了大量的物理模拟和数值模拟的实验和计算工作，为现场应用中资料解释和进一步的理论研究奠定了基础。为配合研究工作相1990年开始，该校在短短的两年半时间内完成了8个省、自治区和直辖市5类岩土对象的30余个工程工区、包括众多地质问题的现场探测。本专辑将系统地介绍该校在理论和应用方面的最新成果。今天，可以说，探地雷达的下列技术特性已为其开拓应用领域，尤其是在工程地质领域的应用铺平了道路：(1)探地雷达是一种非破坏性的探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场。工作场地条件宽松，适应性强(对于轻便类的仪器)；(2)抗电磁干扰能力强，可在城市内各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；(3)具有工程上较满意的探测深铁路高新技术与应用技术培训教材工程质量地质雷达检测技术4度和分辨率.现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观；(4)便携微机控制数字采集、记录、存储和处理。轻便类仪器现场仅需3人或更少人员即可工作，工作效率高。当然，由于使用了高频率，电磁波能量在地下的衰减剧烈，因而在高导厚覆盖条件下，探测范围受到限制。1.2方法原理探地雷达利用高频电磁波(主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫)以宽频带短脉冲形式，田地面通过天线T送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线R所接收(图1-1)。脉冲波行程需时：/xz4t22。当地下介质中的波速v为已知时，可根据测到的精确的t值(ns，1ns=lO-9s)。由上式求出反射体的深度(m)。式中x(m)值在剖面探测中是固定的：v值(m/ns)可以用宽角方式直接测量，也可以根据/c近似算出(当介质的导电率很低时)[4]，其中c为光速(c=0.3m/ns)，为地下介质的相对介电常数值，后者可利用现成数据或测定获得。图1-1反射探测原理图1-2雷达记录示意图铁路高新技术与应用技术培训教材工程质量地质雷达检测技术5雷达图形常以脉冲反射波的波形形式