地质雷达在工程检测中的应用

地质雷达在工程检测中的应用单位：中铁十七局沪昆客专作者：陈胜伟内容提要地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是利用超高频宽频带（1MHz~1GHz）短脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法。

地质雷达采用一个天线发射高频宽频带电磁波，而另一个或多个天线用来接收来自地下介质界面的反射波的方法来进行勘察工作的。

由于电磁波在介质中传播时，其路径，电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质和几何形态而变化，因此，根据接收到波的双程走时、幅度与波形资料，可以推断介质的分布和结构。

由于探地雷达的工作频率很高，所以在介质中传播的高、宽频电磁波很少频散，传播速度基本上由介质的介电性决定（所谓频散现象是指波在介质中的传播速度是频率的函数，即速度随频率而变）。

而且探地雷达由于工作频率很高，所以其分辨率也相当高。

随着频率的提高，分辨率会提高，但是探测深度将会减少；随着频率的降低，分辨率会降低，但探测深度将会增加。

所以在实际应用中，我们要选一个适当频率的天线很重要，以保证达到工程的要求并能取得良好的效果。

关键词:地质雷达介电常数滤波采样率1.1 地质雷达的应用领域：1.1.1工程场地勘察地质雷达最早用于工程场地的勘查，包括重要工程场地、铁路与公路路基，用以解决松散层分层和厚度分布，基岩风化层分布，以及节理带断裂带等问题。

有时也用于研究地下水水位分布，普查地下溶洞、人工洞室等。

但由于受自身原理等因素影响,其探测深度还目前还不能满足大多数工程场地的勘察需要。

1.1.2埋设物与考古探察考古是地质雷达应较早的领域，利用雷达探测古建筑基础、地下洞室、瓷器、金属物品等，在国内外有很多成功的例子，如意大利罗马遗址考古、中国三星堆、长江三峡库区考古等项目都应用了雷达技术。

1.1.3 工程质量检测工程检测近年应用领域急速扩大，特别是在中国的重要工程项目中，质量检测广泛采用雷达技术。

铁路公路隧道衬砌、高速公路路面、机场跑道等工程结构普遍采用地质雷达检测。

用于检测衬砌厚度、脱空和空洞、渗漏带、回填欠实、围岩扰动等问题。

检测厚度精度可达厘米级。

由于雷达检测具有分辩率高、数据采集方便快速、可信度高等优点,因而其应用也最广,技术最成熟。

1.1.4 金属矿化带勘查对于浅层的金属矿化带、断层蚀变带以及掌子面附近的金属矿化带，可以用地质雷达探测。

矿化带金属及氧化物、硫化物富集，电磁性质差异明显，电磁波反射清晰，可为找矿体供参考。

1.1.5 隧道超前预报为保证隧道施工中的人员、设备安全，保证工期和质量，节约经济投资，需要进行隧道地质超前预报。

目前的超前预报主要是采用地震(TSP)、雷达探测与地质研究相结合的办法。

TSP预报掌子面前100m左右，地质雷达预报20-30m范围内。

1.1.6 地下管网探测在现今城市改造中，经常需要了解地下管网，如电力管线、热力管线、上下水管线、输气管线、通信电缆等，这对于地质雷达是很容易的。

不但可探测到水平位置分布，还可以确定其深度，得到三维分布图。

1.2 国内外地质雷达技术的发展现状随着科技的不断发展和提高,同时为了满足在工程中的巨大需求,地质雷达技术在欧美地区很受重视，技术也日趋成熟,每年都召开国际讨论会，同时由于国内的实际需要，地质雷达技术也取得了很大的发展。

下面简单介绍一下主要的雷达生产厂商和产品。

GSSI公司成立于1970年，1990年加入OYO集团，首先推出SIR-10型雷达，1994年推出SIR-20型雷达，上世纪末本世纪初推出了SIR-20, 最近又推出体积更轻便小巧的SIR-3000。

美国PLUS RODAR公司的PLUS RODAR Ⅴ型路用雷达，采用空气耦合双及型天线，有250MHz，500MHz、1GHz、2GHz多种型号。

同时可安装4个不同频率的天线，测量速度可达110km/h。

意大利意锐（IDS）公司生产的RIS-2K/MF雷达（北京博态克公司代理），多通道雷达。

IDS公司具有多年国防及卫星雷达经验，民用始于20年前，意大利电信在安装光纤前需探测地下目标，提出了极其严格的要求，IDS公司为此研制出RIS-2K/MF雷达系统。

目前配置的天线的频率有80、100、150、200、400、600、1200、1600MHz。

加拿大的Sensors&Software公司生产的Pulse EKKO系列地质雷达在上世纪初就进入了中国(雷迪公司代理)，早期产品为Pulse EKKO Ⅳ，接着有功能改进的Pulse EKKO 100。

该仪器的特点是接收与数字采样都放在天线中，通用光纤与笔记本电脑通讯，笔记本电脑作为记录器，抗干扰性强。

但联线太多，野外使用不太方便。

瑞典生产地质雷达较早，上世纪80年代中期，ABEM公司就生产井下透射雷达，到现在工程探测及检测雷达及各类天线齐全。

瑞典的MALA GEOSCIENCE公司，丹麦的依可-丹公司，也都生产探地雷达。

国内在上世纪80年代就开始地质雷达的研究工作，主要是为了煤矿安全，重庆煤研所在很多煤矿进行了试验，采用模拟信号、屏幕显示技术，不是数字雷达。

90年代初外国雷达进入中国后，电子部22所和航天部爱迪尔公司也先后开始数字化雷达的研制，分别推出了自己的产品。

90年代末和本世纪初骄鹏公司与矿大研究生院也分别研制出自己的产品。

爱迪尔公司推出的CIDRC道路检测雷达，天线中心频率750MHz、1000MHz、2000MHz,并配有层位追踪软件，适合公路路面测量。

后有开发出CBS-900探地雷达一体化机，配有高频、中频和低频天线，10MHz—2GHz系列。

用于混凝土结构、路面、工程场地等各种测量。

上世纪90年代中期，电子部青岛22所原在河南新乡时就研制出LTD-3型探地雷达，配有80MHz-1000MHz屏蔽型天线和25MHz-2000MHz非屏蔽性天线，并配有分析软件，用于混凝土结构、路面、工程场地等各种测量。

其软件最早采用小波分析方法，效果很好。

骄鹏公司的GEOPEN型地质雷达推出的比较晚，但一体化和造型设计在国内是最好的。

光纤传输，25MHz--400 MHz中低频天线，250MHz-2000 MHz中高频屏蔽天线。

并有GRIM型井间雷达系统，一次可采集多频信号，0.5-32MHz。

2.地质雷达基本原理地质雷达是一种采用高频电磁波（中心频率可从几十兆赫至几千兆赫）以宽频带短脉冲（脉冲宽度小至1～2ns）和高速采样技术（采样间隔可达小于1ns）的一种新型的物探方法，用于确定地下介质分布。

它利用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的电磁波。

电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形随所通过的介质的电性质及几何形态变化。

因此，根据接收到波的旅行时间、幅度与波形资料，可以推断介质的结构。

当地质雷达方法采用自激自收的天线和地层倾角不大时，反射波的全部路径几乎是垂直地面的。

因此，在测线不同位置上法线反射时间的变化就反映了地下地层的构造形态。

同时由于探地雷达的工作频率高，在地质介质中以位移电流为主。

因此，高频宽频带电磁波的传播，实质上很少频散，速度基本上由介质的介电性质决定。

因此，电磁波传播理论与弹性波的传播理论有许多类似的地方，两者的波动方程形式一致（波动方程中代表的物理意义不同）。

电磁波的传播遵循反射定律和折射定律，反射波返回地面由接收天线所接收，形成雷达图象信息。

2.1 工程介质中电磁波的传播理论电磁波是交变电场与磁场相互激发在空间传播的波动。

工程介质中电磁波的传播依然满足麦克斯韦方程。

为清楚地理解雷达检测理论基础，需要对介质中的电磁场、电磁波的传播、波速、衰减、反射与折射的理论有一个基本的了解。

2.1.1 电磁场与电磁波的传播方程岩土、混凝土、钢筋、铁板、水、空气等为常见的工程介质，前两者电导较小，中间两者为良导体。

在这些介质中电磁波传播的麦克斯韦方程为：▽×E=-μH t’▽×H=εE t’+ζE▽·E=0▽·H=0通常介质的介电常数ε、磁导率μ都是电磁波频率的函数。

式中E为电场强度矢量，H为磁场强度矢量，ζ为介质的电导率。

不失一般性，满足上述麦克斯韦方程的、沿X方向传播的频率为ω的平面电磁波，其电场强度与磁场强度的表达式为：E(x,t)=E o e-αx+i(βx-ωt)H(x,t)=H o e-αx+i(βx-ωt)2.1.2 介质中的电磁波速与能量衰减特性描述电磁波传播特性的波矢量k为复数：k=β+iα, β描述波传播的相位，称为相位常数；α描述波幅的衰减，称为衰减常数，它们是介质的性质。

相位常数与衰减常数与介质电磁参数及频率的关系如下：β=ω（με）1/2[（（1+ζ2/ω2ε2）1/2+1）/2]1/2α=ω（με）1/2[（（1+ζ2/ω2ε2）1/2-1）/2]1/2根据介质的电磁性质，分三种情况对上式进行讨论。

对于低电导介质，满足ζ<10-7S/m，ζ/εω《1，此时相位常数、衰减常数和电磁波速V为：β=ω（με）1/2α=ζ（μ/ε）1/2V=ω/β=（1/με）1/2上式说明对于低电导介质，电磁波速与介电常数和磁导率的平方根成反比。

对于非铁磁性物质，导磁率为1。

衰减常数与电导率成正比，与介电常数的平方根成反比。

说明电磁波能量的衰减主要是由于感生涡流损失引起的。

对于高电导介质，满足ζ>10-2S/m，ζ/εω»1，此时相位常数、衰减常数和电磁波速V为：β=α=（ζμω）1/2V=ω/β=（ω/ζμ）1/2上式说明在高导介质中，波速与频率的平方根成正比，与电导率的平方根成反比，波速是频率和电导率的函数，波速很低。

如对于铜，电导率为5*107，在100MHZ时波速为3.5m/s；对于1GHZ的频率，电磁波速为11m/s。

这一速度与空气及岩土介质中的电磁波速相比，可以认为导体中的电磁波速为0。

也就是说，在导体中电磁波很难传播。

通常用波幅降至原值的1/e的传播距离称为穿透深度δ：δ=1/α=（2/ζμω）1/2该式说明穿透深度与电导率和频率的平方根成反比。

在100MHz频率下，对于铜的穿透深度仅为0.7*10-3cm，局限于表面。

在空气中电场与磁场的幅值是相等的，且两者相位相同。

而在导体中磁场强度比电场大，相位滞要后电场45°，这些都与感生电流有关。

（μ/ε）1/2|H/E|=（ζ/ωε）1/2》1对于中等电导的介质，满足 10-7S/m<ζ<10-2S/m，对于100MHz-1.0GMHz频段，10-16<ζ/ωε<10-11〈〈 1电磁波的传播条件依然很好，与低电导介质基本相同。

2.1.3 结构介质中电磁波的反射与折射地质雷达探测主要是通过记录反射波来研究地下介质结构，因此深入研究电磁波在介质界面的反射与折射规律是十分重要的。