地质雷达检测原理及应用

1.5 地质雷达探测系统的组成
从左到右从上到下依次为： SIR-20主机、电缆、400M 天线、电池和充电器、打标 器、测距轮
1.6 地质雷达天线分类
空气耦合天线：主要用于道 路路面检测（具有快速便捷 的特点，但受到的干扰较 大）；
地面耦合天线：主要用于地 质构造检测，检测深度较深 （地面耦合天线能够减少天 线与地面间其他因素的干扰， 检测效果较为准确）
2.2 现场检测工作 2.2.1 仪器设备启动与参数设置 ① 连接主机与电源和天线 ② 打开主机电脑，进入采集软件 ③ 采集方式：时间模式time（也称为连续测量、自由测量）、距离模式
distance（也称为测距轮控制测量、距离测量）、点测模式point ④ 采集关键参数 （1）频率：发射天线的中心频率越高，则分辨率越高，
与探空雷达一样，探地雷达利用超高频电磁波的反射来探测目标体，根 据接收到的反射波的旅行时间、幅度与波形资料，推断地下介质的结构与分 布。
1.2 地质雷达的工作频段
1~100MHz, 低频，地质探测1-30米 100~1000MHz，中频，构造结构探测，2米 1000~5000MHz，高频, 浅表结构体探测， 50厘米
反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越大，反射 信号越强
（7世界中粒子呈无序排列的 状态，当外界电磁波穿透该 物质时，微观世界中的粒子 就会成定向排列状态，此时 会形成一个电容板，对外界 穿过的电磁波形成一定的阻 碍作用，而每种物质粒子的 排列规律不同，形成电容板 时阻碍外界电磁波穿过的能 力不同，因此各种物质的介 电常数也不同
（9）在“表格”窗口中点“剖面”选项，设置起始里程，如果里程向右减小，选中 “区域减量”。
三、地质雷达典型缺陷图形判定
3.1 隧道衬砌地质雷达正常图形界面
二衬有钢筋界面
二衬无钢筋段落钢拱架界面
3.2 隧道衬砌地质雷达典型缺陷图形判定
有钢筋段落典型脱空雷达影像
有钢筋段落典型脱空雷达影像
素混凝土段落典型脱空雷达影像
（6）介电常数DIEL（dielectric constant）:地下介质（材料）的介电常数， 基本上反映了雷达电磁波在地下介质中的传播速度，影响数据采集精度。检 测前应现场标定介电常数。
2.2.2 布设测线，隧道内部拱顶、左右拱腰、左右边墙、仰拱（也叫隧底）， 现场一般沿隧道走向布设纵向测线，依据检测方案确定测线具体位置。
1.8 地质雷达探测系统原理
（1）利用单体天线发射高 频电磁波，基于地下介质介 电常数的差异发生的反射来 判定。 （2）主机传输一个电信号 给天线端，天线发射单元将 电信号转化为电磁波发射出 去，天线接收单元接收到外 界反射的电磁波后转化为电 信号再传回主机。
（3）高频电磁波在地层中 的传播：
地质雷达无损检测 方法与应用
目录
一 地质雷达法原理介绍 二 地质雷达数据采集与处理 三 地质雷达典型缺陷图形判定
一、地质雷达法原理介绍
1.1 地质雷达法的原理 地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是利用工作频率
介于1MHZ-5000MHZ的超高频窄脉冲电磁波来确定地下介质分布的一种地 球物理探测仪器与方法。
1.7 探地雷达市场主流产品
进口地质雷达 1.美国地球物理探测仪器公司(GSSI) SIR系列 2.微波联合公司(M／A—Com，Inc．) Terrascan MK雷达 3.日本应用地质株式会社(OYO公司) GEORADAR系列 4.加拿大探头及软件公司(S&S)的Pulse EKKO系 列 5.瑞典MALA公司的RAMAC雷达系列 6.意大利IDS公司的RIS系列雷达 7.瑞典ImpulseRadar公司系列探地雷达
素混凝土段落典型脱空雷达影像， 需特别考虑此类脱空形成的原因
此页面非雷达缺陷，大家考虑一 下形成此类雷达图形的原因
3.3 道路路基路面地质雷达典型缺陷图形判定
路面以下存在 深层富水区
路面以下存 在疏松体
汇报完毕
谢谢大家!
1.3 地质雷达的应用方向
地球科学：基岩探测、土壤结构、地下水及冰 工程应用：对地下埋藏结构进行探测、道路施工质量检测，建筑物的无 损探伤，管线探测，找水等等 军事应用：探测炸弹、UXO非爆炸物等
1.4 地质雷达的优点
（1）属于无损检测方法，对被探测物体本身没有破坏 （2）适应性和抗干扰能力强，可以在各种噪音环境下工作 （3）检测方式便捷、能够快速准确探测目标体，效率高、成本低
但穿透深度越小；频率越低，穿透能力越大，但分辨率降低（主要取决 于天线，最大为100KHz ）。 （2）采样点数（ SAMPLES ） ：每根扫描曲线是由一组数据点组成，数据 点的多少称为采样点数，采样点数越多，扫描曲线越光滑，垂直分辨率越好 （一般为512或1024 ）。
（3）时窗大小：主机采集界面横坐标显示为测点数，叫做scan（或者叫做扫描 或里程桩号），纵坐标显示为时间（ns）或深度（m），依据现场实际探测需求 来设定。 （4）扫描速率（Scans/second）：每秒钟采集到的扫描数，它控制着系统的速 度，依据现场采集车辆速度来设定，例如：测试拱顶拱腰推荐速度45-70 （5）测程增益（ GAIN，分为Auto（自动模式）和Manual（手动模式）：也称 为时间增益控制或时变谱益。通过改变放大器的放大或衰减来补偿随深度变化造 成的信号强度的衰减。设置1~8节增益点。以单道电磁波波形占视窗2/3大小为 宜。
（4）右键“我的处理列表”-“新建”-“处理列表”。
（5）在列表中添加依次处理步骤：“背景去除”-“IIR 滤波”-“范围增益”-“位 置校正”-“距 离范化”。
（6）各处理步骤的参数
（7）在“表格”窗口中删除双标：打开“航点”选项，鼠标点击双标，取消对应的 用户标记。
（8）设定完所有处理参数后，点运行按钮。
2.3 地质雷达现场检测工作环境照片
2.4 地质雷达数据处理 一般各公司地质雷达产品均有配套处理软件及使用说明书，本次仅以GSSI公
司RADAN7为例做一个简要说明。
（1）将雷达文件拖入 RADAN7
（2）点击“处理列表”、“表格”和“文件头”。
（3）修改文件头中的单位/标记为 5或10
在106到109Hz之间，介电质跟粒子的关系要大一些，与频率的关系不大，受到 频率的影响较小，因此我们用不同的地质雷达天线来探测物质中不同的材质时， 介电质可以取一个值来使用。
常见物质介电常数值 （）
介电常数是介电质与空 气的一个比值（空气的介电 常数为1）
（8）地质雷达信号模拟
最左边是地质模型，中间是理想的数学模型， 左边是实测的三种波形图，对正信号的描述依次 为脉冲、正弦波、Ricker子波（正信号、负信 号），如果介质均匀，从上到下呈现一道虚线， 没有回波信号，如果不均匀，则在每个界面上都 会有一定的回波信号
2.2.3 现场采集
（1）要求施工单位安排好隧道内的交通和现场设施的清理工作，以保证检测工作的顺 利安全进行。 （2）隧道检测工作开始后：检测人员负责设备操作及测线笔记记录，施工单位技术人 员负责现场协调和配合，施工单位工人负责天线数据采集及相关工作(照明、车辆等)。 （3）检测过程中，检测人员应将现场采集过程中遇到的干扰因素进行拍照记录，以便 于后期排除干扰对数据结果的判定。 （4）检测过程中应注意仪器安全及人员安全，必须与检测车辆保持一定的安全距离。 如遇突发情况，所有人员听从检测单位现场指挥的安排，不能随意采取行动，如果是 工程问题则听从施工单位现场指挥的安排。
间t，即可据下式算出异常介质的埋藏深度h：（时间为双程时间，在计算深度的时候需除 以2）,式中，V是电磁波在介质中的传播速度，C是电磁波在大气中的传播速度，约为 3.0×108m/s（即0.3m/ns）
（6）反射系数 雷达波反射信号的振幅与反射系统成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射
系数可表示为：
对于普通的二维测试主 要通过共偏距的方式，同时 拖动发射和接收单元的方式 来测试（即拖动一体式雷达 本身），测试过程中可以得 到地下的构造信息
电磁波传播的时间为双程时间，从地表开始往下遇到界面会反射回来被接收， 电磁波在空气中的传播速度快，用时短，在地下传播的速度也快，用的时间 也短，一般用ns表示（即为10-9秒）
二、地质雷达数据采集与处理
2.1 前期准备工作 检测单位：准备好电源充足的雷达仪器设备、手电、口罩等，结合业主或质 监单位需求制定检测内容和计划，其中包括：检测部位，探测深度，剖面数 量，关心的缺陷类型，探测方式。
施工单位：配合准备工人3-4人，大型装载车一台(按我方要求电焊上检测支 架，配一名技术娴熟的司机)，提供较为详细的隧道基本技术参数，提前在 检测现场由测量人员按要求等距标上里程桩号（一般为10米/标或者5米/标）
（4）高频电磁波信号传播 形式模拟
离天线越近的区域电磁 波能量越集中，呈球面扩散； 离天线越远的区域电磁能量 越分散，呈平面扩散
一般现场测试时测线方向与钢筋、 管线的走向是相互垂直的，若同向则不易 检测出。地下金属管道波形填充为黑白黑 （负正负），水泥管道、空洞等波形填充 为白黑白（正负正）
（5）地质雷达探测剖面深度计算公式 电磁波在特定介质中的传播速度是不变的 ，因此根据地质雷达记录的电磁波传播时
1.7 探地雷达市场主流产品 国产地质雷达： 1.中国电波所LTD系列探地雷达 2.中国科学院电子学研究所得CAS系列 3.中国矿业大学的GR系列探地雷达 4.青岛中电众益智能科技公司的GER系列 5.大连中睿的ZRY系列
GSSI公司SIR系列天线 图中从左到右从上到下 依次是200M天线、 400M天线、900M天线、 低频组合天线、100M天 线、1500M天线，国内 常用100M、200M、 400M、900M天线，天 线频率越高，体积越小， 采集精度越高，采集深 度越浅，需要与地面间 的贴合更紧密