地质雷达 原理

地质雷达是目前分辨率最高的工程地球物理方法，在工程质量检测、场地勘察中被广泛采用，近年来也被用于隧道超前地质预报工作。地质雷达能发现掌子面前方地层的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力。在深埋隧道和富水地层以及溶洞发育地区，地质雷达是一个很好的预报手段。

1、基本原理

探地雷达是一种用于确定地下介质分布情况的高频电磁技术，基于地下介质的电性差异，探地雷达通过一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收地下介质反射的电磁波，并对接收到的信号进行处理、分析、解译。其详细工作过程是：由置于地面的天线向地下发射一高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性（主要是相对介电常数）界面时，电磁波一部分发生折射透过界面继续传播，另一部分发生反射折向地面，被接收天线接收，并由主机记录，在更深处的界面，电磁波同样发生反射与折射，直到能量被完全吸收为止。反射波从被发射天线发射到被接收天线接收的时间称为双程走时t，当求得地下介质的波速时，可根据测到的精确t值折半乘以波速求得目标体的位置或埋深，同时结合各反射波组的波幅与频率特征可以得到探地雷达的波形图像，从而了解场地内目标体的分布情况。

一般，岩体、混凝土等的物质的相对介电常数为4—8，空气相对介电常数为1，而水体的相对介电常数高达81，差异较大，如在探测范围内存在水体、溶洞、断层破碎带，则会在雷达波形图中形成强烈的反射波信号，再经后期处理，能够得到较为清晰的波形异常图。

在众多地质超前预报手段中，使用探地雷达预报属于短期预报手段，预报距离与围岩电性参数、测试环境干扰强弱有关。一般，探地雷达预报距离在15~35米。

2、探地雷达在勘查中的基本参数

①数电磁脉冲波旅行时

式中：z-勘查目标体的埋深；x-发射、接收天线的距离（式中因z>x,故X可忽略）；v-电磁波在介质中的传播速度。

②电磁波在介质中的传播速度

式中：c—电磁波在真空中的传播速度（0.29979m/ns）; —介质的相对介电常数，—介质的相对磁导率（一般）

③电磁波的反射系数

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：

式中：r —界面电磁波电场反射系数；—第一层介质的相对介电常数；—第二层介质的相对介电常数。

3、数据处理

雷达资料中水平波特别发育，它产生于雷达仪器本身。即使将天线对空，也会记录到回波，这回波不是来自天空，而是来自于控制器、数据线、天线的相互作用，是难以避免的。水平波具有时间相等的特点，水平滤波就是利用这一特性。滤波过程中，可将相邻的一定数量的扫描线求平均，再与个别扫描线相比较，就可消除水平波。水平滤波中选取的扫描线数越大，滤波效果越小。相反选取的扫描线数越小，滤除水平波的效果越明显。但如果水平滤波扫描线取得太少，可能会滤掉一些缓

变界面信号。因而在进行水平滤波时，要根据对象进行试验、调整，以求最佳效果。

垂直滤波中较为常用的方法有带通滤波，高通滤波，低通滤波，小波变换等。垂直滤波的目的是为了消除杂散波干扰，这些杂散波是来自于外源，不是天线自身发出的，频率不在雷达天线频带内。有时为了区分不同的地质体，选取不同的频带，都要用到垂直滤波。垂直滤波是一种数学变换，有时会带来较大的失真，滤波的频带越窄，失真越大，应用中要认真选取方法和参数。因为雷达天线的发射与接收都设定了带宽，也就是说雷达信号本身已经过滤波，所以一般资料处理中的滤波处理改善并不明显。

4、预报特点

（1）有效探测距离一般为10~30m，适宜于短距离预报；

（2）适用于探测界面两侧介电常数差异较大的地质界面；

（3）对规模大、延伸长的地质体探测效果较好，对规模较小的地质体探测效果较差。

（4）对张性结构面探测效果较好，对闭合结构面探测效果较差；

（5）对充水、充泥或空腔的地质体探测效果较好。

（6）适宜于探测与测线平行或以小角度相交的结构面，与测线以大角度相交的结构面探测效果较差，或甚至无法探测。

（7）在掌子面适宜探测与隧道轴线呈大角度相交的结构面，在侧壁或底板适宜探测与隧道轴线以小角度相交的结构面。

（8）对不规则形态的三度地质体，如溶洞、暗河等不良地质体的探测效果较好。