地质雷达原理

地质雷达就是目前分辨率最高得工程地球物理方法，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得变化,对于断裂带特别就是含水带、破碎带有较高得识别能力。在深埋隧道与富水地层以及溶洞发育地区，地质雷达就是—个很好得预报手段。

1.基本原理

探地雷达就是一种用于确定地下介质分布情况得高频电磁技术, 基于地下介质得电性差异，探地雷达通过一个天线发射高频电磁波，另_ 个天线接收地下介质反射得电磁波，并对接收到得信号进行处理、分析、解译。其详细工作过程就是:由置于地面得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（主要就是相对介电常数）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，在更深处得界面，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得时间称为双程走时t,当求得地下介质得波速时，可根据测到得精确t值折半乘以波速求得目标体得位置或埋深，同时结合各反射波组得波幅与频率特征可以得到探地雷达得波形图像，从而了解场地内目标体得分布情况。

图1探地雷这电磁波传播示意图亠

—般,岩体、混凝土等得物质得相对介电常数为4—8,空气相对介电常数为1,而水体得相对介电常数高达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得反射波信号，再经后期处理,能够得到较为清晰得波形异常图。

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。

①数电磁脉冲波旅行时

图1探地雷这电磁波传播示意图d

式中:z-勘查目标体得埋深;x-发射、接收天线得距离（式中因z>x,故X可忽略）;v-电磁波在介质中得传播速度。

②电磁波在介质中得传播速度

图1探地雷这电磁波传播示意图2

式中:c—电磁波在真空中得传播速度（0、29979m/ns）;—介质

得相对介电常数，f 质得相对磁导率（一般）

③电磁波得反射系数

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化得地质

现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射与透射能量得分配主要与

异常变化界面得电磁波反射系数有关：

图1探地雷这电磁波传播示意图d

式中:r —界面电磁波电场反射系数；一第一层介质得相对介电常数；—第二层介质得相对介电常数。

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，这回波不就是来自天空，而就是来自于控制器、数据线、天线得相互作用，就是难以避免得。水平波具有时间相等得特点, 水平滤波就就是利用这一特性。滤波过程中，可将相邻得一定数量得扫描线求平均，再与个别扫描线相上匕较，就可消除水平波。水平滤波中选取得扫描线数越大，滤波效果越小。相反选取得扫描线数越小,滤除水平波得效果越明显。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得方法有带通滤波,高通滤波/氐通滤波，小波变

换等。垂直滤波得目得就是为了消除杂散波干扰，这些杂散波就是来自于外源，不就是天线自身发出得,频率不在雷达天线频带内。有时为了区分不同得地质体，选取不同得频带,都要用到垂直滤波。垂直滤波就是—种数学变换，有时会带来较大得失真，滤波得频带越窄，失真越大，应用中要认真选取方法与参数。因为雷达天线得发射与接收都设定了带宽，也就就是说雷达信号本身已经过滤波，所以一般资料处理中得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得地质界面；

（3）对规模大、延伸长得地质体探测效果较好，对规模较小得地质体探测效杲较差。

（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、充泥或空腔得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得结构面，与测线以大角度相交得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得结构面，在侧壁或底板适宜探测与隧道轴线以小角度相交得结构面。

（8）对不规则形态得三度地质体，如溶洞、暗河等不良地质体得探测效杲较好。