大穿透深度地质雷达、探地雷达
探地雷达在城市地质调查中的应用
探地雷达在城市地质调查中的应用发布时间：2021-05-07T10:08:25.070Z 来源：《基层建设》2020年第34期作者：王程秀潘旭东[导读] 摘要：本文主要分析了城市地质调查中探地雷达的应用情况，目的是为城市发展战略的制定提供全面的调查资料，推进我国城市经济的可持续发展。
浙江省工程物探勘察设计院有限公司浙江杭州 310005摘要：本文主要分析了城市地质调查中探地雷达的应用情况，目的是为城市发展战略的制定提供全面的调查资料，推进我国城市经济的可持续发展。
关键词：探地雷达；城市；地质调查；应用情况城市发展战略的制定离不开城市地质调查，城市地质调查可为发展战略的制定提供有效的依据。
探底雷达作为一种新型的勘探技术，将其应用到城市地质调查中可明确城市地质问题。
该领域研究被更多的人员所关注。
1、探地雷达的工作原理探地雷达可以对地下介质分布情况进行明确，探底雷达又称为透地、地质雷达。
无线电波是探底雷达明确地下介质非常重要的原理。
探地雷达作业时，在主机的作用下可以对雷达进行控制，产生脉冲源信号，此种信号较为微妙，并以周期性的方式传播。
发射天线可以接收到此种微妙的信息，并在发射天线的作用下与地下信息耦合在一起，两者一起向地下传播。
耦合后的信息在传播过程中一旦遇到非均匀面体或者非均匀面会产生反射信号。
地下波被地面上的接收天线接收后可以向接收机直接传输。
接收机可以对信号进行相应的整形和放大处理，经过处理后的信号可以传输到微机上，在微机的辅助下可以按照幅度大小的不同对信息进行编码处理，编码后的信号可以通过波形堆积图或伪彩色电平灰色电平图的形式呈现出来。
探测人员经过一系列的处理后可以对探测的目标大小、深度以及方位等进行判断，明确探测参数。
探地雷达用途较多，可以检测不同的材料泥土、岩石、沙砾等。
此外，探地雷达也可以检测沥青、混凝土等建筑材料。
地质调查中工作人员借助探地雷达可以判断出不同类型岩层的厚度和深度，地面作业中探地雷达起到的作用非常明显。
地质雷达
地质雷达在隧道超前地质预报中的应用摘要：本文简要介绍了地质雷达基本原理及其探测深度、精度，并结合实例阐述了地质雷达的工程应用。
关键词：地质雷达；隧道超前地质预报；掌子面引言目前，我国修建大量穿越山岭的特长隧道。
由于这些隧道大都处于地下各种复杂的水文地质、工程地质岩体中。
为了摸清和预知周围的水文地质和工程地质条件，隧道地质超前预报显示出越来越重要的作用。
在隧道开挖掘进过程中，提前发现隧道前方的地质变化，为施工提供较为准确的地质资料，及时调整施工工艺，减少和预防工程事故的发生非常重要。
一、地质雷达基本原理及探测深度、精度地质雷达( Ground Penetrating Radar, 简称GPR, 也称探地雷达) 是利用超高频(106Hz～109Hz)电磁脉冲波的反射探测地下目的体分布形态及特征的一种地球物理勘探方法。
发射天线( T) 将信号送入地下，遇到地层界面或目的体反射后回到地面再由接收天线( R) 接收电磁波的反射信号，通过对电磁波反射信号的时域特征和振幅特征进行分析来了解地层或目的体特征(见图1)图1 地质雷达反射探测原理图根据波动理论，电磁波的波动方程为：P = │P│e-j（αx-αr）﹒e-βr（1）（1）式中第二个指数-βr是一个与时间无关的项，它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小，β为吸收系数。
式中第一个指数幂中αr表示电磁波传播时的相位项，α为相位系数，与电磁波传播速度V的关系为：V = ω/α（2）当电磁波的频率极高时，上式可简略为：V = c/ε1/2（3）式中c为电磁波在真空中的传播速度；ε为介质的相对介电常数。
地质雷达所使用的是高频电磁波，因此地质雷达在地下介质中的传播速度主要由介质中的相对介电常数确定。
电磁波向地下介质传播过程中，遇到不同的波阻抗界面时将产生反射波和透射波。
反射和透射遵循反射与透射定律。
反射波能量大小取决于反射系数R，反射系数的数学表达式为：R =[（ε1）1/2 -（ε2）1/2]/[（ε1）1/2 +（ε2）1/2] （4）式中ε1和ε2分别表示反射界面两侧的相对介电常数。
探地雷达
• 基本原理
地质雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和 向外辐射电磁波的天线(Tx)组成。通过发射天线电磁波以60°～90°的波束角向地 下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一 固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的
探地雷达技术
内容简介
探地雷达：Ground-Penetrating Radar (GPR)
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什么是探地雷达 探地雷达的发展历程； 探地雷达来自原理； 探地雷达的应用； 优缺点；
• 什么是探地雷达
探地雷达（Ground Penetrating Radar ，GPR），又称地 质雷达，透地雷达，是一种高科技的地球物理探测仪器， 是用频率介于10^6-10^9Hz的无线电波来确定地下介质分布 的一种方法.目前已经广泛的应用于高速公路，机场的路面 质量检测；隧道，桥梁，水库大坝检测；地下管线，地下 建筑的检测等诸多的工程领域。
探地雷达应用
探地雷达应用领域综述：
•桥梁路基检测：
•高速公路、机场质量检测及地基检测：
探地雷达应用
•城市地下管线探测：
探地雷达应用
•管线探测的探地雷达图像：
探地雷达应用
•建筑物质量检测，公路检测：
探地雷达应用
•探测地雷：
探地雷达应用
•地质勘探：
探地雷达应用
北极冰下水流线探测（1975年）：
直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端将两种显示出来。
地质雷达（GPR）依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作， 电磁波脉冲在介质中的传播路径—波形随所通过的介质的介电性质、 几何形态而变化，根据接收到反射波的旅行时间、幅值、频率、波 形变化资料，可推断地质目的体的内部结构和几何形态。
探地雷达
探地雷达的应用
探地雷达是种高分辨率探测技术，可以 对浅层地质问题进行详细填图，也可以对地 下浅部埋藏的目的体进行无损检测。
20世纪80年代以来，由于电子技术与数 字处理技术的发展，使探地雷达的分辨率与 探测深度大大提高，探地雷达已在工程地质 勘察、灾害地质调查、地基基础施工质量检 测、考古调查、管线探测、公路工程质量检 测等多个领域中得到了广泛应用。
(1)顶管引起地下塌陷原因剖析。 上海曲阜路地下煤气管道的地下顶管 施工过程中，文安路口东头路面发生陷落， 为决定煤气管是继续采用地下顶管施工， 还是采用大开挖施工，必须查明陷落范围 与成因。为此应用探地雷达进行探查。
图42 上海曲阜路探地雷达图像
图42为该段探地雷达图像。在地表32－54m范围，深度1.5-4m处可见到反射 42为该段探地雷达图像 在地表32 54m范围，深度1 为该段探地雷达图像。 32－ 波特征明显不同于周围介质的区域。该处反射波强度明显加大， 波特征明显不同于周围介质的区域。该处反射波强度明显加大，反射波同相 轴明显不连续，呈现杂散充填物的反射波特征。该处紧挨吴淞江， 轴明显不连续，呈现杂散充填物的反射波特征。该处紧挨吴淞江，地表有流 入吴淞江的支流，因此在筑路时填充有杂填土。由图还可见到， 入吴淞江的支流，因此在筑路时填充有杂填土。由图还可见到，在更大范围 地表2 54m)内有反射波强度变弱、周期变短的区域， m)内有反射波强度变弱 (地表2－54m)内有反射波强度变弱、周期变短的区域，具有均质淤泥反射波 特征，故该处应为杂填土的沉积物范围。淤泥液化势高， 特征，故该处应为杂填土的沉积物范围。淤泥液化势高，在地下顶管过程中 受到扰动，饱和孔隙水释放，淤泥塌陷，造成路基承载力下降，路面陷落。 受到扰动，饱和孔隙水释放，淤泥塌陷，造成路基承载力下降，路面陷落。 淤泥变形区的周界处可见到反射波同相轴的明显错断。 淤泥变形区的周界处可见到反射波同相轴的明显错断。
地质雷达
地质雷达的原理及其应用地质雷达是20 世纪70 年代发展起来的一种用于确定地下介质分布的广谱电磁法,具有探测效率高、对探测场地和目标无破坏性、有较高的分辨率及较强的抗干扰能力等特点, 在工程建设领域应用广泛,具体表现在以下几个方面:①工程选址、建设用地地质灾害危险性评估;②工程地质勘察;③地下管道、电缆、洞穴以及障碍物的探测;④地下建筑的无损检测地质雷达是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术,雷达通过发射天线向介质中发射高频 10 ～ 10 H z、宽频带电磁波,经介质中的分层界面或目标的反射界面产生反射回波信号,由接收天线接收并数据化,电磁波行程需时t =4z 2 + x 2 v , 其中, x 为天线间距, 每次探测具有确定的数值,v 为电磁波在介质中的传播速度,可以用共中心点法现场实测,也可以查经验数值表获取，故可通过上式确定反射界面或目标的深度位置。
电磁波在介质中传播的路径、电磁场强度以及波形将随介质的电性特征及几何形态而变化,故可依据记录到的电磁波走时及波幅等波形资料,解译出目标的几何形态或结构异常。
探地雷达法有广泛的用途，在建筑结构、道路桥梁、地质勘探、市政管线甚至考古刑侦等方面都有用武之地。
1 ．路面测厚路面厚度检测是公路检测的主要内容之一。
一般简易路面厚100 一200mm ，高等级公路路面厚200 一300mm ，机场跑道路面厚400mm ，这就要求公路路面厚度检测有较高的分辨率，误差小于10mm 。
雷达测厚是利用电磁波在不同介质界面处的反射一折射、其原理如图1 所示。
对于200mm 厚度以上的混凝土或沥青路面，检测精度达到10mm 以内，则探地雷达使用900MHz 以卜中心频率的天线。
2 ．路面与路基缺陷检测公路在修筑过程中对路基进行处理，随着公路投人使用，路基介质经历压实或外来扰动的影响，使原来软弱地基发生变化，这类缺陷会引起公路陷落，造成事故。
监测这类软弱地基的变化，将有利于提高公路运输的安全性。
地质雷达简介
地质雷达简介学校：大连大学院系：建筑工程学院学号：11344004姓名：赵阳豪日期：2013年9月17日地质雷达简介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发展及现状基于电磁反射原理解决各种地下目标的探测问题, 这种设想最初可追溯到1937 年4 月29 日公布的一个美国专“Electromagnetic prospecting method (电磁探测法) ”。
该专利描述了一种地震探测法的电磁模拟系统。
尽管这一专利当时并未付诸实用,但从发明的角度说, 它却开了地质雷达探测技术的先河。
因此可以讲, 利用电磁反射原理探测地下目标的设想几乎是和地对空雷达的发明同时出现的。
只不过由于受社会、经济、技术等诸因素的制约, 二者在实用化进程方面存在显著差距。
直到本世纪50 年代, 美国才率先开始地质雷达的可行性方案研究; 60年代进入实用性试验研究; 到70 年代, 地质雷达正式进入实用化阶段, 主要是用于地面解决各种工程地质问题, 如探测各种管线、混凝土钢筋等地下掩埋体, 以及地基浅部地质情况等。
70 年代美国地球物理勘探公司(GSSI)开发出了第一个真正投入市场的地质雷达系列Subsurface Interface Radar system (地下界面雷达系统) , 简称SIR系列。
这是地质雷达正式进入实用化阶段的主要标志。
SIR系统曾获美国专利, 同时还在别的几个国家申请了专利, 一度成为地质雷达的主导产品。
随后, 日本、加拿大等国纷纷在SIR技术的基础上, 开展对地质雷达探测技术的研究。
1983 年, 日本的原·坂山等人探讨了地质雷达在地基探测中的实用性, 继而将SIR产品改型为OAO系列产品。
地质雷达
探地雷达使用提纲1、适用范围及适用条件2、设计规范及收费标准3、不同地质情况的雷达波形特征1、适用范围及适用条件1.1适用范围：探地雷达法适用于基岩深度、水位深度、软土层厚度与深度，断裂构造等地质工程探查，城市路面塌陷、岩溶塌陷、土洞、滑坡面等地质灾害调查，地下水污染带监测，地基加固效果评价，路面、机场跑道、洞室衬砌检测，堤坝隐患，地下泄露，地下管线及其他埋设物探测，考古探查等。
1.2适用条件：（1）探测目的体与周边介质之间应存在明显介电常数差异，电性稳定，电磁波发射信号明显；（2）目的体在探测深度或距离范围内，其尺寸应满足探测分辨率的要求；（3）测线上天线经过的表面应相对平缓，无障碍，且易于天线移动；（4）测区内不应存在大范围金属构件、无线电发射频源等较强的电磁波干扰，或通过处理无法消除的干扰；（5）不应存在极低阻屏蔽层；（6）单孔或跨孔检测时不得有金属套管；2地质雷达测线测点设计规范及收费标准2.1测线测点设计规范2.1.1工程物探应根据任务要求、探测方法、目的物的规模与埋深等因素综合确定工作比例尺，测网布置应与工作比例尺一致，测网密度应能保证异常的连续、完整和便于追踪；2.1.2布置测线时，测线方向宜避开地形及其它干扰的影响，应垂直于或大角度相交于目的物或已知异常的走向，岩溶、采空区、防空洞等走向多变体的探测宜布设两组相互正交的测线；2.1.3测线长度应保证异常的完整和具有足够的异常背景；2.1.4探测范围内有已知点时，测线应通过或靠近该已知点的布设；2.1.5点测时，测点布设位置、测量应满足资料解释推断的需要；2.1.6工作比例尺确定后，宜参照表1选择测网密度。
表1 工作比例尺与测网密度2.2收费标准地质雷达探测收费参见《工程勘察设计收费标准》第7章——工程物探，收费标准见表2表2 地质雷达收费标准3、波形特征在工程勘察中，常见的不良地质现象有：断层破碎带、裂隙带、富水带、岩溶洞穴、岩性变化带等。
探地雷达在工程地质勘探中的应用简介
探地雷达在工程地质勘探中的应用简介摘要：探地雷达因其所具有的高分辨率和高勘探效率，而成为了工程地质勘探中非常重要的勘探设备。
近些年来，随着探地雷达技术的完善和发展以及操作经验的积累，已经逐渐的应用在多个领域的工程地质勘探过程中。
本文首先对于探地雷达的特点和功能进行分析，从而对于探地雷达在工程地质勘查中的应用进行研究，希望通过本文，能够为探地雷达在工程地质勘探中的应用提供一些参考和帮助。
关键词：探地雷达；工程地质勘探；实际应用1.探地雷达的特点和功能探析探地雷达，也被称作为地下或者地质雷达，英文缩写为GPR，是通过利用电磁波的收发来对地下进行勘探的一种电子设备。
主要是利用天线来将高频电磁波以短脉冲的形式输入到地下，电磁波到达地层或物体后返回地面，再由天线来进行接收。
探地雷达对于地下数据的采集主要通过波形的方式来进行体现，正负的波峰分别用黑色和白色来进行标记，也可利用其它的颜色来进行标记，从而对于地下的反射面进行形象的体现。
通过在波形图上利用测线进行标记的方式来形成雷达的剖面。
作为工程地质勘探中的非常有效的勘探电子设备，探地雷达的特点主要包括以下几个方面：首先是高分辨率，一般可达到数厘米，工作频率可达到五千兆赫兹。
其次，探地雷达不具备破坏性，通过电磁波来达到勘探的目的，不会对地表或地下造成任何损害。
第三是高效率，探地雷达采取的是信息采集和处理一体化的装置，便于携带，操作简单，具有较高的工作效率。
最后，探地雷达具有较强的抗干扰能力，能够在多种恶劣环境下进行使用。
从目前的情况来看，探地雷达的种类很多，例如美国的SIR系列和日本的GEORADAR系列以及加拿大的Pulse EKKO系列等等。
一般来说，探地雷达主要由发射和接收天线、控制面板、计算机、发射和接收电路这几个部分所组成，各部分的具体功能如下：（1）发射和接收天线：这两种天线实际上可以互换进行使用，通过发射天线向地下介质发射电磁波，由接收天线来接收地下介质的返回信号。
【浅谈探地雷达检测技术】探地雷达
【浅谈探地雷达检测技术】探地雷达【摘要】在实际工作中，探地雷达作为新型的无损检测设备，具有携带方便、非破坏性、检测快速、精度高等特点，受到广大技术人员越来越多的关注，并且已经在路面厚度检测和隧道衬砌厚度检测中得到推广和应用。
本文概要介绍了探地雷达检测路面结构层厚度和检测隧道二衬厚度的工作原理，并说明了在检测过程中注意的事项，最后探察进一步指出了使用探地雷达检测技术的优缺点。
【关键词】探地雷达；检测技术；路面；隧道一、引言探地雷达方法是通过发射向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在中所地下介质中传播时察觉到存在电性差异的分界面时发生反射，根据接收到的电磁波电磁场的波形、振幅强度和时间的变化等差异特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。
探地雷达是一种广谱电磁技术，用于确定地下介质的分布异常情况。
近年来，由于探地雷达具有高采样率、无损检测等优点，它逐渐取代了原有的钻孔取芯法而在各种工程中得到极为广泛的须要用。
在进行检测的过程中，这种方法只要及少量的钻孔就能够了解公路的结构配合地层的各种变化情况，非常有效地克服了现行钻孔法的严重不足。
并且可以准确地提供关于基层和面层厚度变化的一些真实情况，为实际施工提供了极具参考价值的富有可靠参数。
二、探地雷达检测厚度的工作电磁场1、探地雷阵地雷达检测路面结构层厚度的工作原理在道路的可靠性控制工作中，最重要的一部分就是进行碎石结构层厚度的检测。
传统上所使用的钻心取样法已经远远不能满足精确检测的要求，因此通过对探地雷达测厚的工作原理进行厚认识论分析，可以看出探地雷达技术在公路工程质量检测中所具有独特的。
利用探地雷达检测公路面层厚度是一种反射波探测法。
在特定的介质中，电磁波的传播速度v是保持不变的，因此根据探地雷达所记录的地面反射波与地下反射波的时间差△t，即可依据公式h=v△t/2，量度出界面的厚度值h的大小，对于路面结构层厚度的检测而言，h即为面层的厚度，v表示电磁波在地下介质(面层)中传播时的速度。
大穿透深度地质雷达、探地雷达
⼤穿透深度地质雷达、探地雷达100m⼤穿透深度地质雷达COBRA Plug-in ⼀、前⾔常⽤的地质雷达探测深度⼀般在10-15⽶以内，要增加探测深度必须采⽤低频天线，然⽽它⼜使屏蔽发⽣困难，限制了低频天线的应⽤领域。
为此，瑞典RADARTEM公司研发和⽣产了⼤穿透深度Cobra plug-In地质雷达，该系统采⽤先进的实时采样技术，使信噪⽐提⾼45dB，勘探深度增加⼀倍以上，采⽤具有强烈抗⼲扰能⼒的、半屏蔽技术的收发⼀体天线，进⼀步保障了最⼤勘探深度，勘探深度0-100m，在北京和厦门地区的应⽤结果表明，在很强⼲扰地区仍可获得⼗分可靠的探测结果。
此外该公司研发的双通道、双天线CobraWifi地质雷达具有极⾼的分辨率和极强的抗⼲扰能⼒，探测深度0-10m。
⼆、原理简介地质雷达探测的⼯作原理,简单地说是通过特定仪器向地下发送脉冲形式的⾼频、甚⾼频电磁波。
电磁波在介质中传播,当遇到存在电性差异的地下⽬标体,如空洞、分界⾯等时,电磁波便发⽣反射,返回地⾯⽤接收天线接收，并对接收数据进⾏处理和分析,根据接收到的雷达波形、强度、双程时间等参数便可推断地下⽬标体的空间位置、结构、电性及⼏何形态,从⽽达到对地下隐蔽⽬标物的探测(如图1 所⽰) ，可以⾮常安全和⽅便地⽤于很多领域,并具有很⾼的探测精度和分辨率。
图1 探地雷达⼯作原理⽰意图图1 中T 为发射天线, R 为接收天线,电磁波在地下介质中遇到⽬标体和基岩时发⽣反射, 信号返回地⾯由天线R 接收并记录再通过主机的回放处理,就可以得到雷达记录的回波记录(如图2 所⽰) 。
图2 探地雷达回波记录⽰意图图2 中横坐标的单位为m ,横轴代表地表⾯的探测距离,纵坐标代表电磁波从发射到遇见地下⽬标体或基岩时反射回地⾯并被仪器接收所需要的时间t。
，即双程反射时间t，按下式算出⽬标体的埋藏深度：其中, t 为⽬标层雷达波的双程反射时间; c 为雷达波在真空中的传播速度(0. 3 m/ ns) ; εr 为⽬标层以上介质的相对介电常数均值。
地质雷达介绍
D h/2
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2. 探地雷达探测的设计
每接受一个探地雷达测量任务都需要对目的体特性与所 处环境进行分析，以确定探地雷达测量能否取得预测效果。
(1)目的体深度是一个非常重要的问题。如果目的体深度 超出雷达系统探测距离的50％，那么探地雷达方法就要被 排除。雷达系统探测距离可根据雷达探距方程进行计算。
满足Qs+Q>0的距离 ，称为探地雷达的探测距离，亦 即处在距离 r 范围内的目的体的反射信号可以为雷达 系统所探测。
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1.2 探测距离
与选用的天线频率、地下介质的相对介电常数、电导率相关
对于铜、铁等良导电媒介质，其电导率σ 很大，衰减常 数β 也很大，因此，电磁波在良导电媒质中传播时，场 矢量的衰减很快，电磁波只能透入良导体表面的薄层内 （电磁波只能在导体以外的空间或电介质中传播），这 种现象称为趋肤效应。电磁波透入导体内的深度称为穿
粘土
5-40
花岗岩 4-6
岩盐
5-6
冰
3-4
金属
300
PVC材料 3.3
2-1000 0.01-1 0.01-1 0.01 1010 1.34
0.06 0.13 0.13 0.16 0.017 0.16
1-300 0.01-1 0.01-1 0.01 108 0.14
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工程物探专题----地质雷达
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1．电磁波在介质中的传播速度
探地雷达测量的是地下界面的反射波的走时，为了获取地 下界面的深度，必须要有介质的电磁波传播速度 v ，其值为
v [ ( 1 ( )2 1)]1/ 2
探地雷达方法原理简介
US: Pat. 7,170,449 Norwegian Patent: NO 0,316,658. EU: Appl. No. 0375676.8 (approved)
GeoScope MKIV Step-frequency Radar
Step-frequency technology（频率步进式技术） 在频率域采集数据，信号穿透深度与分辨率达到最佳组合 Excellent Signal to Noise Ratio 在更大的深度获得更高分辨率成像 Flexible scan patterns and High scan rates 能够以车辆行驶速度进行道路检测，现场工作耗时较少 VX-Series antenna arrays (Air launched, 7.5cm spacing, uniform response) •高密度三维影像
base layers voids cables and pipes
Airfield pavement (subsidence cracking)
Airport Runway Inspection
Runway section @ 43 cm depth.
Concrete has been trenched
US Radar/Subsurface Imaging Systems公司进一 步开发研究。 天线主频：2G，1G，500M, 250M系列天线。 系统动态范围：>130dB 时间窗范围：6.3~820 ns.
Groundvue 5（2～6G)
Groundvue 6(15M)
英国UTSI ELECTRONICS 公司 Groundvue系列
1970～1980：GSSI, SSI等国际著名的探地雷达开发与
地质雷达测量技术
地质雷达测量技术内容提要：本文在简述地质雷达基本原理的基础上，介绍了地质雷达检测隧道衬砌质量的工作方法，通过理论分析、实际资料计算、实测效果等方面说明采用地质雷达技术检测隧道衬砌质量的必要性和可靠性。
关键词：地质雷达测量技术1 前言地质雷达（Geological Radar）又称探地雷达（Ground Penetrating Radar），是一项基于不破坏受检母体而获得各项检测数据的检测方法，在我国已在数百项工程中得到了应用，并取得了显著成效。
同时，随着交通、水利、市政建设工程等基础设施的大力发展，以及国家对工程质量的日益重视，工程实施过程中仍急需用物理勘探的手段解决大量的地质难题，因此，地质雷达极其探测技术市场前景十分广阔。
地质雷达作为一项先进技术，具有以下四个显著特点：具有非破坏性；抗电磁干扰能力强；采用便携微机控制，图象直观；工作周期短，快速高效。
它不仅用于管线探测，还可用于工程建筑，地质灾害，隧道探测，不同地层划分，材料，公路工程质量的无损检测，考古等等。
2 地质雷达技术原理地质雷达是运用瞬态电磁波的基本原理，通过宽带时域发射天线向地下发射高频窄脉冲电磁波，波在地下传播过程中遇到不同电性介质界面时产生反射，由接收天线接收介质反射的回波信息，再由计算机将收到的数字信号进行分析计算和成像处理，即可识别不同层面反射体的空间形态和介质特性，并精确标定物体的深度（图1）。
图1 地质雷达检测原理图3 雷达的使用特性3.1无损、连续探测，不破坏原有母体，避免了后期修补工作，可节约大量的时间和费用。
3.2 操作简便，使用者经过2－3天培训就能掌握。
探测时，主机显示器实时成像，操作人员可直接从屏幕上判读探测结果，现场打印成图，为及时掌握施工质量提供资料，提高了检测速度和科学水平。
并且通过数据分析，还可以了解道路的结构情况，发现道路路基的变化和隐性灾害，使日常管理和维护更加简单。
3.3 测量精度高，测试速度快。
探地雷达学习
地质雷达学习一、什么是雷达?radio detection and ranging（无线电探向和测距）雷达最初是用于军事目的，探测空中目标体.二、什么是探地雷达(GPR) ?1、采用无线电波探测的一种技术, 频率一般在5 - 2000MHz, 对地下结构和埋藏物以及人造结构成像.2、它不是所谓的“黑匣子”, 直接告诉你地下异常体的位置.3、三种基本模式: 反射, 速度探测, 层析成像.三、GPR 的优点和局限性1、GPR 的优点a)携带方便；b)GPR 是无损探测技术；c)与其它地球物理方法相比，数据采集速度非常快；d)水平和垂直位置精度高；e)高分辨率地下图像2、GPR 的局限性a)探测深度和目标体的分辨能力依赖于土壤（或地下介质）特性. 高导电率介质会使GPR方法无效（如海水、盐碱地、金属矿、粘土层等）；b)目标体和周围介质要有足够的电性差异（介电常数和电阻率）;c)GPR数据的解释因人而异，解释者的经验非常重要.四、基本原理•Tx发射Rx接收target目标•电磁波速度和穿透深度取决于介质的介电常数和电导率•记录反射时间•速度一般在33 - 212 m/µs五、GPR 方法–反射雷达探测的95% 是用偶极反射模式从原理上讲，GPR 类似于声纳设备发射机发射一“列”电磁脉冲，该脉冲在介质中传播在地下介质的电特性有变化的地方发生反射(即散射)接收机拾取“背散射”信号，记录它并将其显示在计算机屏幕中六、基本原理–速度(地面雷达)•需要可分离天线(Tx发射/Rx接收)•给出速度剖面用于把时间记录转换成深度•CMP, common midpoint measurement（共中心点）•WARR, wide angle reflection refraction（宽角反射折射）七、介电常数、相对介电常数和波速1、介电常数(permittivity)1）定义：介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数,又称诱电率。
地质雷达
2.时间滤波
时间域滤波是一种褶积运算，因此时间域滤波也叫褶积滤波。由 于其过程较复杂，专业性较强在此不做过多的介绍。
二、数字滤波的特殊性
数字滤波须对滤波因子进行离散采样，因此具有离散性。在进行 滤波计算时，滤波因子只能取有限项，因此又具有有限性。
理想频率滤波器的时间响应的长度是无穷的，但实际计算时只能 取有限项。这种有限长度的滤波因子的频率响应不再是一个门式滤波， 而是有波动的曲线，曲线由间断点向远处波动衰减，在间断点波动最 大，这种现象称非连续函数频率响应的吉卜斯现象。
相长性干扰，这种干扰在地层厚度λ /4时达到最大，这时接收天线 信号的振幅值最大，这个厚度称调谐厚度。随着地层再一次进一步 变薄，相消性干扰逐步增强，直至反射消失。当地层很薄时，该薄 层的反射特征逼近于入射波的时间导数。这种时间导数的关系可以 维持到b=λ /8。由于从这点开始，就不再有来自地层顶底的各自反 射而剩下它们的复合波了，也就是说，从这一点开始失去了分辨能 力，因此，理论上可把λ /8作为分辨力的极限。但是考虑到干扰等 因素，一般把λ /4作为垂直分辨率下限。 b、水平分辨率
四、测量参数的选择 测量参数选择合适与否关系到测量结果的好坏。测量参数包括 天线中心频率、时窗、采样率、测点点距与发射、接收天线间距。 1、天线中心频率的选择 天线中心频率选择需要兼顾目标深度、目标体的尺寸、及天线 尺寸是否符合场地需要。一般来说，在满足分辨率且场地条件允许 又许可时，应该尽量使用中心频率低的天线。如果要求的空间分辨 率为 x(单位m)，围岩相对介电常数为 ε ，则天线的中心频率可由
测网布置与目标体有关，不同的目的体要用不同的测网布置。
a、管线 当管线方向已知，则测线应垂直管线长轴；如果方向 未知，则应采用方格网。 b、基岩面 测线垂直基岩面的走向，线距取决于目标体走向
地球物理勘探 第三讲地质雷达
'
电磁波速度V（m/ns) 0.033 0.3 0 .09—0.15 0.11(0.12) 0.15(0.13—0.18) 0.095(0.05—0.15) 0.17 ----
2009.10
中国矿业大学。地球探测与信息技术
波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确
定。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正
个天线接受来自地下介质界面的反射波。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 性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间 （亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断地下介质的 分布情况。
2009.10
中国矿业大学。地球探测与信息技术
对地下雷达探测目标的解释,离不开必要的地
米52雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用良好衬砌雷达图像良好衬砌雷达图像52雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用衬砌界面明显图像衬砌界面明显图像52雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用52雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用52雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用采用模筑泵送混凝土工艺施工二次衬砌采用模筑泵送混凝土工艺施工二次衬砌拱顶施工接缝处易出现三角形空洞拱顶施工接缝处易出现三角形空洞二次衬砌层二次衬砌层缝缝三角形空洞三角形空洞初期支护层初期支护层52雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用三角形空洞图像三角形空洞图像52雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用围岩裂隙探测图像围岩裂隙探测图像52雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用衬砌厚度不够图像衬砌厚度不够图像1152雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用衬砌厚度不够图像衬砌厚度不够图像2252雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用钢筋分布图像钢筋分布图像52雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用钢筋布置不够图像钢筋布置不够图像1152雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用钢筋布置不够图像钢筋布置不够图像2252雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用钢筋布置参差不齐图像钢筋布置参差不齐图像52雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用格栅钢架探测图像格栅钢架探测图像1152雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用格栅钢架探测图像格栅钢架探测图像2252雷达在隧道质量检测中的应用五探地雷达的应用200910中国矿业大学
地质雷达
探地雷达探测所使用的中心工作频率在10~5000MHZ范围 时窗在0~20000ns，电磁场以波动形式传播，为辐射场法。 根据不同的地质条件，地面系列的雷达探测深度约在 30~50m，分辨率可达数厘米，深度符合率小于±5cm。
探地雷达的实际应用范围很广，如：
灰岩地区岩溶的探测; 冰川和冰山的厚度等探测; 工程地质探测; 管线探测; 煤矿井探测，泥炭调查; 放身性废弃物处理调查; 水文地质调查; 地基和道路下空洞及裂缝等建筑质量探测; 地下埋设物，古墓遗迹等探查; 隧道、堤岸、水坝等探测。
探测深度（M）
20-50 20-50 20-50 25-50 20-30 10-15 15-25 5-10 5-10 3-8 2-6 10-20 5-10 8-10 20
29
SIR-100MHZ天线实例统计的探测深度岩性来自花岗岩 基性岩 辉长岩
电阻率（ Ω · M）
7000-15000 7000-15000 10000-14000
1
探地雷达具有以下技术特性，使其在许多领域尤其 是工程地质领域的得到广泛应用。
1.它是一种非破坏性探测技术，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； 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.便携微机控制数据采集、记录、存储和处理； 5.由于使用了高频率，电磁波能量在地下的衰减较强烈， 若在高导厚覆盖条件下，探测范围将受到限制。
TX EX GTX GRX 2 g e 4 r Q 10 log 64 3 f 2 r 4
满足Qs+Q>0的距离 ，称为探地雷达的探测距离，亦 即处在距离 r 范围内的目的体的反射信号可以为雷达 系统所探测。
地质雷达原理和应用
地质雷达原理和应用地质雷达是一种利用电磁波探测地下结构和材料特性的无损检测技术。
它是通过发射高频电磁波进入地下，接收和分析返回的信号来获得地下结构和材料特性的信息。
地质雷达具有广泛的应用领域，包括地质勘查、工程测量、环境监测等。
本文将介绍地质雷达的原理和一些常见的应用。
地质雷达利用的是电磁波在不同介质中传播的特性。
地质雷达发射的电磁波一般为射频波，其频率通常在几百到几千兆赫范围内。
发射的电磁波进入地下后会与地下结构和材料发生相互作用，一部分电磁波会反射回地面，另一部分会穿透地下并被吸收。
地质雷达主要通过接收和分析反射回来的电磁波信号来获得地下结构和材料特性的信息。
接收到的电磁波信号会经过放大、滤波等处理，然后通过显示设备展示出来。
通过分析返回信号的振幅、相位和频率等特征，可以获取地下结构的信息，包括土壤层位、地下水位、岩层界面、洞穴和管道等。
地质雷达具有以下一些优点：首先，它是一种非接触性的探测技术，可以在不破坏地下结构的情况下获取信息；其次，它具有高分辨率和快速探测的特点，可以在较短时间内获取较准确的地下结构信息；再次，地质雷达可以对大范围的区域进行探测，可以快速获取大片区域的地下结构信息。
地质雷达在地质勘查中有着广泛的应用。
它可以用于寻找矿藏、确定岩层的分布和厚度、勘探石油和天然气等。
地质雷达可以通过探测不同介质的界面反射信号来确定各种地质层位的位置和分布情况。
在矿产勘查中，地质雷达可以提供宝贵的地下结构信息，指导矿产的开采和开发。
地质雷达在工程测量中也有着广泛的应用。
它可以用于地下管线的检测和勘测、地下隧道和洞穴的探测、地下水位的测定等。
地质雷达可以帮助工程师更好地了解地下结构，从而减少工程施工过程中可能遇到的问题，提高工程施工效率。
此外，地质雷达还可以应用于环境监测领域。
它可以用于地下水资源探测、土壤污染监测、地震灾害后的地下结构评估等。
地质雷达可以提供高分辨率的地下结构图像，帮助环境保护部门进行污染源的定位和评估。
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100m大穿透深度地质雷达COBRA Plug-in 一、前言
常用的地质雷达探测深度一般在10-15米以内，要增加探测深度必须采用低频天线，然而它又使屏蔽发生困难，限制了低频天线的应用领域。
为此，瑞典RADARTEM公司研发和生产了大穿透深度Cobra plug-In地质雷达，该系统采用先进的实时采样技术，使信噪比提高45dB，勘探深度增加一倍以上，采用具有强烈抗干扰能力的、半屏蔽技术的收发一体天线，进一步保障了最大勘探深度，勘探深度0-100m，在北京和厦门地区的应用结果表明，在很强干扰地区仍可获得十分可靠的探测结果。
此外该公司研发的双通道、双天线CobraWifi地质雷达具有极高的分辨率和极强的抗干扰能力，探测深度0-10m。
二、原理简介
地质雷达探测的工作原理,简单地说是通过特定仪器向地下发送脉冲形式的高频、甚高频电磁波。
电磁波在介质中传播,当遇到存在电性差异的地下目标体,如空洞、分界面等时,电磁波便发生反射,返回地面用接收天线接收，并对接收数据进行处理和分析,根据接收到的雷达波形、强度、双程时间等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态,从而达到对地下隐蔽目标物的探测(如图1 所示) ，可以非常安全和方便地用于很多领域,并具有很高的探测精度和分辨率。
图1 探地雷达工作原理示意图
图1 中T 为发射天线, R 为接收天线,电磁波在地下介质中遇到目标体和基岩时发生反射, 信号返回地面由天线R 接收并记录再通过主机的回放处理,就可以得到雷达记录的回波记录(如图2 所示) 。
图2 探地雷达回波记录示意图
图2 中横坐标的单位为m ,横轴代表地表面的探测距离,纵坐标代表电磁波从发射到遇见地下目标体或基岩时反射回地面并被仪器接收所需要的时间t。
，即双程反射时间t，按下式算出目标体的埋藏深度：
其中, t 为目标层雷达波的双程反射时间; c 为雷达波在真空中的传播速度(0. 3 m/ ns) ; εr 为目标层以上介质的相对介电常数均值。
地质雷达数据处理方法与地震反射法数据处理方法基本相同,主要有以下几方面:1) 滤波及时频变换处理;2) 自动时变增益或控制增益处理;3) 多次重复测量平均处理;4) 速度分析及雷达合成处理等。
数据处理的目的旨在优化数据资料、突出目标体、最大限度地减少外界干扰,为进一步解释提供清晰可辨的图像。
处理后的雷达剖面图和地震反射的时间剖面图相似,可依据该图进行地质解释。
电磁波在地下介质具有比空气强得多的电磁衰减特性，加之地下介质情况的多样性，电磁波在地下的传播比空气中复杂的多，因此在探地雷达的运用中，探测结果能否反应出目标体与以下的因素有关：
1)纵向分辨率：λ/4
探地雷达在纵向上能分辨的最小厚度是发射电磁波波长的1/4。
2)横向分辨率：r f=λ /2（λ-雷达子波波长，h-目标体的埋藏深度）
探地雷达在水平能够分辨的最小尺寸为r f。
3)反射能力：P r=(ε−ε)
(ε+ε)2
（ε ost-背景介质的相对介电常数，εtarget-目
标体的相对介电常数）
当P r>0.01就能有足够的反射。
4)探测深度：约为雷达子波的波长的10倍。
一般来说，时间等效采样技术的探地雷达其极限探测深度为10倍发射雷达子波波长，实时采样技术的地质雷达探测深度要大的多。
三、实时采样与时间等效采样技术
为了实现被测信号的重构，采集系统都需要对连续的信号进行离散化的采集，我们称之为数字采样。
目前市场上出售的地质雷达一般都采用时间等效采样技术，而Cobra plug_In采用的是最先进的实时采样技术。
所谓实时采样就是对雷达反射信号进行实时逐点顺序采样，只要采样速率满足奈奎斯特采样定理的要求，便可还原反射信号的真实波形，简单地说就是当一个信号周期完成后，被测信号也同时完成、同时储存，并且是反射信号的真实波形，（如图3）。
图3 实时采样示意图
由于地质雷达的信号频率非常高，所以实时采样技术对采样速率的要求也非常高，对采样数据的存储速度和存储容量的要求也非常高。
但A/D转换器的采样速率、数据存储速度、数据存储容量等，都是有限制的，所以一般的地质雷达无法实现实时采样。
因而都采取一种变通的方式。
也即把实时采样中的多个相同周期、不同时间的真实反射信号（图
4A）。
重新组合成一个相同周期的仿真信号（图4B），以降低采样数量、数据存储数据数量和存储容量。
前提是，反射信号必须是严格的周期信号，但这是很难达到的，因此一般地质雷达所采用的时间等效采样技术会造成反射信号失真，降低了信噪比。
然而，实时采样技术，由于采样量非常大，所以叠加次数非常多，其信噪比相对时间等效采样技术高45dB，理论研究和实际表明，信噪比每提高30dB，穿透深度就提高两倍。
图4 等效采样示意图
简而言之，等效采样就是将多个周期的不同时间的采样点组合而成的一个完整周期的信号。
这种采样方式虽然大大降低了对采集系统硬件的要求。
但是，这种采样方式的前提必须是周期信号，地质雷达反射信号不是严格的周期信号，因此，等效采样会造成反射信号失真，影响了测量的准确性和正确性。
理论研究和实践表明，实时采样技术比等效采样技术提高信噪比45dB，而信噪比每提高30dB穿透深度就提高两倍。
四、SE低频天线的半屏蔽技术
低于100Hz的低频天线（LF）无法像高频天线（HF）那样进行金属屏蔽，因为低频天线尺寸较大，屏蔽后体积太大，又笨重，无法应用，目前所有地质雷达制造商生产的低频天线都是非屏蔽天线。
这些非屏蔽低频天线发射的雷达电磁波仅50%进入地下，50%进入空中。
进入空中的电磁波遇到树木和其它地面物体时便会反射回来，形成强烈的干扰，限制了低频天线的应用。
Cobra Plug-in地质雷达采用的是 SE系列半屏蔽低频天线，是radarteam公司从设计理念上制作的具有半屏蔽效果的低频天线，而非物理意义上的金属屏蔽天线，具有很强的抗干扰能力。
它是电阻性负载的曲面天线，安装在圆柱体上，具有向地下发射的绝对优势和向空中发射最小的低频天线，90%电磁波能量进入地下，仅10%能量进入空中。
所以SE低频天线穿透深度大，受地面物体例如树、路灯等干扰最小。
雷达波射线
图5 SE系列半屏蔽天线模式
五、仪器介绍
Radarteam Sweden AB是全球探地雷达天线研发和制造的领导者，其COBRA系列探地雷达已经被广泛的运用于各个领域中，包括公路检测、溶洞探测、大坝病害诊断、地质构造探测、管线探测、军事与安全、考古探测、冰川考察等等。
COBRA探地雷达系列包括最新一代具有实时采样技术的Cobra PLUG-IN GPR和双通道超高分辨率的Cobra Wifi。
1.COBRA PLUG-IN
COBRA plug-In探地雷达为Radarteam公司最新一代的产品，它将传统的分离式低频天线组合成了一体，大大的提升了施工的效率。
COBRA plug-In基于不同的工作目的配有三种不同频率的天线可选。
图6 搭载SE-70天线的Cobra plug-In
图7 Cobra 采集系统单元、控制单元以及天线SE-150、SE-40、SE-70（从左至右）
作为现阶段最先进的低频雷达系统，Cobra plug-In相对与其他的雷达系统而言有如下特点：
1)先进的实时采样技术使信噪比提高45dB，勘探深度是同频率的等效采样技术的两
倍，最深可达100m。
2)收发一体，空气耦合，体积小，重量小。
施工非常方便，非困难地形条件下完全
可以一个人完成工作。
3)先进的半屏蔽技术，具有很强的抗电磁干扰能力。
采集系统主要技术参数：
SUBECHO系列天线主要技术指标：
2.。