探地雷达

• 5、探底雷达设备 美国地球物理探测仪器公司（GSSI）的SIR系列； 瑞士MALA公司的RAMAC雷系列 加拿大探头及软件公司（S&S）的Pulse EKKO系列 中国电波传播研究所的LTD系列
设备上存在的问题 1、如何提高仪器的发射功率和发射效率，以达到增加探测深度 的目的 2、如何更好地屏蔽或压制探测现场的各种电磁干扰信号，进一 步提高仪器的信噪比，以提高雷达图像的分辨率 3、雷达主机和天线结构需要仪器生产厂家突破设计变革，以提 高电磁波的穿透力，从而适应更高要求的探测 探地雷达图: • 它不是所测量介质的“图象” • 有时候它能得到有关目标体复杂几何形态的信息 • 可对它进行如下分析（描述）: – A 扫描 (一维) – B 扫描 (二维) – C 扫描 (三维)
三：探地雷达数据处理
工作原理及相关技术 1、电磁波的速度与衰减
1 1 ( / ) 2 速度： c0 / r r 2 振幅：A A0 e z / / 2 其中： r 为相对介电常数， r 为相对磁导率， 为介质电导率
脱空、空洞及坝基结构疏松是土堤大坝的隐患。图4 为人工预埋空 洞雷达探测图象, 图中显示出典型凸起弧形强反射的空洞特征, 由 于空洞与周围土存在密度差异, 电磁波呈现出相对较强的衰减吸收。 图为北京永定河大堤( 大兴阎家铺险工段) 人工预埋空洞雷达探测 图象之二
受到电磁波固有特性和大地介质不均匀电性复杂的制约, 探地雷达 的探深能力是有限的。为获得较深地层下的信息, 除选用低频天线 外, 仪器综合性能的高低是衡量雷达设备优劣的重要指标, 图5为大 堤深部人工埋设异常体雷达探测图象。图中清楚地反映出人工埋设 在10 余米深的异常物体, 呈现出低频强反射波形。 图为北京永定河大堤( 大兴阎家铺险工段) 人工埋设异常体雷达探测 图象之三
另外渗漏水、管涌是土堤大坝典型的病害之一, 其危害性非常严重。 使用探地雷达检测, 尽早发现隐患并及时治理, 其效果是显著的。图 6 为某水库大坝渗漏水雷达探测结果图象, 其渗水部位出现强振幅 反射波组, 反射频率下降, 脉冲周期变大。从雷达图象上清楚地反映 出坝体渗水浸润面的展布形态。
图为某水库大坝渗漏水浸润面雷达探测图象
谢谢观赏
为角频率， 为介电常数，z为传播路程
2、数据采集方式 共中心点法，宽角法和剖面法 剖面法：发射天线和接收天线以固定间隔距离沿测线同步移动， 移动一次获得一个记录，最后一个个记录组成一个时间剖面 图像 3、分辨率 垂直分辨率：区分两个发射界面的最小距离 水平分辨率：在水平方向上所能分辨的最小异常的尺寸 4、探测深度 中心频率越高，探测深度越小
五：工程实例
长坞岭隧道： 长坞岭隧道是安徽省目前为止在建最长的山区三车道隧道，全长 769m，为左右分离式曲线隧道。穿越的地层主要有第四系全新统冲 积层(Q42a1)，第四系全新统残坡积(Q4c1 d1)，元古界木坑组(Pt23m)千枚岩、泥质粉砂岩，地质条件较差。施工期间采用了美国劳 雷公司的SIR-3000型雷达对其进行了全程超前预报、初期支护与二 次衬砌的质量检测，并对局部特征部位进行了爆破后松动圈的确定 等。 初期支护质量检测 隧道初期支护检测包括初期支护厚度、钢拱架数量、支护背后空洞 及回填情况。长坞岭三车道隧道跨度达到17m，围岩基本以千枚岩 为主，施工中容易造成超挖，对超挖部分必须进行回填处理，如果 处理不当，将为隧道埋下严重的隐患。通过地质雷达进行扫描，可 以在二次衬砌前及时发现存在的缺陷，尽早进行补救，避免埋下隐 患。 长坞岭隧道二次衬砌检测主要包括二次衬砌厚度、二次衬砌背后脱 空、二次衬砌中的钢筋有无缺失等
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
GPR基本方法
GPR基本方法
速度 (地面雷达
CMP, common midpoint measurement（共中心点） WARR, wide angle reflection refraction（宽角反射折射） 给出速度剖面用于把时间记录转换成深度 需要可分离天线(Tx发射/Rx接收) RAMAC/GPR比竞争对手的优势
。
• 3、Noggin地下成像仪
• Noggin地下成像仪是加拿大的Sensor & Software Inc公司生产 的。该公司是世界有名的探地雷达生产厂家，也是我国最早引 进的国外品牌。国内的早期雷达用户基本采用该公司的产品。 主要是为城市公用事业部门开发设计的通用雷达，是金属和非 金属管线及其他埋设地物的理想仪器，其特点是：使用快速、 经济实用，而且Noggin地下成像仪是为专业探地雷达工作者 设计的，能够为这些工作者提供更强的成像功能的数字仪、数 据信息。该公司产品丰富，配套全面，但对不同应用目的要采 用不同配置。成套产品的价格浮动很大，非专业用户不好把握。 该雷达系统提供多种配套的分析软件，如：SpiView、WinEKKO, EKKO-3D,EKKO-Mapper,EKKO-Pointer用于多种不同 用途的专业分析。但在现场采集信息不能直观的进行分析，专 业性较强，必须用专业软件和专业人员进行分析，属于专家用 产品。对于从事探测工程承揽的用户较为适用。
GPR基本方法
用电磁波穿透地下介质 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 50 - 150 m/µs
GPR基本方法
雷达探测的95% 是用偶极反射模式
从原理上将，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)
• 威猛型GRP探地雷达是德国产品，可以探测距地面0.9米至7.6 米范围内的金属和非金属管线。它是一种专用雷达系统，它的 原理同π赫基本相同，采用131MHz的处理器，Window CE操作 系统。在现场能进行快速扫描，采集图像及数据，利用专用软 件进行分析和对比。但雷达系统不具有专用的解释软件，探测 结果图形不够直观。专业性要求较高。
ห้องสมุดไป่ตู้探地雷达
一：探地雷达 二：探地雷达的设备及描述 三：探地雷达数据处理 四：探地雷达在岩土工程中的应用 五：工程实例
一：探地雷达 采用电磁波探测的一种技术，频率一般在5-3000MHz， 用于对地下结构，埋藏物以及人造结构成像。 地下不同物体或介质的差异，会对电磁波进行反射， 使用者根据反射图像判断地下异常体的位置。 采用脉冲雷达体制，最早的脉冲雷达系统是Melton于 1937年提出的。 基本工作模式：反射，速度探测，层析成像（雷达 CT)。
2，控制单元的的A/D转换 • A/D转换是决定地质雷达技术指标的核心部件，因为采样率 非常高，采样间隔间隔在10-1-10-2ns之间，A/D转换的分辨 率与采样率茅盾突出，通常采用多次发射，移位采样的方式 达到提高采样率的目的。A/D转换的分辨率有24Bit、16Bit和 8Bit几种，多数地质雷达采用16Bit和8Bit，只有少数地质雷 达达到24Bit。采用高频天线时一般都采用8Bit工作方式。 • 3，控制单元的采集和显示器 • 雷达的数据采集主要是在控制单元中完成的，它可在监视器 进行实时显示，也可不用各厂家生产的监视器，控制单元直 接接笔记本电脑进行采集和显示的控制。目前多数据厂家生 产的雷达都有这两种功能，如果现场不要进行数据处理工作， 也可回到室内通过高速USB口下载数据到电脑中，用专用的 数据处理软件进行处理，解释。
工程实例介绍（二） 北京永定河大堤( 大兴阎家铺险工段)
工程实例介绍（二） 北京永定河大堤( 大兴阎家铺险工段)
土堤大坝内的异常物体如木材、稻草、粮食等都是影响大 坝安全的隐患部位。图为人工埋设异常体雷达探测图象, 可清晰分辨出异常体在坝体内部的埋设深度及形态 图为北京永定河大堤( 大兴阎家铺险工段) 人工埋设异常 体雷达探测图象之一
探地雷达中用到的滤波器 一般我们使用FIR滤波 器 (―有限长冲击响 应”) – FIR Y 频率域滤波器使分析 更加困难 (图中的绿色 曲线) 通常我们使用带通滤 波器 (BP) 用来去除低频成分 用来减少高频噪声 这表示 去除 了对探地雷达来说 “无用的”成分
四：探地雷达在岩土工程中的应用
（1）、在工程基础勘察中确定基岩顶面的埋深，了解风化层或
• 在岩质隧道施工中，爆破开挖导致的松动圈大小对隧道 安全性及支护结构强度有决定性影响。通常通过测试锚 杆的轴力分布来确定爆破松动圈的大小，其方法是在围 岩内埋设轴力锚杆，测试锚杆不同部位的轴力，轴力峰 值位置一般为松动圈位置。图9在长坞岭隧道左线Zk08 810处埋设轴力锚杆测试的成果，测点松动范围2m～ 2.5m。事实上，由于爆破震动导致松动圈范围内的岩 石松动，松动岩石与未松动岩石间也可能出现一个界面， 界面显著与否与岩石的整体强度等因素有关。在不安装 轴力锚杆的情况下，也可以通过地质雷达浅部扫描来粗 略测试松动圈范围。
国内外较为流行的探地雷达产品 • 1、英国π赫： • π赫是一套专用探地雷达系统（GPR），专门设计用于地下 管道的定位和测绘，其内置的专家分析处理软件专门设计用 于线性物体的探测，采用世界最先进的工艺和技术，能够探 测任何材质的管道，非金属管道的探测不再是难题。
• 2、INTERRAGATOR II探地雷达系统
A 扫描类型可视化图
“A 扫描” 可视化图
纵向处理 假设扫描是独立的，我们把它应用于每一扫上。 它是 “纵向”的解释(在Y方向上) 它是一种 “非记忆性的” 处理(不受之前和以后的各 扫影响) 它主要进行下面的处理: – 高通滤波器 – 低通滤波器 – 带通滤波器 – 叠加 – 傅立叶变换 (信号的频谱)
覆盖层的内部结构特征；探测基岩中的洞穴及断层、裂隙结构； 调查与研究第四系活动断层 （2）、用于农田土壤结构及湿度测定，测定土壤介质含水率的 空间与时间变化信息等 （3）、为矿山开发提供服务，在露天矿山的开发中测定剥离层 的厚度，探测采空区的分布范围；在采石场中评价和确定岩体 结构的均匀性及完整性，为开采提供指导 （4）、调查冰川、河流、湖泊以及风力作用等沉积形成的沉积 层的内部结构特征，为古地理、古环境的研究提供有用信息 （5）、为环境调查提供帮助，进行环境污染探测，圈定地下污 染带及埋藏的有害废物的分布范围
GPR基本方法
速度探测 实际使用时，最常用的方法是做一条剖面在剖面中寻找一个已知点 （如管线、钻孔等）通过已知目标物的深度计算出速度，然后得出 其它地下物体的速度。
V=2d/t
GPR基本方法
层析成像 (钻孔雷达)
二：探地雷达设备及描述 探地雷达的主要组成部件 其示意图
1，天线-----发射天线和接收天线 1-1，天线的分类 按测量方法设计分为：收发分体和收发同体 按频率划分可分为：低频(80HZ以下)、中频 (100HZ—1000HZ)、高频(1GHZ以上) 按结构特点划分为：非屏蔽和屏蔽天线 按电性参数划分为：偶极子天线、反射器偶极子天 线、喇叭状天线 按其耦合类型可分为 ：地面耦合和空气耦合型
• 4、RIS探地雷达 • RIS探地雷达是意大利产品，它是一种通用雷达，分多通道和 单通道两种。多通道主要用于对地质考察探测；而单通道是对 浅层的地下目标进行探测，它的原理同π赫基本相同，在现场 能进行快速扫描，采集图像及数据，利用专用软件进行分析和 对比。该系统有80、100、150、200、400、600、1200、 1600MHz的多种天线阵列，用于不同的应用领域。通用雷达 系统不具有专用的解释软件，探测结果需要专业人员利用标准 图形或回到室内进行软件分析，系统提供基于WINDOWS的后 期数据处理软件。专业性要求较高，图像不直观。