畢業(yè)設(shè)計(jì)----地質(zhì)雷達(dá)在工程檢測(cè)中的應(yīng)用

1、<p>　　題 目：地質(zhì)雷達(dá)在工程檢測(cè)</p><p><b>　　中的應(yīng)用</b></p><p>　　專(zhuān) 業(yè)：土木工程(道路與橋梁)</p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　姓 名： </p><p>

2、;　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　學(xué)習(xí)中心： 信息產(chǎn)業(yè)學(xué)院 </p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)</p><p>　　開(kāi)題日期：2010年07月30日 完成日期：2010年 11月 20日</p><p>　　題 目 地質(zhì)雷達(dá)在工程檢測(cè)中的應(yīng)用

3、 </p><p>　　題目類(lèi)型：工程設(shè)計(jì) 技術(shù)專(zhuān)題研究√ 理論研究 軟硬件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)及要求</b></p><p>　　1、題目：論文題目一定要簡(jiǎn)短、明確、有概括性。 </p&g

4、t;<p>　　2、目錄：反映畢業(yè)設(shè)計(jì)的梗概。 </p><p>　　3、摘要：論文摘要概述本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容、特點(diǎn)，文字要簡(jiǎn)練。摘要不少于400字。</p><p>　　關(guān)鍵詞3—5個(gè)。必須將中文摘要翻譯成英文摘要。 </p>&l

5、t;p>　　4、正文：正文是對(duì)設(shè)計(jì)工作的詳細(xì)表述，一般由標(biāo)題、文字、圖、表格和公式等部</p><p>　　分組成。正文字?jǐn)?shù)1萬(wàn)字以上。 </p><p>　　5、參考文獻(xiàn)及附錄：列出主要參考文獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)不少于10篇。 </p><p>　　應(yīng)

6、完成的硬件或軟件實(shí)驗(yàn)</p><p>　　1、地質(zhì)雷達(dá)儀在隧道檢測(cè)中的測(cè)線布置 </p><p>　　2、地質(zhì)雷達(dá)儀在隧道檢測(cè)中的數(shù)據(jù)采集 </p><p>　　3、地質(zhì)雷達(dá)儀在隧道檢測(cè)中的數(shù)據(jù)整理

7、 </p><p>　　4、地質(zhì)雷達(dá)儀在隧道檢測(cè)中的數(shù)據(jù)分析 </p><p>　　應(yīng)交出的設(shè)計(jì)文件及實(shí)物（包括設(shè)計(jì)論文、程序清單或磁盤(pán)、實(shí)驗(yàn)裝置或產(chǎn)品等）</p><p>　　1、畢業(yè)設(shè)計(jì)文件

8、 </p><p>　　指導(dǎo)教師提供的設(shè)計(jì)資料</p><p>　　1、電子稿件和電子圖書(shū) </p><p>　　2、畢業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范及范本

9、 </p><p>　　要求學(xué)生搜集的技術(shù)資料（指出搜集資料的技術(shù)領(lǐng)域）</p><p>　　1、工程雷達(dá)檢測(cè)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí) </p><p>　　

10、2、工程雷達(dá)檢測(cè)的相關(guān)規(guī)范 </p><p>　　3、工程雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)計(jì)算及圖形解析

11、 </p><p>　　4、工程雷達(dá)檢測(cè)儀器的使用及操作等知識(shí) </p><p><b>　　設(shè)計(jì)進(jìn)度安排</b></p><p>　　第一部分　熟練課題，

12、收集、整理課題相關(guān)資料　 （2周）</p><p>　　第二部分　熟練掌握相關(guān)知識(shí)及操作過(guò)程，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)初稿 （4周）</p><p>　　第三部分　畢業(yè)設(shè)計(jì)稿件整理匯編，最終完成畢業(yè)設(shè)計(jì)終稿 （4周）</p><p>　　評(píng)閱或答辯

13、 （ 周）</p><p>　　指導(dǎo)教師： 年 月 日</p><p><b>　　學(xué)院審查意見(jiàn)：</b></p><p>　　審 批 人： 年 月 日</p><p>

14、<b>　　摘 要</b></p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)GPR）是利用超高頻寬頻帶（1MHz~1GHz）短脈沖電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法。地質(zhì)雷達(dá)采用一個(gè)天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，而另一個(gè)或多個(gè)天線用來(lái)接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波的方法來(lái)進(jìn)行勘察工作的。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑，電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)

15、介質(zhì)的電性質(zhì)和幾何形態(tài)而變化，因此，根據(jù)接收到波的雙程走時(shí)、幅度與波形資料，可以推斷介質(zhì)的分布和結(jié)構(gòu)。</p><p>　　由于探地雷達(dá)的工作頻率很高，所以在介質(zhì)中傳播的高、寬頻電磁波很少頻散，傳播速度基本上由介質(zhì)的介電性決定（所謂頻散現(xiàn)象是指波在介質(zhì)中的傳播速度是頻率的函數(shù)，即速度隨頻率而變）。而且探地雷達(dá)由于工作頻率很高，所以其分辨率也相當(dāng)高。隨著頻率的提高，分辨率會(huì)提高，但是探測(cè)深度將會(huì)減少；隨著頻率的降低

16、，分辨率會(huì)降低，但探測(cè)深度將會(huì)增加。所以在實(shí)際應(yīng)用中，我們要選一個(gè)適當(dāng)頻率的天線很重要，以保證達(dá)到工程的要求并能取得良好的效果。</p><p>　　本文將從探地雷達(dá)的理論著手，介紹它的適用范圍，并結(jié)合本次在渝懷線一到十標(biāo)段的實(shí)習(xí)過(guò)程探討儀器使用情況、測(cè)線布置、施測(cè)、資料的處理及解釋等問(wèn)題。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 地質(zhì)雷達(dá) 介電常數(shù) 濾波 采樣率 </

17、p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　GPR (Ground Penetrating Radar, called GPR) is the use of ultra-high frequency wide band (1MHz ~ 1GHz) short-pulse electromagnetic wave detecting a subsu

18、rface distribution of geophysical methods. GPR antenna using a broadband high-frequency electromagnetic waves, and one or more antennas used to receive from the underground medium interface reflection method to carr

19、y out investigation work.Because electromagnetic waves in the medium spread, its path, the electromagnetic field strength and wavefor</p><p>　　As the operating frequency GPR high, so high transmission in the

20、 medium, very little dispersion of broadband electromagnetic waves, propagation velocity basically determines the dielectric medium (the so-called wave dispersion phenomenon is the propagation velocity in the medium 

21、;is a function of frequency, ie the speed with frequency change.) And ground penetrating radar as a result of high frequency, so the resolution is high. As the frequency increases, the resolution will increase,

22、 but the de</p><p>　　This paper will begin penetrating radar theory, introduced its scope, and with this line in Yuhuai bid of one to ten of the internship process equipment usage, survey line layout, sampli

23、ng, data processing and interpretation, etc. problem. </p><p>　　Key words: Ground penetrating radar Dielectric constant Filter Sampling rate </p><p>　　第1章 地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用與發(fā)展</p><

24、p>　　1.1 地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域：</p><p>　　1.1.1工程場(chǎng)地勘察 </p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)最早用于工程場(chǎng)地的勘查，包括重要工程場(chǎng)地、鐵路與公路路基，用以解決松散層分層和厚度分布，基巖風(fēng)化層分布，以及節(jié)理帶斷裂帶等問(wèn)題。有時(shí)也用于研究地下水水位分布，普查地下溶洞、人工洞室等。但由于受自身原理等因素影響,其探測(cè)深度還目前還不能滿(mǎn)足大多數(shù)工程場(chǎng)地的勘察需要。</

25、p><p>　　1.1.2埋設(shè)物與考古探察</p><p>　　考古是地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)較早的領(lǐng)域，利用雷達(dá)探測(cè)古建筑基礎(chǔ)、地下洞室、瓷器、金屬物品等，在國(guó)內(nèi)外有很多成功的例子，如意大利羅馬遺址考古、 中國(guó)三星堆、長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)考古等項(xiàng)目都應(yīng)用了雷達(dá)技術(shù)。</p><p>　　1.1.3 工程質(zhì)量檢測(cè)</p><p>　　工程檢測(cè)近年應(yīng)用領(lǐng)域急速擴(kuò)大，特別

26、是在中國(guó)的重要工程項(xiàng)目中，質(zhì)量檢測(cè)廣泛采用雷達(dá)技術(shù)。鐵路公路隧道襯砌、高速公路路面、機(jī)場(chǎng)跑道等工程結(jié)構(gòu)普遍采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)。用于檢測(cè)襯砌厚度、脫空和空洞、滲漏帶、回填欠實(shí)、圍巖擾動(dòng)等問(wèn)題。檢測(cè)厚度精度可達(dá)厘米級(jí)。由于雷達(dá)檢測(cè)具有分辯率高、數(shù)據(jù)采集方便快速、可信度高等優(yōu)點(diǎn),因而其應(yīng)用也最廣,技術(shù)最成熟。</p><p>　　1.1.4 金屬礦化帶勘查</p><p>　　對(duì)于淺層的金屬礦化帶

27、、斷層蝕變帶以及掌子面附近的金屬礦化帶，可以用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)。礦化帶金屬及氧化物、硫化物富集，電磁性質(zhì)差異明顯，電磁波反射清晰，可為找礦體供參考。</p><p>　　1.1.5 隧道超前預(yù)報(bào)</p><p>　　為保證隧道施工中的人員、設(shè)備安全，保證工期和質(zhì)量，節(jié)約經(jīng)濟(jì)投資，需要進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。目前的超前預(yù)報(bào)主要是采用地震(TSP)、雷達(dá)探測(cè)與地質(zhì)研究相結(jié)合的辦法。TSP預(yù)報(bào)掌子面前

28、100m左右，地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)20-30m范圍內(nèi)。</p><p>　　1.1.6 地下管網(wǎng)探測(cè)</p><p>　　在現(xiàn)今城市改造中，經(jīng)常需要了解地下管網(wǎng)，如電力管線、熱力管線、上下水管線、輸氣管線、通信電纜等，這對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)是很容易的。不但可探測(cè)到水平位置分布，還可以確定其深度，得到三維分布圖。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀</p

29、><p>　　隨著科技的不斷發(fā)展和提高,同時(shí)為了滿(mǎn)足在工程中的巨大需求,地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在歐美地區(qū)很受重視，技術(shù)也日趨成熟,每年都召開(kāi)國(guó)際討論會(huì)，同時(shí)由于國(guó)內(nèi)的實(shí)際需要，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)也取得了很大的發(fā)展。下面簡(jiǎn)單介紹一下主要的雷達(dá)生產(chǎn)廠商和產(chǎn)品。</p><p>　　GSSI公司成立于1970年，1990年加入OYO集團(tuán)，首先推出SIR-10型雷達(dá)，1994年推出SIR-20型雷達(dá)，上世紀(jì)末本世紀(jì)初

30、推出了SIR-20, 最近又推出體積更輕便小巧的SIR-3000。</p><p>　　美國(guó)PLUS RODAR公司的PLUS RODAR Ⅴ型路用雷達(dá)，采用空氣耦合雙及型天線，有250MHz，500MHz、1GHz、2GHz多種型號(hào)。同時(shí)可安裝4個(gè)不同頻率的天線，測(cè)量速度可達(dá)110km/h。</p><p>　　意大利意銳（IDS）公司生產(chǎn)的RIS-2K/MF雷達(dá)（北京博態(tài)克公司代理），

31、多通道雷達(dá)。IDS公司具有多年國(guó)防及衛(wèi)星雷達(dá)經(jīng)驗(yàn)，民用始于20年前，意大利電信在安裝光纖前需探測(cè)地下目標(biāo)，提出了極其嚴(yán)格的要求，IDS公司為此研制出RIS-2K/MF雷達(dá)系統(tǒng)。目前配置的天線的頻率有80、100、150、200、400、600、1200、1600MHz。</p><p>　　加拿大的Sensors&Software公司生產(chǎn)的Pulse EKKO系列地質(zhì)雷達(dá)在上世紀(jì)初就進(jìn)入了中國(guó)(雷迪公司代

32、理)，早期產(chǎn)品為Pulse EKKO Ⅳ，接著有功能改進(jìn)的Pulse EKKO 100。該儀器的特點(diǎn)是接收與數(shù)字采樣都放在天線中，通用光纖與筆記本電腦通訊，筆記本電腦作為記錄器，抗干擾性強(qiáng)。但聯(lián)線太多，野外使用不太方便。</p><p>　　瑞典生產(chǎn)地質(zhì)雷達(dá)較早，上世紀(jì)80年代中期，ABEM公司就生產(chǎn)井下透射雷達(dá)，到現(xiàn)在工程探測(cè)及檢測(cè)雷達(dá)及各類(lèi)天線齊全。瑞典的MALA GEOSCIENCE公司，丹麥的依可-丹公司

33、，也都生產(chǎn)探地雷達(dá)。</p><p>　　國(guó)內(nèi)在上世紀(jì)80年代就開(kāi)始地質(zhì)雷達(dá)的研究工作，主要是為了煤礦安全，重慶煤研所在很多煤礦進(jìn)行了試驗(yàn)，采用模擬信號(hào)、屏幕顯示技術(shù)，不是數(shù)字雷達(dá)。90年代初外國(guó)雷達(dá)進(jìn)入中國(guó)后，電子部22所和航天部愛(ài)迪爾公司也先后開(kāi)始數(shù)字化雷達(dá)的研制，分別推出了自己的產(chǎn)品。90年代末和本世紀(jì)初驕鵬公司與礦大研究生院也分別研制出自己的產(chǎn)品。</p><p>　　愛(ài)迪爾公司推

34、出的CIDRC道路檢測(cè)雷達(dá)，天線中心頻率750MHz、1000MHz、2000MHz,并配有層位追蹤軟件，適合公路路面測(cè)量。后有開(kāi)發(fā)出CBS-900探地雷達(dá)一體化機(jī)，配有高頻、中頻和低頻天線，10MHz—2GHz系列。用于混凝土結(jié)構(gòu)、路面、工程場(chǎng)地等各種測(cè)量。</p><p>　　上世紀(jì)90年代中期，電子部青島22所原在河南新鄉(xiāng)時(shí)就研制出LTD-3型探地雷達(dá)，配有80MHz-1000MHz屏蔽型天線和25MHz-

35、2000MHz非屏蔽性天線，并配有分析軟件，用于混凝土結(jié)構(gòu)、路面、工程場(chǎng)地等各種測(cè)量。其軟件最早采用小波分析方法，效果很好。</p><p>　　驕鵬公司的GEOPEN型地質(zhì)雷達(dá)推出的比較晚，但一體化和造型設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)是最好的。光纖傳輸，25MHz--400 MHz中低頻天線，250MHz-2000 MHz中高頻屏蔽天線。并有GRIM型井間雷達(dá)系統(tǒng)，一次可采集多頻信號(hào)，0.5-32MHz。</p>&

36、lt;p>　　第2章 地質(zhì)雷達(dá)基本原理</p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)是一種采用高頻電磁波（中心頻率可從幾十兆赫至幾千兆赫）以寬頻帶短脈沖（脈沖寬度小至1～2ns）和高速采樣技術(shù)（采樣間隔可達(dá)小于1ns）的一種新型的物探方法，用于確定地下介質(zhì)分布。它利用一個(gè)天線發(fā)射高頻電磁波，另一個(gè)天線接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的電磁波。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形隨所通過(guò)的介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)變化。因此，根據(jù)

37、接收到波的旅行時(shí)間、幅度與波形資料，可以推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)方法采用自激自收的天線和地層傾角不大時(shí)，反射波的全部路徑幾乎是垂直地面的。因此，在測(cè)線不同位置上法線反射時(shí)間的變化就反映了地下地層的構(gòu)造形態(tài)。同時(shí)由于探地雷達(dá)的工作頻率高，在地質(zhì)介質(zhì)中以位移電流為主。因此，高頻寬頻帶電磁波的傳播，實(shí)質(zhì)上很少頻散，速度基本上由介質(zhì)的介電性質(zhì)決定。因此，電磁波傳播理論與彈性波的傳播理論有許多類(lèi)似的

38、地方，兩者的波動(dòng)方程形式一致（波動(dòng)方程中代表的物理意義不同）。電磁波的傳播遵循反射定律和折射定律，反射波返回地面由接收天線所接收，形成雷達(dá)圖象信息。</p><p>　　2.1 工程介質(zhì)中電磁波的傳播理論</p><p>　　電磁波是交變電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互激發(fā)在空間傳播的波動(dòng)。工程介質(zhì)中電磁波的傳播依然滿(mǎn)足麥克斯韋方程。為清楚地理解雷達(dá)檢測(cè)理論基礎(chǔ)，需要對(duì)介質(zhì)中的電磁場(chǎng)、電磁波的傳播、波速、

39、衰減、反射與折射的理論有一個(gè)基本的了解。</p><p>　　2.1.1 電磁場(chǎng)與電磁波的傳播方程</p><p>　　巖土、混凝土、鋼筋、鐵板、水、空氣等為常見(jiàn)的工程介質(zhì)，前兩者電導(dǎo)較小，中間兩者為良導(dǎo)體。在這些介質(zhì)中電磁波傳播的麥克斯韋方程為：</p><p><b>　　▽×E=-μHt’</b></p><

40、;p>　　▽×H=εEt’+σE</p><p><b>　　▽·E=0</b></p><p><b>　　▽·H=0</b></p><p>　　通常介質(zhì)的介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ都是電磁波頻率的函數(shù)。式中E為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量，σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率。不失一般性，滿(mǎn)足上述麥克斯韋

41、方程的、沿X方向傳播的頻率為ω的平面電磁波，其電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的表達(dá)式為：</p><p>　　E(x,t)=Eoe-αx+i(βx-ωt)</p><p>　　H(x,t)=Hoe-αx+i(βx-ωt)</p><p>　　2.1.2 介質(zhì)中的電磁波速與能量衰減特性</p><p>　　描述電磁波傳播特性的波矢量k為復(fù)數(shù)：k=β+iα,

42、 β描述波傳播的相位，稱(chēng)為相位常數(shù)；α描述波幅的衰減，稱(chēng)為衰減常數(shù)，它們是介質(zhì)的性質(zhì)。相位常數(shù)與衰減常數(shù)與介質(zhì)電磁參數(shù)及頻率的關(guān)系如下：</p><p>　　β=ω（με）1/2[（（1+σ2/ω2ε2）1/2+1）/2]1/2</p><p>　　α=ω（με）1/2[（（1+σ2/ω2ε2）1/2-1）/2]1/2 </p><p>　　根據(jù)介質(zhì)的電磁性質(zhì)，分三

43、種情況對(duì)上式進(jìn)行討論。</p><p>　　對(duì)于低電導(dǎo)介質(zhì)，滿(mǎn)足σ<10-7S/m，σ/εω《1，此時(shí)相位常數(shù)、衰減常數(shù)和電磁波速V為：</p><p>　　β=ω（με）1/2 </p><p>　　α=σ（μ/ε）1/2 </p><p>　　V=ω/β=（1/με）1/2</p><p>

44、;　　上式說(shuō)明對(duì)于低電導(dǎo)介質(zhì)，電磁波速與介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的平方根成反比。對(duì)于非鐵磁性物質(zhì)，導(dǎo)磁率為1。衰減常數(shù)與電導(dǎo)率成正比，與介電常數(shù)的平方根成反比。說(shuō)明電磁波能量的衰減主要是由于感生渦流損失引起的。</p><p>　　對(duì)于高電導(dǎo)介質(zhì)，滿(mǎn)足σ>10-2S/m，σ/εω»1，此時(shí)相位常數(shù)、衰減常數(shù)和電磁波速V為：</p><p>　　β=α=（σμω）1/2

45、 </p><p>　　V=ω/β=（ω/σμ）1/2</p><p>　　上式說(shuō)明在高導(dǎo)介質(zhì)中，波速與頻率的平方根成正比，與電導(dǎo)率的平方根成反比，波速是頻率和電導(dǎo)率的函數(shù)，波速很低。如對(duì)于銅，電導(dǎo)率為5*107，在100MHZ時(shí)波速為3.5m/s；對(duì)于1GHZ的頻率，電磁波速為11m/s。這一速度與空氣及巖土介質(zhì)中的電磁波速相比，可以認(rèn)為導(dǎo)體中的電磁波速為0。也就是說(shuō)，在導(dǎo)體中電磁波很難

46、傳播。通常用波幅降至原值的1/e的傳播距離稱(chēng)為穿透深度δ：</p><p>　　δ=1/α=（2/σμω）1/2</p><p>　　該式說(shuō)明穿透深度與電導(dǎo)率和頻率的平方根成反比。在100MHz頻率下，對(duì)于銅的穿透深度僅為0.7*10-3cm，局限于表面。在空氣中電場(chǎng)與磁場(chǎng)的幅值是相等的，且兩者相位相同。而在導(dǎo)體中磁場(chǎng)強(qiáng)度比電場(chǎng)大，相位滯要后電場(chǎng)45°，這些都與感生電流有關(guān)。&l

47、t;/p><p>　　（μ/ε）1/2|H/E|=（σ/ωε）1/2 》1</p><p>　　對(duì)于中等電導(dǎo)的介質(zhì)， 滿(mǎn)足 10-7S/m<σ<10-2S/m，對(duì)于100MHz-1.0GMHz頻段，</p><p>　　10-16<σ/ωε<10-11〈〈 1</p><p>　　電磁波的傳播條件依然很好，與低電導(dǎo)介質(zhì)基本

48、相同。</p><p>　　2.1.3 結(jié)構(gòu)介質(zhì)中電磁波的反射與折射</p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)主要是通過(guò)記錄反射波來(lái)研究地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此深入研究電磁波在介質(zhì)界面的反射與折射規(guī)律是十分重要的。電磁波在界面上的反射與折射滿(mǎn)足如下邊界條件：</p><p>　　a. 界面兩側(cè)電場(chǎng)的切向分量連續(xù)：n×(E1-E2)=0</p><p

49、>　　界面兩側(cè)磁場(chǎng)的切向分量連續(xù)：n×(H1-H2)=0</p><p>　　圖2-1入射波在界面引起的反射與折射</p><p>　　入射波矢量與界面法線構(gòu)成了入射平面，可以證明，反射波矢量與折射波矢量在同一平面內(nèi)。根據(jù)Snell定律有，入射角等于反射角，折射角滿(mǎn)足正弦定理：</p><p>　　SinΘi/SinΘ2=V1/V2=(ε2/ε1)1

50、/2 （μ=1）</p><p>　　圖2-2給出投射波和反射波方向的Snell定律的圖形化說(shuō)明</p><p>　　由于電磁波是橫波，電場(chǎng)強(qiáng)度可以垂直入射平面，磁場(chǎng)平行入射平面，稱(chēng)為T(mén)E</p><p>　　極化的反射和折射；相反，磁場(chǎng)垂直入射平面，電場(chǎng)平行入射平面，稱(chēng)為T(mén)M極化的反射和折射。</p><p>　　TE極化:電場(chǎng)的反

51、射系數(shù)E1/EO：</p><p>　　E1/EO=(ε11/2CosΘi-ε21/2CosΘ2)/(ε11/2CosΘi+ε21/2CosΘ2)</p><p>　　當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，Θi=Θ2=0，電場(chǎng)的反射系數(shù)為：</p><p>　　E1/EO=(ε11/2-ε21/2)/(ε11/2+ε21/2) （μ=1）</p><

52、;p>　　電場(chǎng)的折射系數(shù)E2/EO：</p><p>　　E2/EO=2ε11/2CosΘi/(ε11/2CosΘi+ε21/2CosΘ2)</p><p>　　當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，Θi=Θ2=0，電場(chǎng)的折射系數(shù)為：</p><p>　　E2/EO=2ε11/2/(ε11/2+ε21/2)</p><p>　　TM極化：電場(chǎng)的反射系數(shù)E

53、1/EO：</p><p>　　E1/EO=(ε21/2CosΘi-ε11/2CosΘ2)/(ε21/2CosΘi+ε11/2CosΘ2)</p><p>　　當(dāng)ε21/2CosΘi-ε11/2CosΘ2=0時(shí)有Θi+Θ2=90°，反射系數(shù)為零，沒(méi)有反射；</p><p>　　當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，Θi=Θ2=0，電場(chǎng)的反射系數(shù)為；</p>&

54、lt;p>　　E1/EO=(ε21/2-ε11/2)/(ε11/2+ε21/2) </p><p>　　電場(chǎng)的折射系數(shù)E2/EO：</p><p>　　E2/EO=2ε11/2CosΘi/(ε21/2CosΘi+ε11/2CosΘ2)</p><p>　　當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，Θi=Θ2=0，電場(chǎng)的折射系數(shù)為：</p><p&

55、gt;　　E2/EO=2ε11/2/(ε11/2+ε21/2)</p><p>　　由上述兩個(gè)極化條件的反射和折射關(guān)系可以看出，反射系數(shù)和折射系數(shù)都是不同的。當(dāng)垂直入射時(shí)，兩者反射系數(shù)數(shù)值相等，但差一個(gè)負(fù)號(hào)；兩者的折射系數(shù)相同。在雷達(dá)檢測(cè)中，TE和TM極化是同時(shí)存在的，他們反映天線不同方位的反射與折射振幅的大小。</p><p>　　2.2 電磁波傳播特點(diǎn)概述</p><

56、;p>　　大家知道，電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)也會(huì)有衰減。電磁波在有耗介質(zhì)中的衰減是由于傳導(dǎo)電流的熱損耗和介質(zhì)極化過(guò)程中的附加損耗。除了這些本質(zhì)原因，還有波的空間發(fā)散損耗和散射損耗。</p><p><b>　　圖2-3</b></p><p>　　在上圖中，發(fā)射天線T和接收天線R的水平距離為 X，地面到反射界面的法向深度為Z。發(fā)射雷達(dá)探測(cè)原理：</p>

57、<p>　　當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速為V(m/ns)已知時(shí)，可根據(jù)精確測(cè)得的走時(shí)t (單位為ns,1ns=10¯9s),由上式可求出反射物的深度（m）.</p><p>　　波的雙程走時(shí)由反射脈沖相對(duì)于發(fā)射脈沖的延時(shí)進(jìn)行測(cè)定。反射脈沖波形由重復(fù)間隔發(fā)射（重復(fù)率為20KHz-100KHz）的電路按采樣定律等間隔地采集疊加后獲得。考慮到高頻波的隨機(jī)干擾性質(zhì)，由地下返回的發(fā)射脈沖系列均經(jīng)過(guò)多次疊加（次數(shù)為

58、幾十到數(shù)千次）。這樣，若地面的發(fā)射和接收天線沿探測(cè)線以等間隔移動(dòng)時(shí)，即可在縱坐標(biāo)為雙程走時(shí)t(ns), 橫坐標(biāo)為距離x(m)的探地雷達(dá)屏幕上描繪出僅僅由反射體的深度所決定的“時(shí)距”波形道的軌跡圖。</p><p>　　圖2-4雷達(dá)剖面示意圖</p><p>　　與此同時(shí)，探地雷達(dá)儀即以數(shù)字形式記下每一道波形的數(shù)據(jù)，它們經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后，即可打印輸出。</p><p>

59、　　反射脈沖波形的明顯程度是探地雷達(dá)圖象地質(zhì)解釋的重要依據(jù)。它決定與發(fā)射脈沖波的能量。波在地質(zhì)界面上的反射特征以及波在地下介質(zhì)中行進(jìn)時(shí)的衰減條件。發(fā)射脈沖的振幅一般在100~200V或更大的范圍，這是受高頻窄脈沖電路的限制的，反射特性則決定于物性界面的波阻抗差別。以反射系數(shù)描述之，對(duì)于平面波，反射系數(shù)：</p><p>　　Z為法向波阻抗，由介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和入射角決定（不同極化波具有不同的三角函數(shù)形式）

60、。角標(biāo)指出波所在的介質(zhì)。可以看出，由于介質(zhì)具有導(dǎo)電性，反射系數(shù)呈復(fù)數(shù)形式。對(duì)于非平面波此值將在幾何光學(xué)條件下任起主導(dǎo)作用。若考慮位移電流為主，則：</p><p>　　εr為相對(duì)介電常數(shù)。這樣,對(duì)于土壤和花崗巖的交界面，反射系數(shù)模值|R|≈0.3333(兩者的εr分別設(shè)為20和5)，即反射能量為入射能量的33.33%。濕灰?guī)r和濕花崗巖（兩者的εr分別為8和7）接觸，則為0.0334，即反射能量為入射能量的3.34

61、%。顯然，介電常數(shù)對(duì)反射系數(shù)的影響至關(guān)重要，而含水性則于</p><p><b>　　εr值密切相關(guān)。</b></p><p>　　波在有耗介質(zhì)中的衰減是由于傳導(dǎo)電流的熱損耗和介質(zhì)極化過(guò)程中的附加損耗。除了這些本質(zhì)原因，還有波的空間發(fā)散損耗和散射損耗。若僅考慮前一原因，以吸收系數(shù)表征的波衰減特性與介質(zhì)性質(zhì)的理論關(guān)系為：</p><p>　　μ，

62、ε和σ分別為介質(zhì)的磁導(dǎo)率、介電常數(shù)和導(dǎo)電率。ω為角頻率。</p><p>　　μ=μ0·μr , N/A² (1)</p><p>　　ε=ε0·εr, (2)</p><p>　　ω=2πf

63、 (3)</p><p><b>　　對(duì)于低導(dǎo)介質(zhì)有：</b></p><p>　　(Np/m,1/m)</p><p>　　1Np/m=8.686 dB/m</p><p>　　它正比于σ而于εr呈根號(hào)反比關(guān)系。在一般介質(zhì)中β還于f有關(guān)，大致是隨f的升高而加大。</p><p&

64、gt;　　波速的確定，使地質(zhì)雷達(dá)的雙程時(shí)間可轉(zhuǎn)換為深度。速度</p><p><b>　　V=λf=ω/α</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　稱(chēng)為相位系數(shù)。對(duì)于低導(dǎo)介質(zhì)有：</p><p><b>　　于是</b></p>&

65、lt;p>　　fˊ為以兆赫茲計(jì)的頻率，這樣，空氣、水和灰?guī)r（εr分別為1，81和9）三種介質(zhì)中，對(duì)100MHz頻率波長(zhǎng)分別為3m，0.33m，和1m，而V分別為：0.3m/ns，0.033m/ns和0.1m/ns.</p><p>　　2-1巖土介質(zhì)的電性參數(shù)表</p><p>　　*該表數(shù)據(jù)來(lái)自《電法勘探新進(jìn)展》 地質(zhì)出版社 </p><p>　　2.3地

66、質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理概述</p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)勘探是一種高分辨率探測(cè)技術(shù)。80年代以來(lái)，由于電子技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的飛速發(fā)展，在公路路面、路基、稱(chēng)道襯砌質(zhì)量檢測(cè)、考古調(diào)查等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　圖2-5 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理示意圖</p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)（GPR）依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進(jìn)行工作，電磁波脈沖在介質(zhì)中的傳播路徑、波

67、形隨所通過(guò)介質(zhì)的介電差異、幾何形態(tài)而變化。根據(jù)接收到的反射波的旅行時(shí)間、幅值、頻率、波形變化資料，可推斷地質(zhì)目的體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)。由于GPR采用了高頻寬頻帶短脈沖電磁波（1MHz~1GHz），與其他方法相比具有更高的分辨率、準(zhǔn)確率。</p><p>　　當(dāng)電磁波到達(dá)兩種不同介質(zhì)特性的分界面時(shí)，由于上下介質(zhì)的電磁特性不同會(huì)發(fā)生反射與折射。入射波、反射波與折射波的方向遵循反射定律和折射定律。見(jiàn)下圖所示：<

68、/p><p>　　圖2-6 電磁波在介質(zhì)分界面的反射和折射</p><p>　　電磁波在介質(zhì)界面的折射和反射特性由折射系數(shù)T和反射系數(shù)R表示，對(duì)于非磁性介質(zhì)，當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)（θ=0），可下式表示：</p><p>　　式中：ε1和ε2分別為上下介質(zhì)的介電常數(shù)</p><p>　　由上式可知，對(duì)于非磁性介質(zhì)，電磁波的反射特性與介質(zhì)的介電常數(shù)

69、有密切關(guān)系。在混凝土結(jié)構(gòu)中，空洞、裂縫、鋼筋、素混凝土、圍巖的介電常數(shù)有明顯的差異。他們之間能形成良好的電磁波反射界面。故為地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)提供了一定的前提條件。</p><p>　　2.4 地質(zhì)雷達(dá)構(gòu)造及工作原理</p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)由雷達(dá)系統(tǒng)和顯示處理系統(tǒng)兩大部分組成，雷達(dá)系統(tǒng)由發(fā)射脈沖源、收發(fā)天線、取樣接收電路和主機(jī)控制電路等組成。用來(lái)獲得目標(biāo)的回波信息，顯示處理系統(tǒng)由工控機(jī)和

70、地質(zhì)雷達(dá)專(zhuān)用測(cè)量、處理軟件組成。具備動(dòng)態(tài)測(cè)試，實(shí)時(shí)圖像連續(xù)顯示和數(shù)據(jù)處理功能。</p><p>　　圖2-7 地質(zhì)雷達(dá)構(gòu)成框圖</p><p>　　工作時(shí)，由發(fā)射脈沖發(fā)出的脈寬為毫微秒量級(jí)的射頻脈沖，經(jīng)位于地面上的寬帶發(fā)射天線耦合到地下，當(dāng)發(fā)射脈沖波在地下傳播過(guò)程中遇到介質(zhì)分界面，目標(biāo)或其他局域非均勻體時(shí)，一部分脈沖能量反射回到地面，并由地面上的寬帶接收天線所接收。取樣接收電路在雷達(dá)主機(jī)

71、取樣控制電路的控制下，按等效時(shí)間采樣原理將接收到的高速重復(fù)視脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成低頻信號(hào)。送到顯示系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和處理。實(shí)際探測(cè)過(guò)程中，天線沿隧道壁移動(dòng)，脈沖信號(hào)不斷的被發(fā)射和接收。顯示處理系統(tǒng)將A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)按一定方式進(jìn)行編碼排列及處理，以二維形式（橫向?yàn)榭臻g坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)測(cè)線上的水平位置，縱向?yàn)闀r(shí)間坐標(biāo)，表示回波信號(hào)的雙程走時(shí)，對(duì)應(yīng)于深度）給出連續(xù)的地下剖面圖象。在剖面圖中，不同的介質(zhì)分界面將有異常顯示，依次可對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析

72、和判斷。</p><p>　　第3章 地質(zhì)雷達(dá)的野外施測(cè)與數(shù)據(jù)采集</p><p>　　在工程質(zhì)量的檢測(cè)中,雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集非常重要，它直接涉及到以后資料處理和解釋工作的成果好壞。所以在實(shí)測(cè)過(guò)程中我們要注意以下幾點(diǎn):估計(jì)探測(cè)對(duì)象的性質(zhì)特點(diǎn)，工區(qū)環(huán)境的考查,測(cè)線布置、現(xiàn)場(chǎng)紀(jì)錄、選擇相應(yīng)的天線，設(shè)置雷達(dá)采集參數(shù)，隧道質(zhì)量檢測(cè)中還要注意到工程現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況,圍巖的類(lèi)型等問(wèn)題。在后邊的敘述中，我將進(jìn)

73、一步來(lái)說(shuō)明。</p><p>　　3.1 探測(cè)目的與目標(biāo)</p><p>　　一個(gè)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)探測(cè)項(xiàng)目都會(huì)有確定的檢測(cè)對(duì)象，明確的檢測(cè)目的和要求。從這些目的要求中應(yīng)該特別清楚地明確下列要點(diǎn)，以便正確設(shè)置儀器參數(shù)和合理布置測(cè)線。這些要點(diǎn)包括：</p><p>　　探測(cè)目標(biāo)深度；關(guān)系到雷達(dá)時(shí)間窗口的大小</p><p>　　探測(cè)目標(biāo)水平尺度；決

74、定測(cè)線的間距</p><p>　　目標(biāo)是二度體還是三度體；應(yīng)測(cè)線布置方案</p><p><b>　　要求的分辨率；</b></p><p>　　目標(biāo)與環(huán)境電磁向值差異的大小；</p><p>　　3.2 測(cè)線布置與標(biāo)記：</p><p>　　測(cè)線布置一般應(yīng)盡可能與異常的走向垂直，同時(shí)測(cè)線的間距

75、應(yīng)該小于或等于目標(biāo)尺度與分辨率尺度，以防目標(biāo)漏測(cè)，對(duì)于一般的二度體，可以布置一個(gè)方向的測(cè)線，如需反映三度體的特性或做成三維成像，則應(yīng)布置多條測(cè)線或構(gòu)成測(cè)網(wǎng)?！　　?lt;/p><p>　　圖3-1二度體探測(cè)剖面布置　　 圖3-2三度體探測(cè)剖面布置</p><p>　　測(cè)量中要做好場(chǎng)地標(biāo)記和記錄打標(biāo)。場(chǎng)地標(biāo)記包括測(cè)線標(biāo)記和測(cè)線上距離標(biāo)記。同時(shí)，雷達(dá)記錄里的標(biāo)記要與場(chǎng)

76、地標(biāo)記相一致。</p><p>　　3.3 觀測(cè)場(chǎng)地與環(huán)境記錄</p><p>　　觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)記錄很重要，它是資料解釋的基礎(chǔ)。有些環(huán)境干擾信號(hào)被記錄下來(lái)，如電線桿反射、側(cè)面墻反射、金屬物品反射等，如不參考現(xiàn)場(chǎng)記錄很容易被錯(cuò)判為地下異常體?，F(xiàn)場(chǎng)記錄的要點(diǎn)是把那些可能產(chǎn)生反射干擾的地物都記錄下來(lái)，注明它們的性質(zhì)、與測(cè)線的距離、位置關(guān)系等。</p><p>　　3.4

77、地質(zhì)雷達(dá)的觀測(cè)方式</p><p>　　一般來(lái)講，地質(zhì)雷達(dá)的觀測(cè)方式隨天線類(lèi)型的不同而有所不同。按天線的頻率特性講，有高頻、中頻和低頻天線；以結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又劃分為非屏蔽、屏蔽天線；以電性參數(shù)分有偶極子天線、反射器偶極子天線、喇叭狀天線。采用不同種天線結(jié)構(gòu)是為了獲得較高的發(fā)射效率。下邊就地質(zhì)雷達(dá)的主要觀測(cè)方式：剖面法觀測(cè)、多天線法觀測(cè)、寬角法觀測(cè)和多次覆蓋方式觀測(cè)予以簡(jiǎn)要的概述。</p><p>

78、;　　3.4.1 剖面法觀測(cè)</p><p>　　該方法是使收、發(fā)天線以固定間隔距離沿測(cè)線同步移動(dòng)的一種觀測(cè)方式，發(fā)射天線和接收天線同時(shí)移動(dòng)一次便獲得一個(gè)記錄。當(dāng)發(fā)射天線和接收天線沿測(cè)線移動(dòng)時(shí)，就可以得到由一個(gè)個(gè)記錄組成的地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖象。同樣，橫坐標(biāo)表示天線在測(cè)線上的空間位置，縱坐標(biāo)表示雷達(dá)脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經(jīng)地下界面發(fā)射回到接收天線的雙程走時(shí)。這種記錄能準(zhǔn)確的反映測(cè)線下各個(gè)反射面的起伏變化情況。</

79、p><p>　　3.4.2寬角法觀測(cè)</p><p>　　在寬角法觀測(cè)當(dāng)中，一個(gè)天線固定在地面某一點(diǎn)不動(dòng)，而另一個(gè)天線沿測(cè)線移動(dòng)，記錄地下各個(gè)不同層面反射波的雙程走時(shí)。據(jù)幾何地震學(xué)原理，我們根據(jù)圖1 得到地下深度為Z的水平界面反射電磁波的時(shí)距方程：</p><p>　　式中：X為收發(fā)天線之間的距離，V為地層中電磁波的傳播速度，當(dāng)Z=0時(shí)，則有：</p>&

80、lt;p>　　該式即為地表直達(dá)波的時(shí)距方程。</p><p>　　3.4.3 多次覆蓋法</p><p>　　探地雷達(dá)在探測(cè)來(lái)自地下深部界面的反射波時(shí)，會(huì)由于信噪比過(guò)小，不易識(shí)別。這時(shí)可采用類(lèi)似地震的多次覆蓋法技術(shù)。應(yīng)用不同天線距的發(fā)射—接收天線在同一測(cè)線進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。然后把所得到的測(cè)量記錄中測(cè)點(diǎn)位置相同（其中心點(diǎn)）的記錄進(jìn)行疊加，能增加所得的記錄信噪比，壓制多次反射波以及隨機(jī)噪聲

81、干擾。</p><p>　　3.4.4 多天線法</p><p>　　這種方法是利用多個(gè)天線進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)天線道使用的頻率可以相同也可以不同。每個(gè)天線道的參數(shù)如點(diǎn)位、測(cè)量時(shí)窗、增益等都可以單獨(dú)用程序控制。多天線測(cè)量又有兩種方式：</p><p>　　第一種方式是所有天線相繼工作，形成多次單獨(dú)掃描，這多種掃描使得一次測(cè)量的覆蓋面積廣，從而提高工作效率。另外也可以利用

82、多次掃描結(jié)果進(jìn)行疊加處理，有利于提高記錄的信噪比。</p><p>　　第二種方式是所有天線同時(shí)工作，利用時(shí)間偏移推遲各道的接收時(shí)間，可以形成一個(gè)合成雷達(dá)記錄，改善系統(tǒng)的聚焦特性，即天線的方向特性。聚焦程度取決于各天線之間的間隔。一般來(lái)講，天線間距越大聚焦效果越好。</p><p>　　3.5 地質(zhì)雷達(dá)儀器參數(shù)的選擇</p><p>　　參數(shù)的選擇貫穿于整個(gè)數(shù)據(jù)的采

83、集和處理的全過(guò)程。下邊就數(shù)據(jù)采集過(guò)程中儀器的參數(shù)選擇問(wèn)題給予簡(jiǎn)要介紹。</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量開(kāi)始前應(yīng)該對(duì)雷達(dá)的采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，這一工作最好在進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)前在室內(nèi)完成，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后可根據(jù)情況略加調(diào)整。參數(shù)設(shè)定的內(nèi)容包括時(shí)間窗口大小、掃描樣點(diǎn)數(shù)、每秒掃描數(shù)、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換位數(shù)、增益點(diǎn)數(shù)等內(nèi)容。參數(shù)設(shè)置的是否合理影響到記錄數(shù)據(jù)的質(zhì)量，至關(guān)重要。</p><p>　　3.5.1 探測(cè)深度與時(shí)窗長(zhǎng)度

84、</p><p>　　探測(cè)深度的選取是頭等重要的，既不要選得太小丟掉重要數(shù)據(jù)，也不要選得太大降低垂向分辨率。一般選取探測(cè)深度H為目標(biāo)深度的1.5倍。根據(jù)探測(cè)深度H和介電常數(shù)ε確定采樣時(shí)窗長(zhǎng)度（Range/ns）：</p><p>　　Range= 2H(ε)1/2/0.3(ns)= 6.6 H(ε)1/2(ns)</p><p>　　例如對(duì)于地層巖性為含水的砂層時(shí)，

85、介電常數(shù)為25，探測(cè)深度為3m時(shí)，時(shí)窗長(zhǎng)度應(yīng)選為100ns，時(shí)窗選擇應(yīng)略有富余，寧大勿小。</p><p>　　3.5.2 A/D采樣分辨率：</p><p>　　雷達(dá)的A/D轉(zhuǎn)換有8Bit、16Bit、24Bit可供選用。選擇24Bit動(dòng)態(tài)大，強(qiáng)弱反射信號(hào)都能記錄下來(lái)，探測(cè)深度大、時(shí)窗長(zhǎng)時(shí)采用。16Bit，動(dòng)態(tài)中等，中高頻天線、探測(cè)2-5m時(shí)采用；選擇8Bit動(dòng)態(tài)小，采集速度快，探測(cè)深

86、度小于1m、時(shí)窗小時(shí)采用；</p><p>　　3.5.3 掃描樣點(diǎn)數(shù)</p><p>　　掃描樣點(diǎn)數(shù)Samples/Scan有128、256、512、1024、2048/scan可供選用，為保證高的垂向分辨，在容許的情況下盡量選大。對(duì)于不同的天線頻率Fa、不同的時(shí)窗長(zhǎng)度Range，選擇樣點(diǎn)數(shù)Samples應(yīng)滿(mǎn)足下列關(guān)系： </p><p>　　Samples

87、≧10-8*Range*Fa</p><p>　　該關(guān)系保證在使用的頻率下一個(gè)波形有10個(gè)采樣點(diǎn)。例如對(duì)于900MHZ天線，40ns采樣長(zhǎng)度的時(shí)窗，要求每掃描道樣點(diǎn)數(shù)大于360 Samples/Scan，可以選擇接近的值512。對(duì)于100MHZ天線，500ns采樣長(zhǎng)度，樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)大于500 Sanples/ Scan,因而可以取512或1024。樣點(diǎn)數(shù)大對(duì)提高資料的質(zhì)量有利，但耗時(shí)較大，影響前進(jìn)速度。</p&

88、gt;<p>　　3.5.4 掃描速率Scans/s：</p><p>　　掃描速率是定義每秒鐘雷達(dá)采集多少掃描線記錄，掃描速率大時(shí)采集密集，天線的移動(dòng)速度可增大，因而盡可能的選大些。但是它受儀器能力的限制。對(duì)于一種類(lèi)型的雷達(dá)，他的A/D采樣位數(shù)、掃描樣點(diǎn)數(shù)和掃描速度三者的乘積應(yīng)為常數(shù)。當(dāng)掃描速率Scans/s決定后，要認(rèn)真估算天線移動(dòng)速度TV。估算移動(dòng)速度的原則是要保證最小探測(cè)目標(biāo)（SOB）內(nèi)只

89、少有20條掃描線記錄：</p><p>　　TV≦Scans*SOB/20</p><p>　　例如探測(cè)目標(biāo)最小尺度為10cm、掃描速率64Scans/s時(shí),推算天線運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)小于32cm/s，相當(dāng)于0.5cm/scan。如果最小目標(biāo)為0.5m,則天線移動(dòng)速度可達(dá)1.5m/s。</p><p>　　3.5.5 增益點(diǎn)數(shù)的選擇：</p><p&g

90、t;　　增益點(diǎn)的作用是使記錄線上不同時(shí)段有不同放大倍數(shù)，使各段的信號(hào)都能清楚的顯現(xiàn)出來(lái)，增益點(diǎn)的位置最好是在反射信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)段附近。SIR型雷達(dá)設(shè)計(jì)的增益點(diǎn)從2到8個(gè)，時(shí)窗短時(shí)選2點(diǎn)增益，時(shí)窗長(zhǎng)時(shí)選4或5足矣。點(diǎn)之間的增益是線性變化的，增益的變化是平滑的。增益大小的調(diào)節(jié)是使多數(shù)反射信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到滿(mǎn)度的60%-70%，增益太大將造成信號(hào)削頂，增益太小將丟失弱小信號(hào)。</p><p>　　3.5.6 濾波設(shè)置：<

91、;/p><p>　　濾波設(shè)置是為了改善記錄質(zhì)量。濾波分為垂向?yàn)V波和水平濾波。垂向?yàn)V波分高通和低通，高通頻率選為天線頻率的1/4，高于這個(gè)頻率的信號(hào)順利通過(guò)，這相當(dāng)于帶通濾波器里的低截頻率。垂向低通頻率選為天線頻率的2倍，低于該頻率的波順利通過(guò)，這相當(dāng)于帶通濾波器里的高截頻率。</p><p>　　水平濾波分為水平平滑和背景剔除，目的是消除儀器和環(huán)境的背景干擾。水平平滑通常取3道平滑，背景剔除功

92、能只在回放時(shí)起作用。</p><p>　　3.5.7 選擇合適的采集方式：</p><p>　　雷達(dá)的采集方式有多種，對(duì)SIR儀器有連續(xù)采集、逐點(diǎn)采集、控制輪采集。連續(xù)采集是最常用的采集方式，具有工作效率高的特點(diǎn)，便于界面連續(xù)追蹤。逐點(diǎn)采集一般在表面起伏變化大的情況下采用，或是使用低頻拉桿天線時(shí)采用。控制輪采集是通過(guò)控制論行走為記錄打標(biāo)記，資料位置標(biāo)記均勻準(zhǔn)確，一般在表面平整的機(jī)場(chǎng)跑道、高

93、速公路路面等場(chǎng)合采用。</p><p>　　3.5.8 選擇適宜的顯示方式：</p><p>　　雷達(dá)顯示是現(xiàn)場(chǎng)觀察探測(cè)結(jié)果的只管展示，儀器預(yù)設(shè)了幾個(gè)可供選擇的彩色顯示方式，可以根據(jù)不同對(duì)象選用，通過(guò)比較選擇效果最好的方案。</p><p>　　3.5.9 分辨率</p><p>　　和地震彈性波相似，我們將電磁波在縱向和橫向上所能區(qū)分地層

94、單元的最小尺度稱(chēng)為地質(zhì)雷達(dá)的垂直分辨率和水平分辨率。顯然，分辨率與雷達(dá)波的波長(zhǎng)和地質(zhì)體的埋深有關(guān)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)體埋深一定時(shí)，波長(zhǎng)越短，雷達(dá)波頻率越高，其分辨率越高。如：混凝土中電磁波速度V=0.12m/ns，主頻為400MHz，則其波長(zhǎng)λ=V/F=0.3m ，若按λ/4作為垂直分辨率的下限，則可分辨的最薄地層的厚度為0.075m(7.5cm)，若按λ/8作為分辨率的極限，則可分辨的最薄地層厚度為3.75cm,</p><p

95、>　　可見(jiàn)，地質(zhì)雷達(dá)的縱向分辨率是很高的。對(duì)于橫向分辨率，經(jīng)類(lèi)似的分析，也在數(shù)厘米到數(shù)十厘米的范圍。</p><p>　　第四章 地質(zhì)雷達(dá)資料處理</p><p>　　4.1 處理的目的</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)采集的地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)包含很多干擾，有環(huán)境的干擾，也有雷達(dá)采集中噪聲。有用信號(hào)被淹沒(méi)其中很難識(shí)別，因而需要采取有效的處理技術(shù)，地質(zhì)雷達(dá)資料處理的目的就

96、是消除干擾突出有用信號(hào),提高信噪比。由于地質(zhì)雷達(dá)反射記錄的波形比地震波復(fù)雜的多，一方面是地質(zhì)雷達(dá)分辨率高，記錄的信號(hào)很豐富；另一方面是由于電磁波的干擾因素多；同時(shí)由于雷達(dá)發(fā)射的子波比較復(fù)雜，并非簡(jiǎn)單的脈沖。因而雷達(dá)資料的處理和解釋是一項(xiàng)復(fù)雜、細(xì)致的工作。此外，現(xiàn)場(chǎng)采集時(shí)天線移動(dòng)難保正勻速，記錄標(biāo)記也不均勻。對(duì)于不同的探測(cè)對(duì)象，資料處理的技術(shù)選擇也不完全相同。一般的處理都包含記錄標(biāo)記的歸一化、水平與垂直濾波、電磁波速分析等三步。在完成上述

97、處理之后，我們根據(jù)不同的探測(cè)對(duì)象，選擇針對(duì)性的處理辦法。</p><p>　　4.2 雷達(dá)記錄標(biāo)記的歸一化</p><p>　　雷達(dá)記的標(biāo)記有時(shí)用手打，有時(shí)用測(cè)量輪。用測(cè)量輪打的標(biāo)記記錄比較均勻，每米的掃描數(shù)是相等的。用手工打的標(biāo)記因移動(dòng)速度不等，一般每米掃描數(shù)都不太均勻。資料處理的第一步就是作標(biāo)記的歸一化處理，使每米掃描數(shù)相同。</p><p>　　4.3 雷

98、達(dá)的數(shù)字濾波處理技術(shù)</p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量中，為了保持有更多的反射波特征，通常利用寬頻帶進(jìn)行記錄，于是在記錄各種反射波的同時(shí)，也記錄了各種干擾波。數(shù)字濾波技術(shù)就是利用頻譜特征的不同來(lái)壓制干擾波，以突出有效波,它包括水平濾波和垂直濾波。</p><p>　　4.3.1 水平濾波</p><p>　　水平濾波對(duì)處理雷達(dá)資料特別需要，這是因?yàn)槔走_(dá)資料中水平波特

99、別發(fā)育，它產(chǎn)生于雷達(dá)儀器本身。來(lái)自于控制器、饋線、天線的相互作用，是難以避免的。水平波具有時(shí)間相等的特點(diǎn)，水平濾波就是利用這一特性。濾波過(guò)程中，可將相鄰的一定數(shù)量的掃描線求平均，再與個(gè)別掃描線相比較，就可消除水平波。水平濾波中選取的掃描線數(shù)越大，濾波效果越小。相反選取的掃描線數(shù)越小，濾除水平波的效果越明顯。但如果水平濾波掃描線取得太少，可能會(huì)濾掉一些緩變界面信號(hào)。因而在進(jìn)行水平濾波時(shí)，要根據(jù)對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)、調(diào)整，以求最佳效果。一般情況下可

100、先選10-100條掃描線開(kāi)始嘗試。</p><p>　　圖4-1 水平波率圖</p><p>　　4.3.2 垂直濾波</p><p>　　垂直濾波就是地震資料處理中常用的濾波方法，其中較為常用的方法有帶通濾波，高通濾波，低通濾波，小波變換等。垂直濾波的目的是為了消除雜散波干擾，這些雜散波是來(lái)自于外源，不是天線自身發(fā)出的，頻率不在雷達(dá)天線頻帶內(nèi)。有時(shí)為了區(qū)分不同

101、的地質(zhì)體，選取不同的頻帶，都要用到垂直濾波。垂直濾波是一種數(shù)學(xué)變換，有時(shí)會(huì)帶來(lái)較大的失真，濾波的頻帶越窄，失真越大，應(yīng)用中要認(rèn)真選取方法和參數(shù)。因?yàn)槔走_(dá)天線的發(fā)射與接收都設(shè)定了帶寬，也就是說(shuō)雷達(dá)信號(hào)本身已經(jīng)過(guò)濾波，所以一般資料處理中的濾波處理改善并不明顯。下圖是兩組高低頻成分濾波前后的對(duì)比。</p><p>　　4.4 增益調(diào)節(jié)與顯示選擇</p><p>　　增益調(diào)節(jié)與顯示方式選擇是雷達(dá)資

102、料的處理最有效的手段，它可使圖像目標(biāo)更加清晰，易于識(shí)別。增益調(diào)節(jié)主要是調(diào)節(jié)增益點(diǎn)的數(shù)目，同時(shí)也就改變了增益點(diǎn)的位置，使用自動(dòng)增益可使有用信號(hào)得到清晰顯示。一般情況下對(duì)50ns長(zhǎng)的記錄選擇3-4點(diǎn)增益比較合適，100ns以長(zhǎng)的記錄選擇4-5點(diǎn)增益，400ns以長(zhǎng)的記錄可選擇5-6點(diǎn)增益。</p><p>　　顯示選擇包含兩個(gè)層次的選擇，一個(gè)層次是選擇顯示方式，另一個(gè)層次是選擇顯示模板?？晒┻x擇的顯示方式有波形、變面

103、積、能量譜等顯示方式，其中比較常用的是后兩種，其中能量譜顯示方式效果更好些。顯示模板包含不同的色彩配比，而更重要的是能量反差大小及變換關(guān)系的配比，這兩種配比組合形成幾十中模板，根據(jù)不同的對(duì)象，選擇合適的模板，可達(dá)到顯示目的。例如要顯示空洞，可選擇反差大模板，只將能量較強(qiáng)信號(hào)顯現(xiàn)出來(lái)，中等和弱的信號(hào)被忽略，可突出空洞的形態(tài)。</p><p><b>　　圖4-2</b></p>

104、<p><b>　　圖4-3</b></p><p><b>　　圖4-4</b></p><p>　　第5章 工程中雷達(dá)資料的解釋及其分析</p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)野外數(shù)據(jù)，采用“RADAN 6.5”軟件包進(jìn)行處理后輸出雷達(dá)剖面圖。雷達(dá)剖面圖作為資料解釋的基本圖件。</p><p&g

105、t;　　1、混凝土襯砌層厚度的劃分</p><p>　　2、空洞與不密實(shí)帶的確定</p><p>　　3、襯砌界面深度的計(jì)算方法</p><p>　　按公式Ｈ＝V×T／２進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算，其中Ｖ為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，T為反射波組所對(duì)應(yīng)的雙程反射時(shí)間，Ｈ為襯砌層厚度。</p><p><b>　　基巖信號(hào)特征形態(tài)：&l

106、t;/b></p><p>　　淺埋基巖起伏大，反射波強(qiáng)，斷續(xù)特征明顯，與空洞反射有類(lèi)似之處，是高速體反射射波，波相與地面波反向?；鶐r陷漏柱邊界形態(tài)清楚，與巖層水平產(chǎn)狀反射波形態(tài)形成明顯對(duì)比。</p><p>　　圖5-1基巖信號(hào)特征形態(tài)</p><p>　　下列埋葬物波阻抗差異較大，反射波強(qiáng)，形態(tài)孤立，埋藏體體積小，有多次波特征，說(shuō)明可能是空的。如果是空的，

107、第一反射振相是正的；如果是金屬的，第一反射振相是負(fù)的，而且吸收強(qiáng)，沒(méi)有多次波。</p><p>　　圖5-2地下埋葬物信號(hào)特征</p><p><b>　　混凝土的信號(hào)特征：</b></p><p>　　400MHz天線的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖上有一組連續(xù)性較好、能量較強(qiáng)的反射波組，對(duì)應(yīng)了混凝土襯砌（初期支護(hù)和二次襯砌形成一個(gè)綜合層）與圍巖的分界面（見(jiàn)

108、下圖）。</p><p>　　圖5-3混凝土的信號(hào)特征</p><p>　　空洞和不密實(shí)帶的信號(hào)特征：</p><p>　　在雷達(dá)時(shí)間剖面圖上，將“雙曲線”異常解釋為襯砌內(nèi)或回填層內(nèi)的空洞，將零亂的團(tuán)塊狀或條帶狀的強(qiáng)反射異常判識(shí)為襯砌內(nèi)或回填層內(nèi)的不密實(shí)帶</p><p>　　圖5-4空洞和不密實(shí)帶的信號(hào)特征</p><p

109、>　　鋼筋網(wǎng)與格柵鋼架的圖象特征：</p><p>　　在雷達(dá)時(shí)間剖面圖上，鋼筋網(wǎng)的特征主要表現(xiàn)為沿垂直方向成密集型的強(qiáng)反射異常</p><p>　　而鋼架的特征主要表現(xiàn)為沿垂直方向成離散型的強(qiáng)反射異常，</p><p>　　圖5-5鋼筋網(wǎng)與格柵鋼架的圖象特征</p><p>　　襯徹厚度與脫空的波形特征：</p><

110、;p>　　襯砌與圍巖之間的脫空區(qū)為空氣，與混凝土和圍巖的波阻抗差異很大，反射波正反相間，波相先蘭后紅，反射很強(qiáng)，脫空區(qū)斷續(xù)蜿蜒，位置清晰明顯，極易辨別。</p><p>　　圖5-6襯徹厚度與脫空的波形特征</p><p>　　隧道圍巖結(jié)構(gòu)的波相特征：</p><p>　　灰?guī)r是一種節(jié)理、裂隙比較發(fā)育的巖體，雷達(dá)波可將這種巖體結(jié)構(gòu)清晰的顯現(xiàn)出來(lái)。節(jié)理裂隙斷斷續(xù)