城市道路地下空洞探測的地質(zhì)雷達技術(shù)

1、<p>　　城市道路地下空洞探測的地質(zhì)雷達技術(shù)</p><p>　　摘要：城市道路下空洞探測的技術(shù)要求除了速度快、分辨率高之外，還要求儀器抗干擾能力強、機動靈活。本文從地質(zhì)雷達工作原理、技術(shù)特點、參數(shù)設(shè)置和處理解釋等方面著手，對地質(zhì)雷達技術(shù)在城市道路地下空洞探測方面進行了歸納與總結(jié)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達、空洞、城市道路 </p><p>

2、;　　中圖分類號：U41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p>　　隨著城市地下空間的不斷開發(fā)利用，特別是大規(guī)模的地鐵建設(shè)施工，因為復(fù)雜的地質(zhì)條件和多變的施工環(huán)境，不時有地面下陷和沉降過大的報道。在繁忙的城市道路上快速、準(zhǔn)確的對存在的較大空洞提前預(yù)警并準(zhǔn)確定位，地質(zhì)雷達成為最主要的探測技術(shù)之一。 </p><p>　　1、地質(zhì)雷達工作原理 </p><p>

3、　　地質(zhì)雷達是一種寬頻帶高頻電磁波信號探測介質(zhì)分布的無損探測儀器。它通過天線發(fā)射和接收電磁波反射信號，在測線上不斷移動天線來獲得相關(guān)的剖面圖像。地質(zhì)雷達天線的發(fā)射端向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波信號在地下傳播時遇到不同介質(zhì)的界面時就會發(fā)生反射，反射的電磁波被與發(fā)射端同步移動的天線接收端接收后，通過雷達主機精確記錄反射回的電磁波的波形特征，再通過相關(guān)的技術(shù)處理，得到雷達剖面圖，通過對剖面圖波形特征的分析，判斷測線位置下是否存在空洞或異常。

4、</p><p>　　介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大。由于空洞內(nèi)填充的介質(zhì)與周邊的介質(zhì)存在明顯的電性質(zhì)差異，電磁波會在空洞的界面處發(fā)生反射，反射的電磁波由地面的接收天線接收，根據(jù)電磁波發(fā)射與反射波返回的時間差和介質(zhì)中電磁波的傳播速度來確定空洞距測量表面的距離，達到檢出地下空洞位置的目的。 </p><p>　　電磁波傳播時間與空洞深度的關(guān)系如下： </p>&

5、lt;p>　　其中：z：目標(biāo)體深度，單位米；v：電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，單位米/秒；c：電磁波在真空中的傳播速度；：介質(zhì)的相對介電常數(shù)，無單位；t：地質(zhì)雷達記錄的電磁波傳播時間。通過這個公式，可以將雷達接收到的雙程走時轉(zhuǎn)換為反射目標(biāo)體的深度。地質(zhì)雷達的工作原理見圖1。 </p><p>　　地質(zhì)雷達主要利用寬高頻時域電磁脈沖波的反射探測目標(biāo)體。 </p><p>　　地質(zhì)雷達根據(jù)測

6、得的電磁波傳播時間，自動求出反射物的深度z和范圍。 </p><p>　　圖1 地質(zhì)雷達的工作原理示意圖 </p><p>　?。?、地質(zhì)雷達探測方法的優(yōu)點 </p><p>　　地質(zhì)雷達具備設(shè)備輕便、探測速度快、信號屏蔽效果好、分辨率高、對檢測對象無破壞等優(yōu)點。地質(zhì)雷達系統(tǒng)通常由雷達主機、天線和連接光纖或電纜組成，能夠在復(fù)雜的城市交通路面上快速拖動，采集數(shù)據(jù)速度快，

7、無需特別準(zhǔn)備，能夠在短時間內(nèi)迅速采集到大量的地下信息；地質(zhì)雷達在進行城市道路地下空洞探測時，使用的天線頻率較高，因此可以得到高分辨率的探測結(jié)果；地質(zhì)雷達系統(tǒng)對探測對象本身不產(chǎn)生破壞，達到完全的無損檢測，達到保護探測對象的目的。 </p><p>　　3、天線的選擇和參數(shù)設(shè)置 </p><p>　　根據(jù)檢測工作分辨率的需要，通常選用兩種頻率的天線對測區(qū)進行探測，例如100MHz和500MHz

8、屏蔽天線。雷達檢測參數(shù)設(shè)置通常遵循如下原則： </p><p>　?、俨蓸宇l率（Sampling Frequency）：數(shù)值設(shè)置為大約天線頻率的10倍，。采樣頻率與波形長度有關(guān)，采樣頻率越高，對應(yīng)的時窗越小。 </p><p>　　②采樣數(shù)（Number of Samples）：采樣數(shù)設(shè)置較高，將會增大整個的時窗長度，降低采集速度并增大數(shù)據(jù)文件。 </p><p>

9、　?、蹠r窗（Time Window）：受采樣頻率和采樣數(shù)的控制。時窗=采樣數(shù)/采樣頻率。 </p><p>　?、苡|發(fā)間隔（Trig Interval）：數(shù)值大小會影響目標(biāo)體在雷達圖上的成像比例。經(jīng)過試驗對比，100MHz和500MHz屏蔽天線觸發(fā)間隔分別為0.05m和0.02m時，圖像效果較好。 </p><p>　?、莜B加次數(shù)：自動疊加（Auto Stacking），雷達系統(tǒng)自動執(zhí)行盡

10、可能多的疊加次數(shù)。 </p><p>　?、抻|發(fā)方式：距離觸發(fā)，連續(xù)采集數(shù)據(jù)。 </p><p><b>　　4、資料處理 </b></p><p>　　地質(zhì)雷達在數(shù)據(jù)采集過程中，會受到其他電磁信號、儀器噪音和復(fù)雜地下構(gòu)造等因素的影響，儀器記錄的信息除有用信號外，還會產(chǎn)生許多干擾信號，這些干擾信號降低了信號的信噪比，掩蓋了真實異常并且經(jīng)常產(chǎn)生假

11、異常，使檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，因此在利用雷達資料進行檢測結(jié)果解釋之前，還需要進行數(shù)字處理來壓制干擾波，提高信號的信噪比。地質(zhì)雷達資料處理的主要任務(wù)是依據(jù)地質(zhì)雷達探測的基本原理，利用電磁波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律和數(shù)字信號處理的方法，在計算機上對采集的雷達數(shù)據(jù)進行有效的濾波處理，使得到的記錄中突出顯示與地下信息的位置、形態(tài)、結(jié)構(gòu)和大小等有效信息，為后期的解釋服務(wù)。通常需要采用的處理步驟有： </p><p>　?、貲C rem

12、oval：通常每道波形的振幅都存在一個常量的偏移，我們稱之為直流偏移。這步處理將在數(shù)據(jù)中去除DC部分，每道波形都將被單獨的計算，作用范圍通常取時窗長度下部的三分之一，時窗開的越大，這個濾波作用效果越明顯。 </p><p>　　②Subtract Mean Trace：這步處理通過減去一個所有道波形的平均值來在雷達圖像上消除水平或近似水平的特征。這步處理的作用是通過減去一個一定道數(shù)或全部道數(shù)振幅的平均值在雷達圖像

13、上消除水平或近似水平的特征。處理后可以明顯看出圖像頂部的地面反射或直達波影響明顯削弱。如果圖像處理的目的是突出分層效果，這個步驟可以省略不用。 </p><p>　?、跘utomatic gain control(AGC)：自動增益控制能夠調(diào)整每道波形的增益，主要通過調(diào)整時間窗口內(nèi)的平均振幅來實現(xiàn)。AGC濾波器主要目的通過對時窗信號的放大來突出深部的有用信息。放大系數(shù)的選擇非常重要，放大倍數(shù)小了，達不到突出深部有

14、效信號的作用，但放大倍數(shù)如果過大，則會起到相反的作用。 </p><p>　?、蹷and Pass：帶通濾波主要是在數(shù)據(jù)中去除不想要的頻率，在低取舍點和高取舍點區(qū)間之外的頻率成份都將被削弱。地質(zhì)雷達儀器的頻帶寬度非常大，在數(shù)據(jù)處理中，可以根據(jù)想要的效果，使用帶通濾波器在數(shù)據(jù)中去除不想要的頻率，保留需要的頻率。處理過后，圖像上的“毛刺”消失，看起來更加直觀。 </p><p>　　⑤Runn

15、ing Average：這步處理通過對激活采樣窗口內(nèi)全部采樣的平均值來替換每個采樣值，這使雷達圖像看起來更加平滑。該步處理是通過對一定范圍內(nèi)的像素點取平均值來替換該范圍內(nèi)的每個采樣值，這使雷達圖像看起來更加平滑。取點范圍可以是3×3、5×5、7×7、9×9或11×11，選取的范圍越大，圖像處理后就越平滑。 </p><p>　　5、資料解釋和實例 </p&g

16、t;<p>　　通過對地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)進行有效處理后，可以得到高信噪比的資料，但是要得到準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，還需要結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場記錄，盡量剔除假異常，得到真正的地下結(jié)構(gòu)信息，使雷達檢測信息和地下真實情況相對應(yīng)，獲取真正的異常信息，并對該異常信息作合理解釋。 </p><p>　　城市道路下空洞的形成通常是因為各種因素的原因造成土層局部下沉，土層之間形成空洞或者脫空，空洞范圍一般較大，空洞區(qū)填充物一般為空

17、氣、水或其他混合填充物，厚度一般為數(shù)厘米到數(shù)十厘米。因為空洞區(qū)填充介質(zhì)與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)差異較大，所以雷達剖面上的空洞波形特征反映明顯，一般表現(xiàn)為同相軸不連續(xù)，上部界面反射信號強，三振相明顯，在其下部仍有反射界面信號，兩組信號時程差較大。 </p><p>　　5.1 應(yīng)用實例1 </p><p>　　圖2是在北京城區(qū)某處探測得到的地質(zhì)雷達剖面圖，雷達主機采用瑞典MALA公司CUII型號

18、主機，天線采用100Mhz屏蔽天線。從圖上可以看出，紅的方框區(qū)域內(nèi)同相軸不連續(xù)、反射能量強，三振相明顯，下部有反射界面信號，基本符合空洞波形特征。后來對此區(qū)域進行了注漿加強處理。 </p><p>　　圖2 地質(zhì)雷達剖面圖 </p><p><b>　　5.2應(yīng)用實例2 </b></p><p>　　圖3是在北京大興某處探測得到了地質(zhì)雷達剖面圖

19、，雷達主機采用瑞典MALA公司X3M型號主機，天線采用100Mhz屏蔽天線。因探測區(qū)域地質(zhì)情況良好，雷達探測深度也較大。在圖上藍(lán)色橢圓框內(nèi)，可以明顯看出同相軸不連續(xù)，上部界面反射信號強，三振相明顯，在其下部仍有反射界面信號，兩組信號時程差較大，符合空洞的波形特征。 </p><p>　　圖3 地質(zhì)雷達剖面圖 </p><p><b>　　6、結(jié)束語 </b></

20、p><p>　　地質(zhì)雷達雖然具有探測速度快、分辨率高、抗干擾能力強等優(yōu)點，但作為一種物探方法，它還是具有物探檢測方法的明顯特點---多解性，因此，對地質(zhì)雷達探測出來的重點區(qū)域，還應(yīng)采用其他方法進行確認(rèn)和復(fù)測。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　1 李大心編著.探地雷達方法與應(yīng)用.北京：地質(zhì)出版社 </p&