地質(zhì)雷達(dá)原理及應(yīng)用

1、地質(zhì)雷達(dá)理論及應(yīng)用,1904年，德國的Hulsemeyer首次嘗試用電磁波信號來探測遠(yuǎn)距離地面金屬體，這便是探地雷達(dá)的雛形。1910年，G.Letmbach和H.Lowy在一項(xiàng)德國專利中指出，用埋設(shè)在一組鉆孔中的偶極天線探測地下相對高導(dǎo)電性的區(qū)域，正式提出了探地雷達(dá)的概念。1926年，德國的Httlsenberg第一個提出應(yīng)用脈沖技術(shù)確定地下結(jié)構(gòu)的思路，并指出電磁波在介電常數(shù)不同的介質(zhì)交界面上會產(chǎn)生反射，這個結(jié)論也成為了探地雷達(dá)研究領(lǐng)域

2、的一條基本理論依據(jù)。1929年Stern進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)的首次實(shí)際應(yīng)用，他用無線電干涉法測量冰川的厚度。cook在1960年用脈沖雷達(dá)在礦井中做了試驗(yàn)。但是地下介質(zhì)比空氣對電磁波有更強(qiáng)的衰減特性，其傳播規(guī)律比在空氣中也要復(fù)雜的多，而早期地質(zhì)雷達(dá)頻率一般比較低，應(yīng)用僅局限于對電磁波吸收很弱的諸如冰層、巖鹽等介質(zhì)中。 隨著現(xiàn)代應(yīng)用電子技術(shù)的高速發(fā)展和人們對電磁波認(rèn)識進(jìn)一步加深，地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用范圍從低耗散介質(zhì)擴(kuò)展到土層、巖層、混

3、凝土等有耗散介質(zhì)中，例如：地質(zhì)勘查、考古、無損檢測、管線探測以及建筑結(jié)構(gòu)調(diào)查等。,非屏蔽天線可應(yīng)用于：基巖探測、地質(zhì)分層、巖熔及空洞探測、湖(河)底形態(tài)調(diào)查、隧道超前探測、壩體深部探測、古墓及其它未知物探測、冰川調(diào)查、滑坡調(diào)查等土木建筑、地質(zhì)學(xué)及水文地質(zhì)學(xué)方面。,探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar）是一種高科技的地球物理探測儀器，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于高速公路，機(jī)場的路面質(zhì)量檢測；隧道，橋梁，水庫大壩檢測；地下管線

4、，地下建筑的檢測等諸多的工程領(lǐng)域。 探地雷達(dá)利用一個天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接受來自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料，可推斷地下介質(zhì)的分布情況。,一、基本原理,地質(zhì)雷達(dá)屬于高頻電磁波，工作原理是基于電磁波的反射原理。地質(zhì)雷達(dá)由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖波的發(fā)射機(jī)和

5、向外輻射電磁波的天線(Tx)組成。通過發(fā)射天線電磁波以60°～90°的波束角向地下發(fā)射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面產(chǎn)生反射。反射波被設(shè)置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收，與此同時接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達(dá)波，反射波和直達(dá)波同時被接收機(jī)記錄或在終端將兩種顯示出來。,圖1　地質(zhì)雷達(dá)探測原理示意圖,,,圖中T為發(fā)射天線, R為接收天線, 兩者間距為X, H為反射點(diǎn)的埋深。波從T出發(fā), 按幾何光學(xué)原理

6、經(jīng)。返回地面到達(dá) 的時間為。設(shè)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度為。由簡單的幾何關(guān)系可得出,當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時，可根據(jù)精確測得的走時t，由公式求得目標(biāo)體的深度H。式中x值即收發(fā)距，在剖面測量中是固定的；v值可用寬角法直接測量，也可以根據(jù)近似計算公式計算：,,c為光速；,為地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。,常見介質(zhì)的 和,波的雙程走時由反射脈沖相對于發(fā)射脈沖的延時而確定。雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負(fù)峰分別以黑色和白色

7、表示，或以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線，即可形象地表征出地下反射界面。在波形記錄上，各測點(diǎn)均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面。,,由于探地雷達(dá)的電磁波主要是在非理想介質(zhì)中傳播的所以其衰減的速度非常快，這構(gòu)成了雷達(dá)應(yīng)用的主要障礙，即探測的深度有限。電磁波的電場強(qiáng)度隨著距離的衰減規(guī)律是：,,,其中為 介質(zhì)的吸收系數(shù)，它隨電導(dǎo)率的增大和介電常數(shù)的減小而增大。 趨膚深度,,發(fā)射天線發(fā)射電磁波穿透地

8、下介質(zhì) 穿透深度取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率 記錄反射時間 介質(zhì)中電磁波速度一般在 50 - 150 m/µs 工作模式: 反射（多數(shù)情況下使用） 透射（層析成像、雷達(dá)CT,鉆孔雷達(dá)或?qū)Υ┨綔y）,探地雷達(dá)是如何工作的？,發(fā)射天線發(fā)射電磁波穿透地下介質(zhì) 穿透深度取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率 記錄反射時間 介質(zhì)中電磁波速度一般在 50 - 150 m/µs 工作模式:

9、 反射（多數(shù)情況下使用） 透射（層析成像、雷達(dá)CT,鉆孔雷達(dá)或?qū)Υ┨綔y）,探地雷達(dá)是如何工作的？,GPR 工作方法 – 反射,雷達(dá)探測的95% 是用偶極反射模式 從原理上將，GPR 類似于聲納設(shè)備 發(fā)射機(jī)發(fā)射一 “列”電磁脈沖， 該脈沖在介質(zhì)中傳播 在地下介質(zhì)的電特性有變化的地方 發(fā)生反射(即散射) 接收機(jī)拾取“背散射”信號，記錄它 并將其顯示在計算機(jī)屏

10、幕中,GPR 方法- 反射,GPR工作方法 – 層析成像 (鉆孔雷達(dá)),二、地下介質(zhì)的電特性,電特性,要探測的介質(zhì)的電特性, 決定雷達(dá)方法是否適用。 在用雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)勘探時, 水是決定電特性的最主要的因素。,傳導(dǎo)電流: Jc = s E s = 電導(dǎo)率(S/m) s = 1/r (電阻率, W m) 電導(dǎo)率是一個物體傳導(dǎo)電流的能力（或電荷在介質(zhì)中流動 的難易程度。 如: -

11、電子在金屬板內(nèi) - 水中離子的移動,No E-field,E-fieldapplied,No E-field,電特性,GPR信號的穿透深度 與土壤的導(dǎo)電率有關(guān) (低致金屬目標(biāo)體):,電特性,,土壤中的水含量與電導(dǎo)率,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,水含量 (水的重量/土壤重量),電導(dǎo)率的對數(shù) (mS/m),電特性,關(guān)于電導(dǎo)率和GPR 探測的有用建議:

12、 當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的電導(dǎo)率小于 10 mS/m (或大于100 Ohmm), GPR 方法通常會得到好的結(jié)果 當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的電阻率小于30 Ohmm), GPR 方法無法應(yīng)用,,電特性,極化電流: D = e

13、E e = 介電常數(shù) (F/m) er = e/ e 自由空間 (標(biāo)量) 相對介電常數(shù)的值表示將介質(zhì)中電荷分開的力。 如: - 分子偶極子的移動 一些分子的特性 - 金屬物體中的電荷 嵌在周圍環(huán)境內(nèi),No E-field,E-fieldapplied,No E-field,電特性,相對介電常數(shù)和

14、GPR 信號速度的關(guān)系:,電特性,相對介電常數(shù)和“足印”的關(guān)系:“足印” 定義為探測的 “有效區(qū)域 ”,電特性,屏蔽天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu),反射系數(shù): 電磁波反射是由地下土壤中電阻抗的變化 產(chǎn)生的。 對GPR 頻率范圍，地下介質(zhì)的阻抗變化 主要由相對介電常數(shù)的變化決定的。,此處: z1 = 第 1層的阻抗 z2 = 第2層的阻抗 r = 反

15、射系數(shù),電特性,反射系數(shù): 對GPR, 反射系數(shù)近似等于 “反射能力” (Pr),電特性,,電特性,水含量與相對介電常數(shù): 多數(shù)干燥的地下介質(zhì)， 其相對介電常數(shù)值 <10 水的相對介電常數(shù)是81,三、探地雷達(dá)常用詞匯的含義,樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、時間窗（以實(shí)時采樣為例）,為什么雷達(dá)不是實(shí)時采樣?,接收機(jī)接收的信號,,[t],,發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號,周期,重復(fù)采樣原理（取樣示波）,每一個采樣周期，發(fā)射機(jī)都發(fā)射一個完整

16、的脈沖信號，接收機(jī)記錄其中一個點(diǎn)的信號,脈沖重復(fù)頻率！,采樣頻率：最好大于天線中心頻率的10倍（一定不要小于6倍），一般達(dá)到20倍就足夠了，再增加采樣頻率信號也不會改善。時間窗/樣點(diǎn)數(shù)：時間窗根據(jù)你準(zhǔn)備探測的深度確定，最好比你期望 的探測深度大30%。要增大時間窗，最好的辦法是增加 樣點(diǎn)數(shù)，盡量不要降低采樣頻率。信號位置/直達(dá)波：一般把直達(dá)

17、波的起始位置調(diào)到30個樣點(diǎn)處（通常 自動搜索就夠了，不行的話手動調(diào)整）,電磁波的傳播路徑,,土壤 (εr,σ),,實(shí)際雷達(dá)圖像的直達(dá)波,,單道波形,疊加次數(shù)：疊加是通過平均來提高信噪比，噪聲水平是疊加次數(shù) 平方根的倒數(shù)。 兩種疊加方式：樣點(diǎn)疊加（在點(diǎn)測時使用），優(yōu)點(diǎn)是采集 時天線不動，效

18、果好；道疊加（時間和距離采集時使用） 優(yōu)點(diǎn)是方便。采集模式：測距輪（距離）：最常用方式，結(jié)果解釋準(zhǔn)確可靠 時間：當(dāng)無法沿確定測線探測時，如果GPS信號有， 可以采用。 鍵盤（點(diǎn)測）：低頻天線做深部探測采用，疊加可以很高 道：在地面上某一點(diǎn)采集

19、的一個完整的波形道間距/時間間隔：根據(jù)探測需要選取天線中心頻率：每個天線都有一個頻率范圍，它不是單頻的,電磁波的頻率分布（頻譜）,? = c/f,帶寬的定義：,,帶寬 B : fh – fl, - 10dB 為極限值,帶寬和中心頻率決定了探測的效果,下面的例子可以看出帶寬的重要性,帶寬低的雷達(dá)圖像被稱為“煙圈（震蕩）”,天線的方向性在實(shí)際使用中的影響：,RTA天線：收發(fā)天線順向排列， 對極淺部物體無法探測。平行

20、排列天線： 沿X方向移動（屏蔽天線一般 這樣用），得到的信息多； 沿Y方向移動：可以更好地穿 透鋼筋網(wǎng)，結(jié)果可能會好些,雷達(dá)分辨率,分辨率決定了地球物理方法分辨最小異常介質(zhì)的能力。雷達(dá)分辨率可以分為垂直分辨率與水平分辨率。1、垂直分辨率 我們將探地雷達(dá)剖面中能夠區(qū)分一個以上反射界面的能力稱為垂直分辨率。,例:800MHz 天線,介質(zhì)速度 100m/us -> λ

21、c = 12.5cmδr = 3cm在深度 10cm時 δl = 8cm在深度 50cm 時δl = 18cm在深度 100cm時 δl = 25cm,水平分辨率隨深度的增加而降低,雷達(dá)的分辨率：,注意：雷達(dá)天線是寬頻的，它有各種頻率成分，因此用800兆天線達(dá)到2.1厘米的分辨率是可能的！不要過分拘泥于理論細(xì)節(jié)，電磁波太復(fù)雜！,四、電磁波速度的確定,當(dāng)有反射體存在時，雷達(dá)只記錄電磁波走的時間。為了準(zhǔn)確了解反射體的埋深，我們必須

22、知道電磁波在該介質(zhì)中的傳播速度。,確定電磁波速度有以下方法:使用標(biāo)準(zhǔn)速度通過已知深度的目標(biāo)體進(jìn)行校正雙曲線擬合偏移處理共中心點(diǎn)探測實(shí)驗(yàn)室方法,1. 使用標(biāo)準(zhǔn)速度,材料速度 (m/us)空氣 300水 33干沙 150飽含水的沙 60石灰?guī)r 110頁巖 90淤泥 70粘土

23、 60花崗巖 130混凝土 110冰 160,結(jié)合你在這一地區(qū)使用雷達(dá)的經(jīng)驗(yàn)確定電磁波速度，這是最簡單也是最經(jīng)常使用的方法。不過電磁波速度和含水量有很大的關(guān)系。,2. 根據(jù)已知深度的目標(biāo)物進(jìn)行校正,實(shí)際使用時，最常用的方法是做一條剖面 在剖面中尋找一個已知點(diǎn)（如管線、鉆孔等），通過已知目標(biāo)物的深度計算出速度，然后得出其它地下物體的速度。,V=2d/t,3. 拋物線擬合,對管線探

24、測較方便，知道某根管子的直徑，就可以擬合出速度來,4. 偏移處理,把不同的速度用到雷達(dá)圖像上, 可以找到真正的速度,速度太低,速度太高,速度合適,5.共中心點(diǎn)法 – 速度探測 (WARR),速度探測是估計介質(zhì)中信號速度的方法 寬角反射折射 (WARR)和共中心點(diǎn) (CMP) 是兩種速度探測的最常用的方法。這兩種方 法都需要分離的發(fā)射機(jī)和接收機(jī) WARR 法采集數(shù)據(jù)時，需要一個平坦的水 平的反射體 但采集時很快

25、速和容易,速度＝地表波斜率的倒數(shù) ＝dx/dt,速度探測 (CMP),CMP 采集時比較麻煩 但只需要一個點(diǎn)狀反射體,,,6. 實(shí)驗(yàn)室法,可以得到非常精確的速度值（測出介質(zhì)介電常數(shù)），但很少使用 :選擇有代表性的樣本非常困難實(shí)驗(yàn)室設(shè)備很昂貴需要耗費(fèi)很多時間最貴的方法,二、雷達(dá)儀器介紹,國外 瑞典MALA公司的RAMAC/GPR雷達(dá)系列 美國GSSI公司的SIR系列雷達(dá)（ 美國勞雷

26、公司代理銷售） 加拿大Sensrs&Software公司pulse EKKO型探地雷達(dá) 國內(nèi) 發(fā)展?fàn)顩r是：首先通過引進(jìn)國外的雷達(dá)儀器，進(jìn)行研究 和應(yīng)用，然后開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的自己的雷達(dá)產(chǎn)品。國內(nèi)有電子部22所，航天部愛迪爾公司、驕鵬公司和中國礦大 （北京）四家單位相繼推出了自己的雷達(dá)產(chǎn)品。,2.1 瑞典探地雷達(dá)（RAMAC/GPR）,主要特點(diǎn)1. 高集成化、真數(shù)字式、高

27、速 、輕便。2. 系統(tǒng)集成化程度高，體積小、重量輕（主機(jī)重量僅為2.4公斤）。3. 功耗低，主機(jī)功耗僅為25W；系統(tǒng)耗電量低，不需電瓶供電， 為野外工作提供方便。4. 天線與主機(jī)之間采用光纖連接，頻帶寬、速度快、數(shù)據(jù)質(zhì)量好、 抗干擾能力強(qiáng)，因此發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及主機(jī)之間不會相互干擾。5. 100兆、250兆、500兆、800兆及1000兆天線采用屏蔽方式，因 此其抗干擾能力強(qiáng)。6. 主機(jī)與計算機(jī)之間采用

28、ECP并口傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸速度快。7. 主機(jī)可與低頻、中頻、高頻天線全部兼容，同時與孔中天線也 兼容，因此性能價格比高，為用戶添置新天線節(jié)約資金。8. 顯示方式采用外接筆記本方式。,2.1 瑞典探地雷達(dá)（RAMAC/GPR）,2.1 瑞典探地雷達(dá)（RAMAC/GPR）,2.1 瑞典探地雷達(dá)（RAMAC/GPR）,2.1 瑞典探地雷達(dá)（RAMAC/GPR）,RAMAC/GPR非屏蔽天線是低頻天線，主要用于深層探測，該

29、天線只能與CUII主機(jī)配合使用。典型的非屏蔽天線有25MHz、50MHz、100MHz、200MHz天線。所有的RAMAC/GPR非屏蔽天線均使用同樣的發(fā)射機(jī)及接收機(jī)、光纖、瑪拉測鏈、天線分離架及主控單元。天線重量輕，適用于單人操作。收、發(fā)天線容易分離，可以采用CMP法（共中心點(diǎn)）計算速度。 非屏蔽天線可應(yīng)用于土木建筑、地質(zhì)學(xué)及水文地質(zhì)學(xué)等。,2.1 瑞典探地雷達(dá)（RAMAC/GPR）,2.2 SIR雷達(dá)介紹,該型號

30、探地雷達(dá)儀器的特點(diǎn)是：系統(tǒng)高度集成化、數(shù)字化，操作簡單化，天線屏蔽干擾小，探測范圍廣，分辨率高，具有實(shí)時數(shù)據(jù)處理和信號增強(qiáng)，現(xiàn)場實(shí)時顯示二維彩色圖像。其配置的探測天線系列化，可應(yīng)用與各類地下目的體及目的層的檢測與探測。,2.2 SIR雷達(dá)介紹,SIR-20高速高精度多通道透視雷達(dá),SIR-3000便攜式透地雷達(dá),100MHz,400MHz,2.2 SIR雷達(dá)介紹,200MHz,900MHz,1200MHz,2.2 SIR雷達(dá)介紹,

31、。,2.2 SIR雷達(dá)介紹,2.2 SIR雷達(dá)介紹,2.3 加拿大EKKO型雷達(dá),The pulseEKKO 100(1000) system provides shielded, full bi-static operational capability. The ability to move the antennas independently allows both simple reflection profiling

32、 surveys as well as CMP, multi offset and transillumination experiments to be conducted. The versatility of the system allows for variation in polarization as well as a number of other geometrical transducer configuratio

33、ns.,EKKO-100型,EKKO-1000型,400MHz,2.4 中國電波傳播研究所——青島分所：LTD-3,2.4 中國電波傳播研究所——青島分所：LTD-3,三、野外工作方法,探地雷達(dá)的野外工作，必須根據(jù)探測對象的狀況及所處的地質(zhì)環(huán)境并選擇合適的測量參數(shù)，才能保證雷達(dá)記錄的質(zhì)量。,1）、剖面法2）、多次覆蓋3）、寬角法,3.1 測量方式,1）、剖面法,剖面法是發(fā)射天線(T)和接收天線(R)以固定間距沿測線同步移動的一種

34、測量方式，當(dāng)發(fā)射天線與接收天線間距為零，亦即發(fā)射天線與接收天線合二為一時稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測量結(jié)果可以用探地雷達(dá)時間剖面圖來表示。該圖像的橫坐標(biāo)記錄了天線在地表的位置；縱坐標(biāo)為反射波雙程定時，表示雷達(dá)脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經(jīng)地下界面反射回到接收天線所需的時間。這種記錄能準(zhǔn)確反映測線下方地下各反射界面的形態(tài)。,2） 、多次覆蓋法,由于介質(zhì)對電磁波的吸收，來自深部界面的反射波會由于信噪比過小而不易識別。這時可應(yīng)用不同天

35、線距的發(fā)射—接收天線在同一測線上進(jìn)行重復(fù)測量，然后把測量記錄中相同位置的記錄進(jìn)行疊加，這種記錄能增強(qiáng)對深部地下介質(zhì)的分辨能力。,3） 、寬角法,當(dāng)一個天線固定在地面某一點(diǎn)上不動，而另一個天線沿測線移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時，這種測量方式稱為寬角法。,這種測量方式的目的是求取地下介質(zhì)的電磁波傳播速度。,3.2 探地雷達(dá)的技術(shù)參數(shù),3.2 探地雷達(dá)的技術(shù)參數(shù),探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾，以最大可能的分

36、辨率在探地雷達(dá)圖像剖面上顯示反射波，提取反射波的各種有用的參數(shù)(包括電磁波速度，振幅和波形等)來幫助解釋。探地雷達(dá)與反射地震都依靠脈沖回波信號，其子波長度都由發(fā)射源控制。脈沖在地下傳播過程中，能量均會產(chǎn)生球面衰減，也會由于介質(zhì)對波的能量的吸收而減弱，在地下介質(zhì)不均時還會發(fā)生散射、反射與透射。因此數(shù)字記錄的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)類似于反射地震數(shù)據(jù)，反射地震數(shù)字處理許多有效技術(shù)通過某種形式改變均可以應(yīng)用于探地雷達(dá)資料的處理。,四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,

37、四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,4.1 數(shù)字濾波,礦井地質(zhì)雷達(dá)在測量過程中，為了保留盡可能多的信息，常采用全通的記錄方式，這樣有效波的干擾就被同時記錄下來，為了去除數(shù)據(jù)中的干擾信號，需要采用數(shù)字濾波的方法。數(shù)字濾波就是根據(jù)數(shù)據(jù)中有效信號和干擾信號頻譜范圍的不同來消除干擾波。 如果有效信號的頻譜分布與干擾信號的頻譜有一個比較明顯的分界，那么可根據(jù)具體的干擾信號的分布，設(shè)計一個合理的濾波器，將其濾除，就得到了濾波以后的結(jié)果，根據(jù)干

38、擾信號的頻譜分布的不同，可以采取低通、高通或帶通的方法。,四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,4.1 數(shù)字濾波,如果噪音的頻譜分布只有高頻成分，那么可采用如下的濾波器將其濾除：,式中 是高截頻率。,1）低通濾波,四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,4.1 數(shù)字濾波,2）高通濾波,如果噪音的頻譜分布只有低頻成分，那么可采用如下的濾波器將其濾除：,,,,式中 是低截頻率。,四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,3）帶通濾波,如果噪音的頻譜分布既有低頻成分又有高頻

39、成分，那么可采用如下的濾波器將其濾除：,,四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,4.1 數(shù)字濾波,4.2 雷達(dá)資料的偏移處理,探地雷達(dá)與反射地震方法一樣都是接收來自地下介質(zhì)界面的反射波。偏離測點(diǎn)的地下介質(zhì)交界面的反射點(diǎn)，只要其法平面通過測點(diǎn)，都可以被記錄下來。在資料處理中需把雷達(dá)記錄中的每個反射點(diǎn)移到其原來的位置，這種處理方法稱為偏移歸位處理，經(jīng)過偏移處理的雷達(dá)剖面可反映地下介質(zhì)的真實(shí)位置。,四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,4.2

40、 雷達(dá)資料的偏移處理,原始數(shù)據(jù)雷達(dá)剖面圖,偏移后的雷達(dá)剖面圖,四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,4.2 雷達(dá)資料的偏移處理,4.3 雷達(dá)圖像的增強(qiáng)處理,四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,1）振幅恢復(fù),4.3 雷達(dá)圖像的增強(qiáng)處理,四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,2）道內(nèi)均衡,4.3 雷達(dá)圖像的增強(qiáng)處理,四、數(shù)據(jù)處理與資料解釋,2）道內(nèi)均衡,一、基本原理,二 野外工作方法,1、剖面法2、多次覆蓋3、寬角法,三、 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理,1、數(shù)字濾波2、雷達(dá)

41、資料的偏移處理 3、雷達(dá)圖像的增強(qiáng)處理,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,探地雷達(dá)資料的地質(zhì)解釋是探地雷達(dá)測量的目的。然而探地雷達(dá)資料反映的是地下介質(zhì)的電性分布，要把地下介質(zhì)的電性分布轉(zhuǎn)化為地質(zhì)體的分布，必須把地質(zhì)、鉆探、探地雷達(dá)和其他相關(guān)的資料有機(jī)結(jié)合起來，建立測區(qū)的地質(zhì)——地球物理模型，并以此獲得地下地質(zhì)模式。,1、時間剖面的解釋方法,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,2、雷達(dá)波速度的求取,1、時間剖面的解釋方法,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,探地雷達(dá)圖像

42、剖面是探地雷達(dá)資料地質(zhì)解釋的基礎(chǔ)圖件，只要地下介質(zhì)中存在電性差異，就可以在雷達(dá)圖像剖面中找到相應(yīng)的反射波與之對應(yīng)。根據(jù)相鄰道上反射波的對比，把不同道上同一個反射波相同相位連結(jié)起來的對比稱為同相軸。一般在無構(gòu)造區(qū)，同一波組往往有一組光滑平行的同相軸與之對應(yīng)，這一特性稱為反射波組的同相性。,1、時間剖面的解釋方法,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,探地雷達(dá)測量使用的點(diǎn)距很小(<2m)，地下介質(zhì)的地質(zhì)變化在一般情況下比較緩慢，因此相鄰記錄道上同一

43、反射波組的特征會保持不變，這一特征稱為反射波形的相似性。同一地層的電性特征接近，其反射波組的波形、振幅、周期及其包絡(luò)線形態(tài)等有一定特征。確定具有一定特征的反射波組是反射層識別的基礎(chǔ)，而反射波組的同相性與相似性為反射層的追蹤提供了依據(jù)。,2009.10,不同測量目的對地層的劃分是不同： （1）在進(jìn)行考古調(diào)查時，特別關(guān)注文化層的識別； （2）在進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查時，常以地層的承載力作為地層劃 分

44、依據(jù)，因此不僅要劃分基巖，而且對基巖風(fēng)化程度也 需要加以區(qū)分。 為此需要根據(jù)測量目的，對比雷達(dá)圖像與鉆探結(jié)果，建立測區(qū)地層的反射波組特征。根據(jù)反射波組的特征就可以在雷達(dá)圖像剖面中拾取反射層。一般是從垂直走向的測線開始，逐條測線進(jìn)行。最后拾取的反射層必須能在全部測線中都能連接起來并保證在全部測線交點(diǎn)上相互一致閉合。,1、時間剖面的解釋方法,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,1、時間剖面的解釋方法,四、

45、地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,根據(jù)地層反射波組特征與鉆孔對應(yīng)的位置劃分反射波組后，就需要依據(jù)反射波組的同相性與相似性進(jìn)行地層的追索與對比。在進(jìn)行時間剖面的對比之前，要掌握區(qū)域地質(zhì)資料，了解測區(qū)所處的構(gòu)造背景。在此基礎(chǔ)上，充分利用時間剖面的直觀性和范圍大的特點(diǎn)，統(tǒng)觀整條測線，研究重要波組的特征及其相互關(guān)系，掌握重要波組的地質(zhì)構(gòu)造特征，其中特別要重點(diǎn)研究特征波的同相軸變化。特征波是指強(qiáng)振幅、能長距離連續(xù)追蹤、波形穩(wěn)定的反射波。它們一般都是主要巖性分界面

46、的有效波。它們特征明顯，易于識別。掌握了它們就能研究剖面的主要地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)。,時間剖面上主要表現(xiàn)如下特征：,1、時間剖面的解釋方法,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,1） 雷達(dá)反射波同相軸發(fā)生明顯錯動2） 雷達(dá)反射波同相軸局部缺失3） 雷達(dá)反射波波形發(fā)生畸變4） 雷達(dá)反射波頻率發(fā)生變化,1、時間剖面的解釋方法,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,1、時間剖面的解釋方法,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,1、時間剖面的解釋方法,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,1、時間剖面

47、的解釋方法,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,1、時間剖面的解釋方法,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,上述現(xiàn)象在地質(zhì)雷達(dá)時間剖面上特征往往不是孤立的，即有時幾種特征同時存在，只是有的特征更突出，有的特征不明顯，這就需要資料解釋人員除對區(qū)域地質(zhì)條件充分了解以外，還必須具有豐富的實(shí)踐和解釋經(jīng)驗(yàn)，從而去偽存真，得到更準(zhǔn)確的地下地質(zhì)信息。,2、雷達(dá)波速度的求取,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,雷達(dá)波速度的獲取視探地雷達(dá)資料解釋的重要內(nèi)容。也是深度轉(zhuǎn)化的重要的參數(shù)，其準(zhǔn)確

48、與否，直接關(guān)系到解釋結(jié)果的準(zhǔn)確程度。電磁波在介質(zhì)中傳播速度的獲取常用的方法有：,1）已知目標(biāo)換算方法；2）幾何刻度法；3）介電常數(shù)法；4）CDP速度分析法；5）反射系數(shù)法等。,1） 已知目標(biāo)換算方法最簡單，同時是常用的方法。該方法是采用鉆探的方法獲取已知地層或目標(biāo)體的深度，根據(jù)電磁波的傳播時間進(jìn)行計算。然后將獲得速度來推斷沒有鉆孔或已知目標(biāo)的區(qū)域地質(zhì)體的深度。,2、雷達(dá)波速度的求取,四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,2、雷達(dá)波速度的求取,

49、四、 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋,2）,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,80年代以來。由于電子技術(shù)與數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展、使探地雷達(dá)的分辨率與探測深度大大提高、探地雷達(dá)已在工程地質(zhì)勘察、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、地基基礎(chǔ)施工質(zhì)量檢測、考古調(diào)查、管線探測、公路工程質(zhì)量檢測等多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,5.1、雷達(dá)測量管線的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,首先在沙坑中對500MHz天線和900MHz天線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在沙坑中埋設(shè)四種不同介質(zhì)管線，它們分別是金屬管、陶

50、瓷管、塑料管和鐵塊，管線直徑8厘米，埋設(shè)深度為25厘米，鐵塊的埋設(shè)深度1厘米，接近地表面。時窗設(shè)定36ns，使用500MHz天線進(jìn)行雷達(dá)掃描探測。上圖為掃描探測結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，金屬目標(biāo)體具有較強(qiáng)的反射能量，且多次干擾波嚴(yán)重，非金屬物在介質(zhì)均勻的沙坑中，也存在明顯的反射圖象。,下圖是在水泥路面使用900MHz天線對地下管線的探測結(jié)果，時窗設(shè)置為16ns。在探測區(qū)域內(nèi)，發(fā)現(xiàn)三處明顯的異常反射。其中兩處反射時間在4.3ns，另一處接近0

51、時。推斷前兩處為自來水的分支管道，第三處為地表水溝，并經(jīng)開挖得到驗(yàn)證。,5.1、雷達(dá)測量管線的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,下圖為某地的陶瓷污水管道的雷達(dá)剖面圖像。地表為混凝土地面，地下介質(zhì)較為均勻，測線與管道垂直。在剖面圖像4.3m ~ 5.7m點(diǎn)位、0.8m深度開始有一個明顯的弧形反射波同相軸，弧形的兩翼較長。其解釋結(jié)果與實(shí)際污水管的埋深符合。,5.1、雷達(dá)測量管線的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,電纜線埋深較淺，但直徑很小，在雷達(dá)圖像上也一

52、樣能反映出來。下圖是上海某工地的雷達(dá)探測剖面。場地為雜填土，質(zhì)地不均勻。剖面圖像上的雜亂干擾波為雜填土不均勻的干擾造成的，但從探測的結(jié)果來看，能明顯看出地下埋設(shè)電纜的位置及深度。,5.1、雷達(dá)測量管線的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,探地雷達(dá)技術(shù)通過在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用，實(shí)踐證明其技術(shù)方法是十分準(zhǔn)確有效的，為公路、鐵路、地鐵隧道施工有效地進(jìn)行監(jiān)督和檢測，控制施工質(zhì)量起到了積極重要

53、的作用。 針對地鐵隧道施工的特點(diǎn)和要求，認(rèn)為利用雷達(dá)進(jìn)行無損檢測的重點(diǎn)在于：1）、格柵鋼架和鋼筋布置是否符合設(shè)計要求2）、砼襯砌結(jié)構(gòu)檢測及背后密實(shí)情況3）、隧道襯砌含水情況調(diào)查,5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,襯砌厚度評價，首先在探地雷達(dá)剖面上確認(rèn)出混凝土與巖石界面問的反射波同相軸，讀取反射波雙程旅行時間，按公式H—V×t／2計算出混凝土襯砌厚度。速度V可通過明洞地段標(biāo)定；密實(shí)度的評價可根

54、據(jù)探地雷達(dá)剖面反射波振幅、相位和頻率特征劃分為密實(shí)和不密實(shí)兩種類型，不密實(shí)的混凝土體在雷達(dá)剖面上波形雜亂，同相軸錯斷；脫空體在雷達(dá)剖面上在混凝土與圍巖交接面處反射波同相軸呈弧形，與相鄰道之間發(fā)生錯位，依此特征可計算出空洞的范圍。由于爆破使圍巖表面凹凸不平，因此，在確定脫空時應(yīng)對剖面上的異常加以細(xì)致的分析和確認(rèn)。,襯砌檢測,超挖地段雷達(dá)圖象（隧道）,超挖地段,5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,脫空的雷達(dá)圖像（隧道）,

55、5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,拱頂起伏圖像,5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,風(fēng)化層界面探測,上圖是利用100MHz天線對基巖風(fēng)化面的探測結(jié)果，時窗設(shè)置為760ns。從探測剖面上可以清楚看出基巖風(fēng)化層面的分布狀況，為鉆孔加固提供資料。,5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,層位追蹤,右上圖為內(nèi)昆鐵路新老卡子隧道局部地段頂部的雷達(dá)檢測剖面，采用400MHz天線進(jìn)行探測。該襯

56、砌層設(shè)計厚度為60cm。采用處理軟件對襯砌進(jìn)行層位追蹤，其追蹤結(jié)果如圖所示。 右下圖為追蹤結(jié)果的解釋剖面圖。,,5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,良好襯砌雷達(dá)圖像,5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,襯砌界面明顯圖像,5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,脫空的雷達(dá)圖像（隧道）,,5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,拱頂脫空雷達(dá)探測圖像,5.

57、2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,采用模筑泵送混凝土工藝施工二次襯砌 ——拱頂施工接縫處易出現(xiàn)三角形空洞,,,,二次襯砌層,模筑施工縫,三角形空洞,初期支護(hù)層,5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,三角形空洞圖像,5.2、雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,圍巖裂隙探測圖像,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,襯砌厚度不夠圖像-1,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,襯砌厚度不夠圖像-2,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,鋼筋分

58、布圖像,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,鋼筋布置不夠圖像-1,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,鋼筋布置不夠圖像-2,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,鋼筋布置參差不齊圖像,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,格柵鋼架探測圖像-1,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,格柵鋼架探測圖像-2,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,2009.10,。,5.3、巷道圍巖松動圈探測,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,。,5.4、巷道冒落影響范圍探測,五、探地雷達(dá)的應(yīng)用,吉林省長春——四平高速公路采用瀝青路面，路面下為碎石墊層。路面分三次鋪設(shè)完成，設(shè)

59、計路面厚度為25cm。在工程竣工前采用探地雷達(dá)進(jìn)行了路面厚度檢測。檢測中使用的探地雷達(dá)為SIR-2型，工作天線頻率為900MHz。 下圖為該公路某段路面的探地雷達(dá)檢測剖面圖，圖中的強(qiáng)反射為瀝青面層與碎石墊層界面的反射，根據(jù)反射界面的雙程走時和電磁波在瀝青路面中的傳播速度計算出路面厚度。瀝青路面的速度采用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定并進(jìn)行統(tǒng)計后得到。檢測結(jié)果表明，由于二灰石墊層凸凹不平，導(dǎo)致瀝青路面厚度有較大變化，最薄為26cm，最厚為43cm。路面

60、厚度指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。,高速公路檢測,。,高速公路檢測,。,鐵路路基,。,鐵路路基,。,探地雷達(dá)方法在公路質(zhì)量檢測中除了可進(jìn)行路面厚度檢測外，還可進(jìn)行路基隱患(脫空、裂縫等)的檢測以及橋涵的質(zhì)量檢測。 有些學(xué)者研究電磁波的特征與路面壓實(shí)度、強(qiáng)度及含水量的關(guān)系，進(jìn)行探地雷達(dá)對公路壓實(shí)度、強(qiáng)度及含水量的檢測研究，也取得了較好的檢測效果。,高速公路檢測,。,涵洞探測,。,蟻巢、洞穴的探測,土體堤壩中因碾壓不實(shí)、庫水浸透或動物危害等因

61、素，在壩體中常出現(xiàn)土洞、動物巢穴等危害壩體安全的隱患。例如在我國南方各省(區(qū))水利工程中白蟻巢穴就是一種常見的隱患，白蟻主巢直徑一般在40～60cm，大者可達(dá)數(shù)米，主巢周圍分布著幾十個甚至數(shù)百個衛(wèi)星菌圃，其間由四通八達(dá)的蟻道溝通，且有的貫穿堤壩的內(nèi)外坡，因此，深藏于堤壩中的白蟻危害造成的堤壩險情和潰堤率遠(yuǎn)高于其他原因，找出堤壩白蟻巢是消除堤壩白蟻隱患的關(guān)鍵。目前，對壩體中的土洞、動物巢穴的探測的最有效的物探方法是探地雷達(dá)和高密度電法。,