地質(zhì)雷達(dá) 原理

精選文檔地質(zhì)雷達(dá)是目前分辨率最高的工程地球物理方法，在工程質(zhì)量檢測(cè)、場(chǎng)地勘察中被廣泛采用，近年來(lái)也被用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。地質(zhì)雷達(dá)能發(fā)現(xiàn)掌子面前方地層的變化，對(duì)于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識(shí)別能力。在深埋隧道和富水地層以及溶洞發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)是一個(gè)很好的預(yù)報(bào)手段。1、基本原理 探地雷達(dá)是一種用于確定地下介質(zhì)分布情況的高頻電磁技術(shù)，基于地下介質(zhì)的電性差異，探地雷達(dá)通過(guò)一個(gè)天線發(fā)射高頻電磁波，另一個(gè)天線接收地下介質(zhì)反射的電磁波，并對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理、分析、解譯。其詳細(xì)工作過(guò)程是：由置于地面的天線向地下發(fā)射一高頻電磁脈沖，當(dāng)其在地下傳播過(guò)程中遇到不同電性（主要是相對(duì)介電常數(shù)）界面時(shí)，電磁波一部分發(fā)生折射透過(guò)界面繼續(xù)傳播，另一部分發(fā)生反射折向地面，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄，在更深處的界面，電磁波同樣發(fā)生反射與折射，直到能量被完全吸收為止。反射波從被發(fā)射天線發(fā)射到被接收天線接收的時(shí)間稱(chēng)為雙程走時(shí)t，當(dāng)求得地下介質(zhì)的波速時(shí)，可根據(jù)測(cè)到的精確t值折半乘以波速求得目標(biāo)體的位置或埋深，同時(shí)結(jié)合各反射波組的波幅與頻率特征可以得到探地雷達(dá)的波形圖像，從而了解場(chǎng)地內(nèi)目標(biāo)體的分布情況。 一般，巖體、混凝土等的物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為48，空氣相對(duì)介電常數(shù)為1，而水體的相對(duì)介電常數(shù)高達(dá)81，差異較大，如在探測(cè)范圍內(nèi)存在水體、溶洞、斷層破碎帶，則會(huì)在雷達(dá)波形圖中形成強(qiáng)烈的反射波信號(hào)，再經(jīng)后期處理，能夠得到較為清晰的波形異常圖。 在眾多地質(zhì)超前預(yù)報(bào)手段中，使用探地雷達(dá)預(yù)報(bào)屬于短期預(yù)報(bào)手段，預(yù)報(bào)距離與圍巖電性參數(shù)、測(cè)試環(huán)境干擾強(qiáng)弱有關(guān)。一般，探地雷達(dá)預(yù)報(bào)距離在1535米。2、探地雷達(dá)在勘查中的基本參數(shù) 數(shù)電磁脈沖波旅行時(shí) 式中：z-勘查目標(biāo)體的埋深； x-發(fā)射、接收天線的距離（式中因zx,故X可忽略）；v-電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。 電磁波在介質(zhì)中的傳播速度 式中：c電磁波在真空中的傳播速度（0.29979m/ns）; 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)， 介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率（一般）電磁波的反射系數(shù) 電磁波在介質(zhì)傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到相對(duì)介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)： 式中：r 界面電磁波電場(chǎng)反射系數(shù)； 第一層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； 第二層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。3、數(shù)據(jù)處理 雷達(dá)資料中水平波特別發(fā)育，它產(chǎn)生于雷達(dá)儀器本身。即使將天線對(duì)空，也會(huì)記錄到回波，這回波不是來(lái)自天空，而是來(lái)自于控制器、數(shù)據(jù)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。 垂直濾波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。4、預(yù)報(bào)特點(diǎn) （1）有效探測(cè)距離一般為1030m，適宜于短距離預(yù)報(bào)； （2）適用于探測(cè)界面兩側(cè)介電常數(shù)差異較大的地質(zhì)界面； （3）對(duì)規(guī)模大、延伸長(zhǎng)的地質(zhì)體探測(cè)效果較好，對(duì)規(guī)模較小的地質(zhì)體探測(cè)效果較差。 （4）對(duì)張性結(jié)構(gòu)面探測(cè)效果較好，對(duì)閉合結(jié)構(gòu)面探測(cè)效果較差； （5）對(duì)充水、充泥或空腔的地質(zhì)體探測(cè)效果較好。 （6）適宜于探測(cè)與測(cè)線平行或以小角度相交的結(jié)構(gòu)面，與測(cè)線以大角度相交的結(jié)構(gòu)面探測(cè)效果較差，或甚至無(wú)法探測(cè)。 （7）在