地質(zhì)雷達技術(shù)應用簡介

1、地質(zhì)雷達技術(shù)應用要點1 國內(nèi)外地質(zhì)雷達技術(shù)與應用現(xiàn)狀國內(nèi)外地質(zhì)雷達技術(shù)與應用現(xiàn)狀2 工程質(zhì)量檢測中的地質(zhì)雷達技術(shù)工程質(zhì)量檢測中的地質(zhì)雷達技術(shù)3 巖溶勘察中的地質(zhì)雷達技術(shù)巖溶勘察中的地質(zhì)雷達技術(shù) 地質(zhì)雷達自上世紀地質(zhì)雷達自上世紀70年代開始應用至今將近年代開始應用至今將近30年了，年了，其應用領域逐漸擴大，在考古、建筑、鐵路、公路、其應用領域逐漸擴大，在考古、建筑、鐵路、公路、水利、電力、采礦、航空各領域都有重要的應用，解水利、電力、采礦、航空各領域都有重要的應用，解決場地勘查、線路選擇、工程質(zhì)量檢測、病害診斷、決場地勘查、線路選擇、工程質(zhì)量檢測、病害診斷、超前預報、地質(zhì)構(gòu)造研究等問題。在工程地

2、球物理領超前預報、地質(zhì)構(gòu)造研究等問題。在工程地球物理領域有多種探測方法，包括反射地震、地震域有多種探測方法，包括反射地震、地震CT、高密度、高密度電法、地震面波和地質(zhì)雷達等，其中地質(zhì)雷達的分辨電法、地震面波和地質(zhì)雷達等，其中地質(zhì)雷達的分辨率最高，而且圖象直觀，使用方便，所以很受工程界率最高，而且圖象直觀，使用方便，所以很受工程界信賴和歡迎。信賴和歡迎。地質(zhì)雷達的應用領域地質(zhì)雷達的應用領域 地質(zhì)雷達最早用于工程場地的勘查，包括重要工程地質(zhì)雷達最早用于工程場地的勘查，包括重要工程場地、鐵路與公路路基，用以解決松散層分層和厚度場地、鐵路與公路路基，用以解決松散層分層和厚度分布，基巖風化層分布，以及節(jié)

3、理帶斷裂帶等問題。分布，基巖風化層分布，以及節(jié)理帶斷裂帶等問題。有時也用于研究地下水水位分布，普查地下溶洞、人有時也用于研究地下水水位分布，普查地下溶洞、人工洞室等。在粘土不發(fā)育的地區(qū)，使用中低頻大功率工洞室等。在粘土不發(fā)育的地區(qū)，使用中低頻大功率天線，探查深度可達天線，探查深度可達20m-30m以上。在地震地質(zhì)研究以上。在地震地質(zhì)研究中，地質(zhì)雷達也用于研究隱伏活斷層分布，效果很好。中，地質(zhì)雷達也用于研究隱伏活斷層分布，效果很好。 工程場地勘察工程場地勘察場地勘察場地勘察場地勘察圖像場地勘察圖像松散層下隱伏灰?guī)r頂面巖溶陷落洞 考古考古是地考古考古是地質(zhì)雷達應較早的領質(zhì)雷達應較早的領域，在國內(nèi)外

4、有很域，在國內(nèi)外有很多成功的實例，如多成功的實例，如意大利羅馬遺址考意大利羅馬遺址考古、中國長江三峽古、中國長江三峽庫區(qū)考古等項目都庫區(qū)考古等項目都應用了雷達技術(shù)。應用了雷達技術(shù)。利用雷達探測古建利用雷達探測古建筑基礎、地下洞室、筑基礎、地下洞室、金屬物品等。金屬物品等。 考古探察考古探察古渠道與遺址 在現(xiàn)今城市改造中，有時也需要了解地下管網(wǎng)，如電在現(xiàn)今城市改造中，有時也需要了解地下管網(wǎng)，如電力管線、熱力管線、上下水管線、輸氣管線、通信電纜等，力管線、熱力管線、上下水管線、輸氣管線、通信電纜等，這對于地質(zhì)雷達是很容易的。目前地質(zhì)雷達為地下管線探這對于地質(zhì)雷達是很容易的。目前地質(zhì)雷達為地下管線探

5、測發(fā)展了高分辨測發(fā)展了高分辨3D探測系統(tǒng)及軟件，如探測系統(tǒng)及軟件，如PATHFINDER雷雷達、達、雷達都可以勝任這類工作，不但可探測雷達都可以勝任這類工作，不但可探測到水平位置分布，還可以確定其深度，得到三維分布圖。到水平位置分布，還可以確定其深度，得到三維分布圖。 地下管網(wǎng)探測地下管網(wǎng)探測地下管網(wǎng)探測地下管網(wǎng)探測 工程檢測近年應用來領域急速擴大，特別是在工程檢測近年應用來領域急速擴大，特別是在中國的重要工程項目中，質(zhì)量檢測廣泛采用雷達技中國的重要工程項目中，質(zhì)量檢測廣泛采用雷達技術(shù)。鐵路公路隧道襯砌、高速公路路面、機場跑道術(shù)。鐵路公路隧道襯砌、高速公路路面、機場跑道等工程結(jié)構(gòu)普遍采用地質(zhì)雷

6、達檢測。用于檢測襯砌等工程結(jié)構(gòu)普遍采用地質(zhì)雷達檢測。用于檢測襯砌厚度、脫空和空洞、滲漏帶、回填欠實、圍巖擾動厚度、脫空和空洞、滲漏帶、回填欠實、圍巖擾動等問題。檢測厚度精度可達厘米級。等問題。檢測厚度精度可達厘米級。工程質(zhì)量檢測工程質(zhì)量檢測工程質(zhì)量檢測工程質(zhì)量檢測混凝土與圍巖界線空隙空洞4090140cm混凝土襯砌砌砂巖夾泥巖隧道襯砌檢測隧道襯砌檢測 對于淺表的金屬礦化帶、斷層蝕變帶以及掌子面附對于淺表的金屬礦化帶、斷層蝕變帶以及掌子面附近的金屬礦化帶，可以用地質(zhì)雷達探測。礦化帶金屬及近的金屬礦化帶，可以用地質(zhì)雷達探測。礦化帶金屬及氧化物、硫化物富集，電磁性質(zhì)差異明顯，電磁波反射氧化物、硫化物

7、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。以下是山東界訶金礦尋找斷清晰，可為找礦體供參考。以下是山東界訶金礦尋找斷裂蝕變帶金礦的例子。裂蝕變帶金礦的例子。金屬礦化帶勘查金屬礦化帶勘查尋找金屬礦化帶 隨著西部大開發(fā)進程的加快，西部的公路、鐵路、水隨著西部大開發(fā)進程的加快，西部的公路、鐵路、水電等建設項目增多，大部分建設在高山峽谷地區(qū)，隧道工電等建設項目增多，大部分建設在高山峽谷地區(qū)，隧道工程數(shù)量巨大。為保證隧道施工中的人員、設備安全，保證程數(shù)量巨大。為保證隧道施工中的人員、設備安全，保證工期和質(zhì)量，節(jié)約經(jīng)濟投資，需要進行隧道地質(zhì)超前預報。工期和質(zhì)量，節(jié)約經(jīng)濟投資，需要進行隧道地質(zhì)

8、超前預報。目前的超前預報是采用地震、雷達探測與地質(zhì)研究相結(jié)合目前的超前預報是采用地震、雷達探測與地質(zhì)研究相結(jié)合的辦法。地震預報掌子面前的辦法。地震預報掌子面前100m左右，左右，地質(zhì)雷達預報地質(zhì)雷達預報20-30m范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。目前階段預報的準確率不等，很大程度上依賴于經(jīng)驗。下目前階段預報的準確率不等，很大程度上依賴于經(jīng)驗。下邊是公路隧道掌子面上地質(zhì)雷達的探測預報紀錄。邊是公路隧道掌子面上地質(zhì)雷達的探測預報紀錄。隧道超前預報隧道超前預報隧道超前預報隧道超前預報 地質(zhì)雷達通常是工作反射方式下，如果選用地質(zhì)雷達通常是工作反射方式下，如果選用發(fā)射與接收分離型的天線，就可以工作在透射方發(fā)射與接收分離

9、型的天線，就可以工作在透射方式下，進行電磁波式下，進行電磁波CT成像?？缈滋炀€、成像?？缈滋炀€、100MHz加強形天線、低頻桿式天線都可以這樣使用。用加強形天線、低頻桿式天線都可以這樣使用。用雷達記錄電磁波的時程，包含了電磁波的走時和雷達記錄電磁波的時程，包含了電磁波的走時和振幅值，可以同時進行電磁波速與衰減成像。這振幅值，可以同時進行電磁波速與衰減成像。這種方法對于探查斷裂帶、密集節(jié)理帶、含水帶、種方法對于探查斷裂帶、密集節(jié)理帶、含水帶、金屬含礦帶、溶洞空洞都非常有效。下邊是在金金屬含礦帶、溶洞空洞都非常有效。下邊是在金川龍首礦的一個電磁波探測實例。川龍首礦的一個電磁波探測實例。 電磁波透射

10、電磁波透射CT電磁波透射電磁波透射CT圖像圖像 美國有一個將地質(zhì)雷達用于水資源調(diào)查的例子。用雷達美國有一個將地質(zhì)雷達用于水資源調(diào)查的例子。用雷達調(diào)查河水的深度和流速，評估水資源。他的觀測設計得很巧調(diào)查河水的深度和流速，評估水資源。他的觀測設計得很巧妙。探測不用船，而是將雷達天線用鋼索吊在河面上，橫跨妙。探測不用船，而是將雷達天線用鋼索吊在河面上，橫跨河流斷面移動，測量河床界面反射，確定河流斷面水深度分河流斷面移動，測量河床界面反射，確定河流斷面水深度分布。同時，使用布。同時，使用10GHZ頻率天線測量河面水流速度，計算河頻率天線測量河面水流速度，計算河水流量。用雷達測水深容易理解，用雷達測流速

11、有些鮮為人水流量。用雷達測水深容易理解，用雷達測流速有些鮮為人知。雷達測速與流速計的測量結(jié)果非常一致。該例說明只要知。雷達測速與流速計的測量結(jié)果非常一致。該例說明只要靈活運用，地質(zhì)雷達的用途是無窮的。靈活運用，地質(zhì)雷達的用途是無窮的。地表水資源調(diào)查地表水資源調(diào)查河床深度調(diào)查河床深度調(diào)查河床斷面河床斷面微波測量河水表面流速微波測量河水表面流速河水流速分布河水流速分布 地質(zhì)雷達用于金屬礦含量檢測也是一個奇想。將高地質(zhì)雷達用于金屬礦含量檢測也是一個奇想。將高頻天線吊在傳送帶上方，傳送帶上物件、樣品、礦石頻天線吊在傳送帶上方，傳送帶上物件、樣品、礦石從天線下邊通過，反射強度的高低與金屬含量有關(guān)。從天線

12、下邊通過，反射強度的高低與金屬含量有關(guān)。 地質(zhì)雷達用于礦石調(diào)查地質(zhì)雷達用于礦石調(diào)查金屬礦化度分布金屬礦化度分布 地質(zhì)雷達技術(shù)在歐美地區(qū)很受重視，每年都召開國際討論會，地質(zhì)雷達技術(shù)在歐美地區(qū)很受重視，每年都召開國際討論會，20022002年第年第9 9屆地質(zhì)屆地質(zhì)雷達國際討論會于雷達國際討論會于4 4月月2929日到日到5 5月月2 2日在美國加利福尼亞州的日在美國加利福尼亞州的Santa BarbaraSanta Barbara召開。由召開。由美國的美國的GSSIGSSI公司、瑞典的公司、瑞典的MALAMALA公司、加拿大的公司、加拿大的Sensors & SoftwardSensor

13、s & Softward公司以及公司以及Electrical & Computer Engineering Electrical & Computer Engineering 公司共同資助，由公司共同資助，由Santa BarbaraSanta Barbara大學承辦。大學承辦。20032003年第年第1010屆地質(zhì)雷達國際討論在挪威召開。下列三張照片是第屆地質(zhì)雷達國際討論在挪威召開。下列三張照片是第9 9屆地質(zhì)雷達國際討屆地質(zhì)雷達國際討論會片段，討論會期間幾家公司展示了他們新近研發(fā)的雷達設備論會片段，討論會期間幾家公司展示了他們新近研發(fā)的雷達設備。 國內(nèi)外地質(zhì)雷達技術(shù)

14、發(fā)展狀況國內(nèi)外地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展狀況美國有三個地質(zhì)雷達廠家，美國有三個地質(zhì)雷達廠家，GSSI是規(guī)模較大的一家，此外有是規(guī)模較大的一家，此外有PLUS RODAR和和PENETRADAR。GSSI公司及其產(chǎn)品公司及其產(chǎn)品GSSI公司成立于公司成立于1970年年，1990年加入年加入OYO集團，推出集團，推出SIR-10型雷達，銷售了型雷達，銷售了150套，套，1994年推年推出出SIR-2型雷達，型雷達，4個月內(nèi)銷售個月內(nèi)銷售25套。上世紀末本世紀初推出了套。上世紀末本世紀初推出了SIR2000, 最近又推出最近又推出SIR3000。 美國的地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展近況美國的地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展近況美國PLU

15、S RODAR公司的PLUS RODAR 型路用雷達，采用空氣耦合雙及型天線，有250MHz，500MHz、1GHz、2GHz多種型號。同時可安裝4個不同頻率的天線，測量速度可達110km/h。WESTERN UNION 美國西部聯(lián)盟路面雷達公司美國西部聯(lián)盟路面雷達公司美國美國PENETRADARPENETRADAR公司創(chuàng)建于公司創(chuàng)建于19741974年，一直從事高精度路面雷達系統(tǒng)的設計開發(fā)，年，一直從事高精度路面雷達系統(tǒng)的設計開發(fā)，該公司的該公司的IRIS/IRIS-LIRIS/IRIS-L型路面雷達已作為美國路橋檢測的工業(yè)標準。在中國有十型路面雷達已作為美國路橋檢測的工業(yè)標準。在中國有十幾

16、家用戶。幾家用戶。美國美國PENETRADAR公司公司路面檢測雷達路面檢測雷達英國ERA公司SPRSCAN雷達英國有兩家雷達生產(chǎn)商，分別是ERA公司和SEARCHWELL公司。目前對于他們產(chǎn)品的詳情了解較少。 意大利IDS公司RIS-2K/MF雷達意大利意銳（IDS）公司生產(chǎn)的RIS-2K/MF雷達（北京博態(tài)克公司代理），多通道雷達。IDS公司具有多年國防及衛(wèi)星雷達經(jīng)驗，民用始于20年前，意大利電信在安裝光纖前需探測地下目標，提出了極其嚴格的要求，IDS公司為此研制出RIS-2K/MF雷達系統(tǒng)。目前配置的天線的頻率有80、100、150、200、400、600、1200、1600MHz。英國和

17、意大利雷達英國和意大利雷達意大利RIS雷達意大利RIS雷達 加拿大的加拿大的Sensors&Software公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的Pulse EKKO系列系列地質(zhì)雷達在上世紀初就進入了中國地質(zhì)雷達在上世紀初就進入了中國(雷迪公司代理雷迪公司代理)，早期產(chǎn)，早期產(chǎn)品為品為Pulse EKKO ，接著有功能改進的，接著有功能改進的Pulse EKKO 100。該儀器的特點是接收與數(shù)字采樣都放在天線中，通用光纖與該儀器的特點是接收與數(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。但筆記本電腦通訊，筆記本電腦作為記錄器，抗干擾性強。但聯(lián)線太多，野外使用不太方便。

18、聯(lián)線太多，野外使用不太方便。加拿大加拿大 EKKO PULSE 雷達雷達加拿大加拿大 EKKO 天線天線 輸入電壓輸入電壓400V400V，光纖，光纖1000V1000V，重復頻，重復頻率率30kHz30kHz。加拿大探頭與軟件公司加拿大探頭與軟件公司PLUSE-EKKO雷達雷達 加拿大雷達加拿大雷達雷達控制器 PULSE EKKO高頻雷達天線PULSE EKKO一體化雷達 加拿大雷達加拿大雷達瑞典生產(chǎn)地質(zhì)雷達較早瑞典生產(chǎn)地質(zhì)雷達較早，上世紀，上世紀8080年代中期，年代中期，ABEMABEM公司就生產(chǎn)井下透射公司就生產(chǎn)井下透射雷達，到現(xiàn)在工程探測及雷達，到現(xiàn)在工程探測及檢測雷達及各類天線齊全

19、檢測雷達及各類天線齊全。瑞典的。瑞典的MALA GEOSCIENCEMALA GEOSCIENCE公司，丹麥的依可公司，丹麥的依可- -丹公司丹公司，也都生產(chǎn)探地雷達。，也都生產(chǎn)探地雷達。 瑞典及丹麥的雷達瑞典及丹麥的雷達瑞典雷達瑞典雷達 目前國內(nèi)有目前國內(nèi)有4家雷達廠商：家雷達廠商： 國內(nèi)在上世紀國內(nèi)在上世紀80年代就開始地質(zhì)雷達的研究工作，主要是年代就開始地質(zhì)雷達的研究工作，主要是為了煤礦安全，重慶煤研所在很多煤礦進行了試驗，采用模為了煤礦安全，重慶煤研所在很多煤礦進行了試驗，采用模擬信號、屏幕顯示技術(shù)，不是數(shù)字雷達。擬信號、屏幕顯示技術(shù)，不是數(shù)字雷達。90年代初外國雷達年代初外國雷達進入

20、中國后，電子部進入中國后，電子部22所和航天部愛迪爾公司也先后開始數(shù)所和航天部愛迪爾公司也先后開始數(shù)字化雷達的研制，分別推出了自己的產(chǎn)品。字化雷達的研制，分別推出了自己的產(chǎn)品。90年代末和本世年代末和本世紀初驕鵬公司與礦大研究生院也分別研制出自己的產(chǎn)品。紀初驕鵬公司與礦大研究生院也分別研制出自己的產(chǎn)品。國內(nèi)的地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展國內(nèi)的地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展愛迪爾公司推出的CIDRC道路檢測雷達，天線中心頻率750MHz、1000MHz、2000MHz,并配有層位追蹤軟件，適合公路路面測量。后有開發(fā)出CBS-900探地雷達一體化機，配有高頻、中頻和低頻天線，10MHz2GHz系列。用于混凝土結(jié)構(gòu)、路面、工

21、程場地等各種測量。 愛迪爾道路雷達愛迪爾道路雷達上世紀上世紀90年代中期，電子部青島年代中期，電子部青島22所原在河南新鄉(xiāng)所原在河南新鄉(xiāng)時就研制出時就研制出LTD-3型探地雷達，配有型探地雷達，配有80MHz-1000MHz屏蔽型天線和屏蔽型天線和25MHz-2000MHz非屏蔽性非屏蔽性天線，并配有分析軟件，用于混凝土結(jié)構(gòu)、路面、天線，并配有分析軟件，用于混凝土結(jié)構(gòu)、路面、工程場地等各種測量。其軟件最早采用小波分析工程場地等各種測量。其軟件最早采用小波分析方法，效果很好。方法，效果很好。青島青島22所所LTD-3型探地雷達型探地雷達LTD-3雷達雷達北京礦大研究生院煤礦地質(zhì)雷達專為煤礦安全探

22、測設計北京礦大研究生院煤礦地質(zhì)雷達專為煤礦安全探測設計的，具有防爆功能，的，具有防爆功能，2002年研制成功。雷達配有年研制成功。雷達配有GR處理處理軟件，功能完善，層面追蹤和小波分析軟件，功能完善，層面追蹤和小波分析。北京礦大研究生院地質(zhì)雷達北京礦大研究生院地質(zhì)雷達 驕鵬公司的驕鵬公司的GEOPEN型地質(zhì)雷達推出的比較型地質(zhì)雷達推出的比較晚，但一體化和造型設計在國內(nèi)是最好的。光晚，但一體化和造型設計在國內(nèi)是最好的。光纖傳輸，纖傳輸，25MHz-400 MHz中低頻天線，中低頻天線，250MHz-2000 MHz中高頻屏蔽天線。并有中高頻屏蔽天線。并有GRIM型井間雷達系統(tǒng)，一次可采集多頻信號

23、，型井間雷達系統(tǒng)，一次可采集多頻信號，0.5-32MHz。驕鵬公司驕鵬公司GEOPEN型地質(zhì)雷達型地質(zhì)雷達驕鵬雷達驕鵬雷達工程勘察與檢測對地質(zhì)雷達技術(shù)的要求地質(zhì)雷發(fā)展的最主要的推動力是社會需求，包括環(huán)境、考古、資源和工程等領域的需求，其中最主要的是工程需求。工程需求有兩個方向，一個是工程勘察，另一個是工程檢測，兩者對地質(zhì)雷達的技術(shù)要求是不同的。目前的地質(zhì)雷達在工程檢測中應用的效果比較好，而在工程勘察中的效果不理想，原因是雷達目前的技術(shù)指標更接近工程檢測的要求，而距工程勘察要求有較大的距離。工程勘察對地質(zhì)雷達的技術(shù)要求最主要的是探測深度和分辨率，目前的探地雷達在北方第四系地層中探測深度可達到20

24、-25m,在南方一般為15-20m。在基巖出露地區(qū)探測可能會略深些?？山忉尩牡貙拥暮穸燃捶直媛始s0.5-1.0 m左右。而工程場地勘察關(guān)心的深度一般為30-50m，公路與鐵路線路勘察關(guān)心的深度在20-30m左右，因而地質(zhì)雷達不能滿足大多數(shù)工程場地的勘察需要，可滿足部分線路勘察的需要。電磁波在巖土介質(zhì)中傳播時衰減是不可避免的，因而，要加大探深度，必須對雷達的軟硬件有較大的改進。硬件的改進有兩方面，一個是提高天線的發(fā)射功率，另一個是提高A/D轉(zhuǎn)換的動態(tài)位數(shù)。目前GSSI公司的80MHZ、100MHz強力天線是市場上見到的發(fā)射功率最大的天線，雙峰值1300V，平均功率分別為3000mw和2500mw

25、。但應用結(jié)果表明其探測深度還顯不足，應進一步提高。提高探測深度的另一有效措施是提高A/D轉(zhuǎn)換的動態(tài)位數(shù)n。A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)n決定了儀器探測的動態(tài)大小，是同時記錄最強和最弱信號的能力。所能探測的最強與最弱信號的比值應等于2n。加大探測深度時，深淺反射信號的幅值的差異增大，因而儀器的動態(tài)范圍需要增加。此外，應該提高軟件的處理功能，更有效地消除噪音和干擾，提高弱反射信號的識別能力，也就增加了探測深度，可彌補硬件能力的不足。目前的地質(zhì)雷達技術(shù)指標，基本上是受工程檢測需要的引導在發(fā)展。工程檢測的基本要求是高分辨率，分辨率要求達到厘米級，而對于探測深度要求較低，一般為1-2m以內(nèi)。近年來，先后開發(fā)出各類高頻

26、天線，包括手持掃描雷達，天線頻率達到2GHz。 地質(zhì)雷發(fā)展的最主要的推動力是社會需求，包括環(huán)境、考古、資源和工程等領域的地質(zhì)雷發(fā)展的最主要的推動力是社會需求，包括環(huán)境、考古、資源和工程等領域的需求，其中最主要的是工程需求。工程需求有兩個方向，一個是工程勘察，另一個是工需求，其中最主要的是工程需求。工程需求有兩個方向，一個是工程勘察，另一個是工程檢測，兩者對地質(zhì)雷達的技術(shù)要求是不同的。目前的地質(zhì)雷達在工程檢測中應用的效程檢測，兩者對地質(zhì)雷達的技術(shù)要求是不同的。目前的地質(zhì)雷達在工程檢測中應用的效果比較好，而在工程勘察中的效果不理想，原因是雷達目前的技術(shù)指標更接近工程檢測果比較好，而在工程勘察中的效

27、果不理想，原因是雷達目前的技術(shù)指標更接近工程檢測的要求，而距工程勘察要求有較大的距離。的要求，而距工程勘察要求有較大的距離。工程勘察對地質(zhì)雷達的技術(shù)要求最主要的是探測深度和分辨率，目前的探地雷達在北方工程勘察對地質(zhì)雷達的技術(shù)要求最主要的是探測深度和分辨率，目前的探地雷達在北方第四系地層中探測深度可達到第四系地層中探測深度可達到20-25m,在南方一般為在南方一般為15-20m。在基巖出露地區(qū)探測可能會。在基巖出露地區(qū)探測可能會略深些?？山忉尩牡貙拥暮穸燃捶直媛始s略深些?？山忉尩牡貙拥暮穸燃捶直媛始s0.5-1.0 m左右。而工程場地勘察關(guān)心的深度一左右。而工程場地勘察關(guān)心的深度一般為般為30-5

28、0m，公路與鐵路線路勘察關(guān)心的深度在，公路與鐵路線路勘察關(guān)心的深度在20-30m左右，因而地質(zhì)雷達不能滿足大左右，因而地質(zhì)雷達不能滿足大多數(shù)工程場地的勘察需要，可滿足部分線路勘察的需要。多數(shù)工程場地的勘察需要，可滿足部分線路勘察的需要。電磁波在巖土介質(zhì)中傳播時衰減是不可避免的，因而，要加大探深度，必須對雷達的軟電磁波在巖土介質(zhì)中傳播時衰減是不可避免的，因而，要加大探深度，必須對雷達的軟硬件有較大的改進。硬件的改進有兩方面，一個是提高天線的發(fā)射功率，另一個是提高硬件有較大的改進。硬件的改進有兩方面，一個是提高天線的發(fā)射功率，另一個是提高A/D轉(zhuǎn)換的動態(tài)位數(shù)。目前轉(zhuǎn)換的動態(tài)位數(shù)。目前GSSI公司的

29、公司的80MHZ、100MHz強力天線是市場上見到的發(fā)射強力天線是市場上見到的發(fā)射功率最大的天線，雙峰值功率最大的天線，雙峰值1300V，平均功率分別為，平均功率分別為3000mw和和2500mw。但應用結(jié)果表明。但應用結(jié)果表明其探測深度還顯不足，應進一步提高。提高探測深度的另一有效措施是提高其探測深度還顯不足，應進一步提高。提高探測深度的另一有效措施是提高A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換的動態(tài)位數(shù)動態(tài)位數(shù)n。A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)n決定了儀器探測的動態(tài)大小，是同時記錄最強和最弱信號的決定了儀器探測的動態(tài)大小，是同時記錄最強和最弱信號的能力。所能探測的最強與最弱信號的比值應等于能力。所能探測的最強與最弱信號的

30、比值應等于2n。加大探測深度時，深淺反射信號的。加大探測深度時，深淺反射信號的幅值的差異增大，因而儀器的動態(tài)范圍需要增加。此外，應該提高軟件的處理功能，更幅值的差異增大，因而儀器的動態(tài)范圍需要增加。此外，應該提高軟件的處理功能，更有效地消除噪音和干擾，提高弱反射信號的識別能力，也就增加了探測深度，可彌補硬有效地消除噪音和干擾，提高弱反射信號的識別能力，也就增加了探測深度，可彌補硬件能力的不足。件能力的不足。目前的地質(zhì)雷達技術(shù)指標，基本上是受工程檢測需要的引導在發(fā)展。工程檢測的基本要目前的地質(zhì)雷達技術(shù)指標，基本上是受工程檢測需要的引導在發(fā)展。工程檢測的基本要求是高分辨率，分辨率要求達到厘米級，而

31、對于探測深度要求較低，一般為求是高分辨率，分辨率要求達到厘米級，而對于探測深度要求較低，一般為1-2m以內(nèi)。以內(nèi)。近年來，先后開發(fā)出各類高頻天線，包括手持掃描雷達，天線頻率達到近年來，先后開發(fā)出各類高頻天線，包括手持掃描雷達，天線頻率達到2GHz。工程對地質(zhì)雷達技術(shù)的要求工程對地質(zhì)雷達技術(shù)的要求 目前國內(nèi)外地質(zhì)雷達生產(chǎn)廠商超過目前國內(nèi)外地質(zhì)雷達生產(chǎn)廠商超過10家，生產(chǎn)的地質(zhì)雷家，生產(chǎn)的地質(zhì)雷達大同小異，其性能多集中在工程檢測領域。總括各類雷達大同小異，其性能多集中在工程檢測領域?？偫ǜ黝惱走_，其共同的特點是：達，其共同的特點是：1 雷達天線高頻特性能較好，低頻性能差一些；雷達天線高頻特性能較好

32、，低頻性能差一些；2 發(fā)射功率較小，探測淺；發(fā)射功率較小，探測淺；3 雷達系統(tǒng)本身噪音較大，影響探測能力；雷達系統(tǒng)本身噪音較大，影響探測能力；4 雷達處理軟件發(fā)展落后于硬件；雷達處理軟件發(fā)展落后于硬件；此外，有些雷達整體性差，接線太多，有的雷達采用筆記此外，有些雷達整體性差，接線太多，有的雷達采用筆記本作為記錄器，現(xiàn)場工作不方便；還有些雷達數(shù)據(jù)傳輸很本作為記錄器，現(xiàn)場工作不方便；還有些雷達數(shù)據(jù)傳輸很不方便，數(shù)據(jù)采集不方便，數(shù)據(jù)采集1小時，回來傳數(shù)據(jù)小時，回來傳數(shù)據(jù)3小時。小時。地質(zhì)雷達技術(shù)存在的問題地質(zhì)雷達技術(shù)存在的問題電磁波基本要點電場、磁場與波矢量電場、磁場與波矢量電磁波是橫波，電場強度電

33、磁波是橫波，電場強度E E、磁場強度、磁場強度H H和波矢量和波矢量K K三者互相垂直，組成右手螺三者互相垂直，組成右手螺旋關(guān)系。右手螺旋關(guān)系含義如下，四個手指并攏伸直指向電場方向，然后四指旋關(guān)系。右手螺旋關(guān)系含義如下，四個手指并攏伸直指向電場方向，然后四指回握回握9090指向磁場方向，大拇平伸則指向波的傳播方向指向磁場方向，大拇平伸則指向波的傳播方向k k。電磁波的電場、磁場、與波矢量的關(guān)系如下圖所示。在波的傳播過程中其空間電磁波的電場、磁場、與波矢量的關(guān)系如下圖所示。在波的傳播過程中其空間方向是固定不變的，即使是發(fā)生了反射與折射，也只是傳播方向方向是固定不變的，即使是發(fā)生了反射與折射，也只

34、是傳播方向K K發(fā)生變化，發(fā)生變化，電場與磁場的方向依然不變。電場與磁場的方向依然不變。在空氣中電場與磁場是同向位的，兩者同時達到在空氣中電場與磁場是同向位的，兩者同時達到極大和極小值，電場強度與磁場強度的比值剛好等于電磁波速。在工程介質(zhì)中極大和極小值，電場強度與磁場強度的比值剛好等于電磁波速。在工程介質(zhì)中因為有傳導電流能量損失，電場與磁場的相位再不同步，磁場落后于電場一個因為有傳導電流能量損失，電場與磁場的相位再不同步，磁場落后于電場一個相位，電導率越高，落后的相位越大。相位，電導率越高，落后的相位越大。描述電磁波傳播特性的波矢量描述電磁波傳播特性的波矢量k為復數(shù)：為復數(shù)：k=+i,+i,

35、描述波傳播的相位，稱為相位常描述波傳播的相位，稱為相位常數(shù)；數(shù)；描述波幅的衰減，稱為衰減常數(shù)，它們是介質(zhì)的性質(zhì)。相位常數(shù)與衰減常數(shù)與介描述波幅的衰減，稱為衰減常數(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：質(zhì)電磁參數(shù)及頻率的關(guān)系如下： =（）1/21/2 （1+1+2 2/2 22 2）1/21/2+1+1）/2/21/21/2 =（）1/21/2 （1+1+2 2/2 22 2）1/21/2-1-1）/2/21/21/2 根據(jù)介質(zhì)的電磁性質(zhì)，分三種情況對上式進行討論。根據(jù)介質(zhì)的電磁性質(zhì)，分三種情況對上式進行討論。 對于低電導介質(zhì)，滿足對于低電導介質(zhì)，滿足101010

36、-2-2S/mS/m，/1 1，此時相位常數(shù)、衰減常數(shù)和電磁波，此時相位常數(shù)、衰減常數(shù)和電磁波速速V V為：為： =（）1/21/2 V=/=/=（/）1/21/2 上式說明在高導介質(zhì)中，波速與頻率的平方根成正比，與電導率的平方根成反比，波上式說明在高導介質(zhì)中，波速與頻率的平方根成正比，與電導率的平方根成反比，波速是頻率和電導率的函數(shù)，波速很低。如對于銅，電導率為速是頻率和電導率的函數(shù)，波速很低。如對于銅，電導率為5*107，在，在100MHZ時波速為時波速為3.5m/s；對于；對于1GHZ的頻率，電磁波速為的頻率，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。這一速度與空氣及巖

37、土介質(zhì)中的電磁波速相比，可以認為導體中的電磁波速為相比，可以認為導體中的電磁波速為0。也就是說，在導體中電磁波很難傳播。通常用波。也就是說，在導體中電磁波很難傳播。通常用波幅降至原值的幅降至原值的1/e的傳播距離稱為穿透深度的傳播距離稱為穿透深度： =1/ =1/ =（2/2/）1/21/2 該式說明穿透深度與電導率和頻率的平方根成反比。在該式說明穿透深度與電導率和頻率的平方根成反比。在100MHz頻率下，對于銅的穿頻率下，對于銅的穿透深度僅為透深度僅為0.7*10-3cm，局限于表面。在空氣中電場與磁場的幅值是相等的，且兩者相位，局限于表面。在空氣中電場與磁場的幅值是相等的，且兩者相位相同。

38、而在導體中磁場強度比電場大，相位要滯后電場相同。而在導體中磁場強度比電場大，相位要滯后電場45，這些都與感生電流有關(guān)。，這些都與感生電流有關(guān)。介質(zhì)中的電磁波速與能量衰減特性工程質(zhì)量檢測技術(shù)要點1 儀器配套與參數(shù)選擇2 現(xiàn)場檢測注意要點3 資料處理要點4 波相識別5 工程解釋天線與采集參數(shù)選定天線選擇襯砌檢測900MHZ天線2襯砌與圍巖檢測600MHZ天線3路面檢測1.2-1.4GHZ天線4路基600/900MHZ天線參數(shù)設置1記錄長度ns 2h(m)/ 0.1(m/ns)1.52樣點數(shù)512，1024，2048 S(samp/scan)scan/secBit/samp3帶寬設定 高截2倍，低截

39、1/2工程檢測資料處理與波相識別1雷達資料預處理雷達資料預處理 掃描線掃描線/里程均一化，去水平波，小波處理里程均一化，去水平波，小波處理 變增益顯示變增益顯示/彩色顯示；彩色顯示；2波相識別波相識別 表面反射波位置和極性，初襯二襯及內(nèi)部界面，空洞，表面反射波位置和極性，初襯二襯及內(nèi)部界面，空洞， 鋼筋，多次波；鋼筋，多次波；3工程解釋工程解釋 襯砌厚度，空洞，欠實區(qū)，含水帶，鋼筋密度；襯砌厚度，空洞，欠實區(qū)，含水帶，鋼筋密度； 為獲得雷達探測的結(jié)果，需要對雷達記錄進行處理與判讀，判讀是理論與實踐為獲得雷達探測的結(jié)果，需要對雷達記錄進行處理與判讀，判讀是理論與實踐相結(jié)合的綜合分析，需要堅實的理

40、論基礎和豐富的實踐經(jīng)驗。雷達記錄的判讀也相結(jié)合的綜合分析，需要堅實的理論基礎和豐富的實踐經(jīng)驗。雷達記錄的判讀也叫雷達記錄的波相識別或波相分析，它是資料解釋的基礎。在此首先介紹波相分叫雷達記錄的波相識別或波相分析，它是資料解釋的基礎。在此首先介紹波相分析的基本要點。析的基本要點。要點要點1：反射波的振幅與方向：反射波的振幅與方向從反射系數(shù)的菲涅耳（從反射系數(shù)的菲涅耳（Fresnel）公式中可以看出兩點：）公式中可以看出兩點：第一點反射振幅的大小，界面兩側(cè)介質(zhì)的電磁學性質(zhì)差異越大，反射波越強。從第一點反射振幅的大小，界面兩側(cè)介質(zhì)的電磁學性質(zhì)差異越大，反射波越強。從反射振幅上可以判定兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)、

41、屬；反射振幅上可以判定兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)、屬；第二點反射波的極性，波從介電常數(shù)小進入介電常數(shù)大的介質(zhì)時，即從高速介質(zhì)第二點反射波的極性，波從介電常數(shù)小進入介電常數(shù)大的介質(zhì)時，即從高速介質(zhì)進入低速介質(zhì)，從光疏進入光密介質(zhì)時，反射系數(shù)為負，進入低速介質(zhì)，從光疏進入光密介質(zhì)時，反射系數(shù)為負，即反射波振幅反向。即反射波振幅反向。反反之，從低速進入高速介質(zhì)，之，從低速進入高速介質(zhì)，反射波振幅與入射波同向。反射波振幅與入射波同向。這是判定界面兩側(cè)介質(zhì)性這是判定界面兩側(cè)介質(zhì)性質(zhì)與屬性的又一條依據(jù)；質(zhì)與屬性的又一條依據(jù)；如從空氣中進入土層、混凝土反射振幅反向，折射波不反向。如從空氣中進入土層、混凝土反射振幅反向，

42、折射波不反向。從混凝土后邊的脫從混凝土后邊的脫空區(qū)再反射回來時，反射波不反向，結(jié)果脫空區(qū)的反射與混凝土表面的反射方向空區(qū)再反射回來時，反射波不反向，結(jié)果脫空區(qū)的反射與混凝土表面的反射方向正好相反。如果混凝土后邊充滿水，波從該界面反射也發(fā)生反向，與表面反射波正好相反。如果混凝土后邊充滿水，波從該界面反射也發(fā)生反向，與表面反射波同向，而且反射振幅較大?；炷林械匿摻睿ㄋ俳鯙榱?，反射自然反向，而同向，而且反射振幅較大?；炷林械匿摻睿ㄋ俳鯙榱?，反射自然反向，而且反射振幅特別強。因而，反射波的振幅和方向特征是雷達波判別最重要依據(jù)。且反射振幅特別強。因而，反射波的振幅和方向特征是雷達波判別最重要

43、依據(jù)。雷達目標波相識別的三項基本要點1鋼筋反射波的振幅與方向鋼筋反射波的振幅與方向要點要點2：反射波的頻譜特性：反射波的頻譜特性不同介質(zhì)有不同的結(jié)構(gòu)特征，內(nèi)部反射波的高、低頻率特征明顯不同，這不同介質(zhì)有不同的結(jié)構(gòu)特征，內(nèi)部反射波的高、低頻率特征明顯不同，這可以作為區(qū)分不同物質(zhì)界面的依據(jù)。如混凝土與巖層相比，比較均質(zhì)，沒可以作為區(qū)分不同物質(zhì)界面的依據(jù)。如混凝土與巖層相比，比較均質(zhì)，沒有巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，因而圍巖中內(nèi)反射波明顯，特別是高頻波豐富。而有巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，因而圍巖中內(nèi)反射波明顯，特別是高頻波豐富。而混凝土內(nèi)部反射波較少，只是有缺陷的地方有反射。又如，表面松散土電混凝土內(nèi)部反射波較少，只

44、是有缺陷的地方有反射。又如，表面松散土電磁性質(zhì)比較均勻，反射波較弱；強風化層中礦物按深度分化布，垂向電磁磁性質(zhì)比較均勻，反射波較弱；強風化層中礦物按深度分化布，垂向電磁參數(shù)差異較大，呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射；其下的新鮮基巖中呈現(xiàn)高頻弱參數(shù)差異較大，呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射；其下的新鮮基巖中呈現(xiàn)高頻弱振幅反射，從頻率特性中可清楚地將各層分開。如圍巖中的含水帶也表現(xiàn)振幅反射，從頻率特性中可清楚地將各層分開。如圍巖中的含水帶也表現(xiàn)出低頻高振幅的反射特征，易于識別。節(jié)理帶、斷裂帶結(jié)構(gòu)破碎，內(nèi)部反出低頻高振幅的反射特征，易于識別。節(jié)理帶、斷裂帶結(jié)構(gòu)破碎，內(nèi)部反射和閃射多，在相應走時位置表現(xiàn)為高頻密紋反射。但

45、由于破碎帶的散射射和閃射多，在相應走時位置表現(xiàn)為高頻密紋反射。但由于破碎帶的散射和吸收作用，從更遠的部位反射回來的后續(xù)波能量變?nèi)?，信號表現(xiàn)為平靜和吸收作用，從更遠的部位反射回來的后續(xù)波能量變?nèi)?，信號表現(xiàn)為平靜區(qū)。區(qū)。雷達目標波相識別的三項基本要點2巖土介質(zhì)雷達波譜特性巖土介質(zhì)雷達波譜特性要點要點3：反射波同向軸形態(tài)特征：反射波同向軸形態(tài)特征： 雷達記錄資料中，同一連續(xù)界面的反射信號形成同相雷達記錄資料中，同一連續(xù)界面的反射信號形成同相軸，依據(jù)同向軸的時間、形態(tài)、強弱、方向反正等進行軸，依據(jù)同向軸的時間、形態(tài)、強弱、方向反正等進行解釋判斷是地質(zhì)解釋最重要的基礎。同向軸的形態(tài)與埋解釋判斷是地質(zhì)解釋最重要的基礎。同向軸的形態(tài)與埋藏的物界面的形態(tài)并非完全一致，特別是邊緣的反射效藏的物界面的形態(tài)并非完全一致，特別是邊緣的反射效應，使得邊緣形態(tài)有較大的差異。對于孤立的埋設物其應，使得邊緣形態(tài)有較大的差異。對于孤立的埋設物其反射的同向軸為向下開口的拋物線，有限平板界面反射反射的同向軸為向下開口的拋物線，有限平板界面反射的同向軸中部為平板，兩端為半支下開口拋物線的同向軸中部為平板，