地质雷达在工程物探中的应用研究

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采集、处理及资料解释。

４．影响雷达探测精度的因素。本章研究的主要内容有：频率、外界干扰及能量衰减对雷达探测精度的影响。

５．探地雷达在工程物探中的应用研究。本章研究的主要内容有：探地雷达在公路及隧道衬砌质量检测中的应用研究。

１．３论文的主要成果

系统分析了地质雷达在公路面层测厚及隧道衬砌质量检测中的应用，总结了各种情况下的地质雷达图像并分析了其中的差异及生成此图像的机理。此对以后的工作有重要的指导意义。２

第２章探地雷达系统与电磁波理论

第２章探地雷达系统与电磁波理论

２．１探地雷达系统概述

２．１．１探地雷达概念

探地雷达ＧＰＲ（ＧｒｏｕｎｄＰｅｎｅｔｒａｔｉｎｇＲａｄａｒ），亦称地质雷达，有时又称为表层穿透雷达（ｓｕｒｆａｃｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｒａｄａｒ，ＳＰＲ）和表层下雷达（ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｒａｄａｒ，ＳＳＲ）。此方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（１朋Ⅳ，一１鲫，）电磁技术。它利用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射回波。当ＧＰＲ方法采用自激自收的天线和地层倾角不大时，反射波的全部路径几乎是垂直地面的，因为电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形随所通过的介质的电性质及几何形态而变化，，所以根据接收到的波的旅行时间、幅度与波形资料，可以推断介质的结构。

探地雷达是近几十年发展起来的对地下目标有效探测的一种手段。与电阻率法、低频电磁感应法及地震法等常规的地下探测方法相比，探地雷达具有探测速度快、探测过程连续、分辨率高、操作方便灵活、探测费用低、探测范围广（能探测金属和非金属）等优越性。因此，近年来探地雷达一直是国际学术界的热点之一。探地雷达目前在国防、公安、城市建设、公路、铁路、机场、水利、运输、矿山、隧道、考古等许多领域都表现出强劲的生命力和广阔的应用前景，对国民经济的发展有十分重要的意义。

在探地雷达的发展史上，曾出现过多种体制的探地雷达，主要有调频连续波、脉冲展宽一压缩技术、连续波发射技术、极化调制、幅度调制等。其中探地雷达系统采用的幅度调制方式通常有两种，一种是脉冲调制雷达，另一种是冲击脉冲雷达，也称无载频脉冲探地雷达，冲击脉冲体制由于在分辨率和穿透深度等方面的优势，使它更具有通用性，国外形成商品的探地雷达大多采用这种体制。２．１．２探地雷达研究的发展史

２．１．２．１国外发展概况

早在１９０４年，德国的Ｈｕｌｓｍｅｙｅｒ就采用电磁波探测地下的金属物体；但是直到１９１０年，Ｌｅｔｍｂａｃｋ和Ｌｏｗｙ在一项德国专利中正式提出了探地雷达这一概念，利用电磁波对埋藏物体进行定位的第一次描述。Ｈｕｌｓｅｎｂｅｃｈ在１９２６年第一

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个提出了应用脉冲技术确定地下结构的思路，在１９２６年Ｈｕｌｓｅｎｂｅｃｈ第一次使用脉冲技术探测埋藏介质的结构，他发现任何电介质的变化都会产生反射，从而可以对埋藏目标进行探测。Ｓｔｅｅｎｓｏｎ（１９５１年）和Ｅｖａｎｓ（１９６３年）利用冲激探地雷达实现对冰层厚度的探测；但是由于地下介质比空气具有较强的电磁衰减特性，加之地质情况的多样性，电磁波在地下的传播要比空气中复杂的多。因此在探地雷达的初期，应用仅限于对电磁波吸收较弱的冰层、盐层等介质中。

随着电子技术的发展，以及现代数据处理技术的应用，从上个世纪七十年代美国登陆研究的时候开始，探地雷达就一直是一个重要的研究课题；因为探地雷达相对于地震测量的爆破技术，可以实现远程遥感和测量，不需要和地面接触就可以对地质结构进行勘察。ＧＰＲ技术在７０年代后开始应用于实际，逐渐从冰层、盐矿等弱损耗介质扩展到土层、煤层、岩层等有耗介质中。Ｍｏｒｅｙ（１９７４年）实现对水的剖面成像，并探讨了探地雷达在民用工程中的应用；ＣＯｏｋ（１９７４年）和Ｕｎｔｅｒｂｅｒｇｅｒ（１９７８年）利用探地雷达实现对盐层的测量；Ｋａｄａｂａ（１９７６年）利用冲激探地雷达实现对煤层厚度的测量；Ｍｃｃａｎｎ（１９８８年）给出了在地质勘察中地震法和探地雷达法的对比。

在２０世纪８０年代，ＧＰＲ被广泛用于测量煤层的厚度，检测管道和电缆；而且一些军事应用包括隧道检测和非金属地雷的检测等也被提出；如：Ｃｏｏｎ，Ｆｏｗｌｅｒ（１９８０）：Ｒｏｅ和Ｗｉｔｔｍａｎｎ（１９８２）；Ｐｉｔｔｍａｎ等（１９８４年）；Ｃａｌｄｅｃｏｔｔ等（１９８８）；１ｉｚｕｋａ和Ｆｒｅｕｎｄｏｒｆｅｒ（１９８３）等。

进入２０世纪９０年代以后直到现在，ＧＰＲ的应用已经拓展到各行各业，从而促进了ＧＰＲ技术的全面发展。世界各国均加大对ＧＰＲ研究的力度，比如：美国、英国、加拿大、荷兰、俄罗斯、丹麦、澳大利亚、法国、德国、比利时、意大利、瑞典、日本、挪威、南非等。而且出现很多探地雷达研究机构，比如：荷兰的应用科学研究组织和代尔夫大学，法国一德国的Ｓａｉｎｔ—Ｌｏｕｉｓ研究所（ＩＳＬ），英国的ＤＥＲＡ，瑞典的ＦｏＡ，挪威科技大学和地质研究所，比利时Ｉ姒，南非的开普敦大学，美国的林肯实验室和ＬａＷｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅ国家实验室等，澳大利亚昆士兰大学，以及日本的一些研究机构等等。

２．１．２．２国内发展概况

国内探地雷达研制工作起步较晚，基本上是在国外探地雷达产品出现后开始的。大致分为两个阶段：上世纪７０年代初期，地质矿产部物探研究所、煤炭部煤炭科学院重庆分院以及一些高等院校和其它一些部门均做过探地雷达仪器研制和野外实验工作。当时使用的是同点天线，以高频示波器显示回波，直接读取初值后照相记录波形。但是由于种种原因，这一技术未能用于实际。

上世纪９０年代以后，国家地震局、水电勘察设计院、煤炭部门、铁道部门４

第２章探地雷达系统与电磁波理论

以及中国地质大学相继引进了外国的仪器，探地雷达的应用和理论工作也正日益扩大。根据相关报道。可以了解到国内不少高校和科研单位开展过地下目标探测方面的工作，其中电子科技大学、西安交通大学、二十二所、五十所、长春物理所、北京遥感设备研究所、西南交通大学等单位先后研制过探地雷达实验系统，并在其中某些技术上取得一些成果。目前国内比较成功的是中国科技集团公司第二十二研究所，他们研制了ＬＴＤ系列探地雷达以及ＩＤＳＰ系列探地雷达数据处理软件。

２．１．２．３探地雷达仪器

随着微电子技术的飞速发展，现代的探地雷达设备早已由庞大、笨重的结构改进为现场使用的轻便工具。目前，已推出的商用探地雷达有：中国电子科技集团公司第二十二研究所的ＬＴＤ系列，美国地球物理测量系统公司（ＧＳＳＩ）的ＳＩＲ系列，加拿大探头及软件公司（ＳＳＩ）的ｐｕｌｓｅＥＫＫＯ系列，日本ＫＯＤＥＮ公司的ＫＳＤ一２１等。这些商用雷达所使用的中心频率在１０—５０００姗ｚ范围，时窗在０—２０００ｎｓ。据报道，根据不同的地质条件，探测深度约在３０—５０米，分辨率可达数厘米。

在以上介绍的国外探地雷达产品中，以ＧＳＳＩ公司的ＳＩＲ系列为代表，ＳＩＲ一２０、ＳＩＲ一３０００是美国ＧＳＳＩ公司探地雷达的最新产品，集成了数据采集和处理，能够即时的得到处理的结果，并支持３Ｄ模式，ＲＡＤＡＮ系列软件为该公司开发的数据处理软件。

我国的探地雷达在短短的几年中在不同的地域和领域中分别进行了ＧＰＲ的应用和研究工作，取得了许多成就，不少科研单位也相继推出了自己的探地雷达样机。代表产品是中国电子科技集团公司第二十二研究所的ＬＴＤ系列，ＬＴＤ是其最新产品。２０００

２．１．３探地雷达的特点和优势

２．１．３．１探地雷达与其它探测方法比较

目前，对于埋藏体的探测至今没有任何一种单一的方法能够提供准确的答案。不同的探测方法有各自的特点和优势：

１）探地雷达：由于高频电磁波在介质中的高衰减性，使得探地雷达的应用领域受到一定的限制。但是在相对高阻的环境下，探地雷达具有较理想的应用效果。

２）地震勘探：浅层地震勘探与ＧＰＲ相比有很多相似之处，然而，地震勘探潜在的缺陷限制了其在土木工程及航空、卫星和高速测量领域的发展。

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３）时域ＴＥＭ：由于受到勘探深度的限制，在最小勘探深度之上仅能反映覆盖层的综合电导，而最小勘探深度范围值在１０—１００ｍ，ＴＥＭ仪器通常不能用于对５ｍ之内的地层进行详查。

４）电阻率法：对地层横向变化成图具有很好的效果，但是纵向分辨率不高。２．１．３．２探地雷达的特点和优势

ＧＰＲ作为一种具有特殊吸引力的方法，不仅本身是多门学科的综合（如有耗介质中电磁波的传播理论、宽频带天线技术、雷达系统设计和数字信号处理等），而且，ＧＰＲ的下列技术特性为其开拓了应用领域，特别为其在工程地质领域的应用铺平了道路。

１）高分辨率：工作频率可达５０００姗ｚ，分辨可达几厘米，再加上利用高性能的计算机分析处理取得的数据资料，使得物探电磁波反射信号准确无误的显示，由此确定目的体的尺寸，几何特性及物理特征。

２）无损性：ＧＰＲ是一种新兴的不用打钻可以探测浅部地下环境特征的探测方法，可以安全的应用在城市和正在建设中的施工现场。

３）高效性：探地雷达仪器轻便，从数据采集到处理成像一体化，操作简单，采样迅速，工作人员少，效率高。

４）抗干扰能力强：它可以在各种环境下正常工作。

实际野外观测表明，对于地下４０ｍ以内的浅层区域成像时，ＧＰＲ是一种低成本、使用潜力大的地球物理成像方法。

２．１．４探地雷达应用领域

探地雷达是一种对国民经济的发展有十分重要意义的探测手段，越来越表现出强劲的生命力和广阔的应用前景，主要的应用领域有：

１）军事部门：构筑工事前的地质勘察和地下工事、地下未爆弹药和埋藏军械的查找（例如地下管道、电缆线等），目前针对浅地层探地雷达的研究主要是针对探测地雷的。以前人们反地雷都是用金属探测器，由于地雷中的金属成份越来越少，以及金属探测器的虚警概率很高，探地雷达逐步成为有希望的强有力的反雷工具之一。目前探地雷达的研究热点之一就是对非金属地雷的探测：

２）交通部门：公路建设的全过程：在公路的勘查设计阶段，ＧＰＲ用于勘查路线，包括工程地质情况，如划分地层，探测基面、断层及滑坡等：水文地质情况，如划分潜水面和圈定赋水地段的范围。在公路的施工阶段，用ＧＰＲ检测路基和基层的厚度和压实度，隧道工程中可能遇到的断层、溶洞及其它障碍物的超前探测等；在公路的完工和试运行阶段，可用于检测路基的厚度、含水量和压实度等状况：６

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