地质雷达-1

地质雷达基础知识(一)一、教学内容本节课的教学内容来自小学科学教材第六册第五章节“地球的秘密”。

该章节主要介绍了地质雷达的基本概念、工作原理及其在地质探测中的应用。

具体内容包括地质雷达的定义、组成部分、工作原理、使用方法以及探测结果的解读等方面。

二、教学目标1. 让学生了解地质雷达的基本概念，知道地质雷达在地质探测中的重要作用。

2. 学生能理解地质雷达的工作原理，并能简单描述其工作过程。

3. 学生能够运用地质雷达的知识，解决实际问题。

三、教学难点与重点重点：地质雷达的基本概念、工作原理及其在地质探测中的应用。

难点：地质雷达工作原理的理解和实际应用。

四、教具与学具准备教具：PPT、地质雷达模型、实物图片等。

学具：笔记本、彩笔、练习册等。

五、教学过程1. 实践情景引入：通过展示地震灾区现场，引导学生关注地质探测技术在灾后救援中的重要作用，进而引出地质雷达的概念。

2. 知识讲解：介绍地质雷达的定义、组成部分、工作原理及其在地质探测中的应用。

通过地质雷达模型的展示，让学生更直观地理解地质雷达的工作原理。

3. 例题讲解：分析实际探测案例，让学生了解地质雷达在地质探测中的应用，培养学生运用地质雷达知识解决实际问题的能力。

4. 随堂练习：设计一些有关地质雷达的练习题，让学生巩固所学知识。

5. 板书设计：板书地质雷达的基本概念、工作原理及其在地质探测中的应用。

6. 作业设计：题目1：请简要描述地质雷达的基本概念。

答案：地质雷达是一种利用电磁波探测地下目标的仪器，主要由发射装置、接收装置和数据处理装置组成。

题目2：请解释地质雷达的工作原理。

答案：地质雷达通过发射装置发射电磁波，当电磁波遇到地下目标时，会发生反射。

接收装置接收这些反射回来的电磁波，并通过数据处理装置分析，从而得到地下目标的信息。

题目3：请举例说明地质雷达在地质探测中的应用。

答案：地质雷达可以用于探测地下水位、查找地下管线、探测地下溶洞等地质现象。

在地震灾区，地质雷达还可以用于探测被埋压人员的生存状态。

隧道衬砌质量无损检测地质雷达法技术交底长春春原工程检测有限公司1 引用标准TB10223-2004 《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》TB10753-2010 《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10417-2003 《铁路隧道工程施工质量验收标准》2 检测原理地质雷达是一种宽带高频电磁波信号检测介质分布的非破坏性的检测仪器。

它通过天线的连续拖动方式获得断面的扫描图像。

雷达利用移动天线发射高频电磁波，电磁波信号在物体内部传播时遇到不同介质的界面时，就会反射、透射和折射。

介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确记录反射回的电磁波的运动特征，再通过数据的技术处理，形成断面的扫描图，通过对图像的判读，判断出地下目标物的实际情况。

3技术资料3.1、提供检测段落的隧道工程地质资料、施工图纸、设计变更资料和施工记录等相关基础资料。

3.2、提供检测段落隧道衬砌参数。

4 检测细则4.1基本规定4.1.1、适用范围:地质雷达法适用于检测隧道衬砌厚度、衬砌的密实度和衬砌内部钢架、钢筋等分步。

4.1.2、地质雷达技术指标要求:a．系统增益不低于150dB。

b.信噪比不低于60dB。

c、模/数转换不低于16位。

d、信号迭加次数可选择。

e、采样间隔一般不大于0.5ns。

f、实时滤波功能可选择。

g、具有手动/自动位置标记功能。

h、具有点测与连续测量功能。

i、具有现场数据处理功能。

j、具有屏蔽功能。

k、最大探测深度应大于2m。

l、垂直分辨率应高于2cm。

4.1.3、测线布置：a、单线隧道布置测线6条：拱顶1条，左右拱腰各1条，左右边墙各1条，隧底1条。

b、双线隧道布置测线7条：拱顶1条，左右拱腰各1条，左右边墙各1条，左右隧底各1条。

c、三线隧道布置测线10条：是拱部3条，左右拱腰各1条，左右边墙各1条，左中右隧底各1条。

d、必要情况下，可根据实际要求增加测线。

地质雷达学习资料在工程勘察中，常见的不良地质现象有：断层破碎带、裂隙带、富水带、岩溶洞穴、岩性变化带等。

以下分别采用了来自不同工区的地质雷达波形图对以上几种典型地质现象与地质雷达特征图像的对应关系进行分析。

2.1 完整岩体完整岩体一般介质相对均匀，电性差异很小，没有明显的反射界面，雷达图像和波形特征通常表现为：能量团分布均匀或仅在局部存在强反射细亮条纹；电磁波能量衰减缓慢，探测距离远且规律性较强；一般形成低幅反射波组，波形均匀，无杂乱反射，自动增益梯度相对较小。

该类岩体的探测和解释精度通常比较高，其典型图像见图1。

图 1 中最上面的几条水平强反射波同相轴为直达波和地表层受爆破松弛影响所致(6)。

图 1 完整岩体的地质雷达特征图像(6)爆破松弛所致2.2 断层破碎带和裂隙带断层是一种破坏性地质构造，其内通常发育有破碎岩体、泥或地下水等，介质极不均匀，电性差异大，且断层两侧的岩体常有节理和褶皱发育，介质均一性差。

而裂隙带通常存在于断层影响带、岩脉以及软弱夹层内，裂隙内也有各种不同的非均匀充填物，介电差异大。

他们一般都有明显的反射界面，这就为地质雷达创造了良好的应用条件。

在断层或裂隙带，其地质雷达图像和波形特征较为相似，通常表现为断层和裂隙界面反射强烈，反射面附近振幅显著增强且变化大；能量团分布不均匀，破碎带和裂隙带内常产生绕射、散射，波形杂乱，同相轴错断，在深部甚至模糊不清；电磁波能量衰减快且规律性差，特别是高频部分衰减较快，自动增益梯度较大；一般反射波同相轴的连线为破碎带或裂隙带的位置。

其典型地质雷达特征图像如图 2 和图3 所示。

图 2 断层破碎带地质雷达特征图像图 3 裂隙带的地质雷达特征图像虽然两者的雷达特征图像相似，但通过对比分析可大致把它们分辨开来：a. 断层破碎带的影响范围通常比裂隙带宽，在地质雷达图像上有较宽的异常反应。

相反的，裂隙带异常在雷达图像上一般表现为相对较窄的条带。

b. 断层破碎带的波幅变化范围通常比裂隙带大，而裂隙带的振幅一般为高幅。

地质雷达操作规程 ( 总 9 页 )--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可---- 内页可以根据需求调整合适字体及大小--1、地质雷达法合用范围地质雷达法可用于地层划分、岩溶和不均匀体的探测、工程质量的检测，如检测衬砌厚度、衬砌暗地里的回填密实度和衬砌内部钢架、钢筋等分布，地下管线探查及隧道超前地质预报等。

2、地质雷达主机技术指标：(1)系统增益不低于150dB；(2)信噪比不低于60dB；(3)采样间隔普通不大于、A/D 模数转换不低于16 位；(4)计时误差小于1ns；(5)具有点测与连续测量功能，连续测量时，扫描速率大于64 次/秒；(6)具有可选的信号叠加、实时滤波、时窗、增益、点测与连续测量、手动与自动位置标记功能；(7)具有现场数据处理功能，实时检测与显示功能，具有多种可选方式和现场数据处理能力。

3、地质雷达应符合下列要求：(1)探测体的厚度大于天线有效波长的1/4，探测体的宽度或者相邻被探测体可以分辨的最小间距大于探测天线有效波第一聂菲儿带半径。

(2)测线经过的表面相对平缓、无障碍、易于天线挪移。

(3)避开高电导屏蔽层或者大范围的金属构件。

4、地质雷达天线可采用不同频率的天线组合，技术指标为：(1)具有屏蔽功能；(2)最大探测深度应大于2m；(3)垂直分辨率应高于2cm。

5、现场检测(1)测线布置1、隧道施工过程中质量检测应以纵向布线为主，横向布线为辅。

纵向布线的位置应在隧道的拱顶、摆布拱腰、摆布边墙和隧道底部各布置一条；横向布线可按检测内容和要求布设线距。

普通情况线距8~12m；采用点测时每断面不少于6 点。

检测中发现不合格地段应加密测线或者测点。

2、隧道竣工验收时质量检测应纵向布线，必要时可横向布线。

纵向布线的位置应在隧道拱顶、摆布拱腰和摆布边墙各布一条；横向布线线距8~12m；采用点测时每断面不少于 5 个点。

需确定回填空洞规模和范围时，应加密测线和测点。

3 、三线隧道应在隧道拱顶部位增加2 条测线。

第一章 前 言1.1应用范围地质雷达利用主频为数十兆赫至千兆赫波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由地面通过天线发射器发送至地下，经地下目的体或地层的界面反射后返回地面，为雷达天线接受器所接受，通过对所接受的雷达信号进行处理和图像解译，达到探测前方目的体的目的。

由于地质雷达探测速度快、精度高，以及对原物体无破坏作用，所以在工程领域中有广泛的应用。

地质雷达目前已经广泛应用于如下方面： ● 探测松散堆积层与基岩界面 ● 探测地下水的水位线● 探测软弱破碎带(断层)的位置及规模● 对规模较大的裂隙及洞穴的位置和规模的确定● 坑道开挖掌子面前50米范围内的地质构造和地质灾害预测 ● 公路路基场坪地基混凝土结构质量检测 ● 各类地下管线探测 ● 地下埋设物探测 ● 防空洞位置探测 ● 超浅层地基探测● 隧道砼厚度与钢支撑密度施工质量检测 ● 地基注浆质量检测● 飞机场跑道、滑行道、停机坪病害及施工质量检测 ● 铁路路基与高速公路路基病害及施工质量检测 ● 地下及隐蔽工程水渗漏检测 ● 圈定人工填土范围与掩埋沟渠 ● 地基土壤污染圈定正是由于地质雷达有着很好的应用效果，从八十年代起，世界上许多国家都对它进行了不断的研究与开发。

随着电子技术和计算机技术的发展，这种研究开发仍在继续。

1.2 雷达探测的基本原理地质雷达是一种电磁探测技术。

静止的电荷分布或电流分布，激发稳定电场。

稳定电场不随时间变化，不向外辐射能量。

如果场源的电流随时间变化，就激发变化的电场，变化的电场在其周围激起变化的磁场，变化的磁场又要激起变化的电场，变化的电场和磁场由近及远地传播出去，形成电磁场。

在无源空间中，电磁场的发射、传播、反射、折射及绕射满足如下的麦克斯韦尔方程：(1–1)∇⨯=H D t ∂∂εμ=1V 0)()(22='+z E k dz z E d(1–2)(1–3)(1–4)其中：通过对式（1-1）和式（1-4）求解，可得：（1–5）（1–6）其中：从上两式中可以看出，该方程组具有波动方程的形式。

第一讲地质雷达的应用领域探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)，又称地质雷达，是近些年发展起来的高效的浅层地球物理探测新技术，它利用主频为数十兆赫至千兆赫兹波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由地面通过天线发射器发送至地下，经地下目的体或地层的界面反射后返回地面，为雷达天线接受器所接受，通过对所接受的雷达信号进行处理和图像解译，达到探测前方目的体的目的。

与传统的地球物理方法相比，探地雷达最大的优点就是具有快速便捷、探测精度高以及对原物体无破坏作用。

因此，探地雷达在道路建设和公路质量检测领域已逐渐被认识到并广泛应用起来。

地质雷达自上世纪80年代中期开始应用至今将近20年了，其应用领域逐渐扩大，在考古、建筑、铁路、公路、水利、电力、采矿、航空各领域都有重要的应用，解决场地勘查、线路选择、工程质量检测、病害诊断、超前预报、地质构造等问题。

1.1 工程场地勘察地质雷达最早用于工程场地勘查，解决松散层厚度分布，基岩风化层分布，以及节理带断裂带等问题。

有时也用于研究地下水分布，普查地下溶洞、人工洞室等。

在粘土补发育的地区，探查深度可达20m以上，效果很好。

1.2 埋设物与考古探察考古是地质雷达应较早的领域，在欧洲有成功的实例，如意大利罗马遗址考古、中国长江三峡库区考古等项目都应用了雷达技术。

利用雷达探测古建筑基础、地下洞室、金属物品等。

在现今城市改造中，有时也需要了解地下管网，如电力管线、热力管线、上下水管线、输气管线、通信电缆等，这对于地质雷实是很容易的。

目前地质雷达为地下管线探测发展了高分辨3D探测系统及软件，如PATHFINDER雷达、R I S-2K/S等雷达都可以胜任这类工作，不但可探测到水平位置分布，还可以确定其深度，得到三维分布图。

雷达考古雷达探测管道1.3 工程质量检测工程检测近年应用领域急速扩大，特别是在中国的重要工程项目中，质量检测广泛采用雷达技术。

铁路公路隧道衬砌、高速公路路面、机场跑道等工程结构普遍采用地质雷达检测。

地质雷达原理第一篇：地质雷达原理地质雷达是目前分辨率最高的工程地球物理方法，在工程质量检测、场地勘察中被广泛采用，近年来也被用于隧道超前地质预报工作。

地质雷达能发现掌子面前方地层的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力。

在深埋隧道和富水地层以及溶洞发育地区，地质雷达是一个很好的预报手段。

1、基本原理探地雷达是一种用于确定地下介质分布情况的高频电磁技术，基于地下介质的电性差异，探地雷达通过一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收地下介质反射的电磁波，并对接收到的信号进行处理、分析、解译。

其详细工作过程是：由置于地面的天线向地下发射一高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性（主要是相对介电常数）界面时，电磁波一部分发生折射透过界面继续传播，另一部分发生反射折向地面，被接收天线接收，并由主机记录，在更深处的界面，电磁波同样发生反射与折射，直到能量被完全吸收为止。

反射波从被发射天线发射到被接收天线接收的时间称为双程走时t，当求得地下介质的波速时，可根据测到的精确t值折半乘以波速求得目标体的位置或埋深，同时结合各反射波组的波幅与频率特征可以得到探地雷达的波形图像，从而了解场地内目标体的分布情况。

一般，岩体、混凝土等的物质的相对介电常数为4—8，空气相对介电常数为1，而水体的相对介电常数高达81，差异较大，如在探测范围内存在水体、溶洞、断层破碎带，则会在雷达波形图中形成强烈的反射波信号，再经后期处理，能够得到较为清晰的波形异常图。

在众多地质超前预报手段中，使用探地雷达预报属于短期预报手段，预报距离与围岩电性参数、测试环境干扰强弱有关。

一般，探地雷达预报距离在15~35米。

2、探地雷达在勘查中的基本参数①数电磁脉冲波旅行时式中：z-勘查目标体的埋深；x-发射、接收天线的距离（式中因z>x,故X可忽略）；v-电磁波在介质中的传播速度。

②电磁波在介质中的传播速度式中：c—电磁波在真空中的传播速度（0.29979m/ns）;—介质的相对介电常数，—介质的相对磁导率（一般）③电磁波的反射系数电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：式中：r —界面电磁波电场反射系数；—第一层介质的相对介电常数；—第二层介质的相对介电常数。

3-1-14 地质雷达超前地质预报1 前言地质雷达又称GPR（Ground Penetrating Radar）,它是利用电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形随着通过介质的电性性质和几何形态不同而发生变化的性质进行地下勘探、工程检测的一种物探方法。

我国上个世纪八十年代就引进这一先进技术，并用于地面地质勘察、隧道超前地质预报、结构物质量检测等，到目前已有二十多年的应用历史。

在隧道超前地质预报方面，地质雷达最初应用在岩层单一、地质条件简单的隧道中，且每次预报距离很短，随着仪器设备不断改进，处理软件不断升级，地质雷达预报距离逐步增大，预报精度、准确度不断提高。

目前，地质雷达已成为地质短期预报最主要的方法，被大量应用于岩溶隧道、地下水探测。

2 地质雷达超前地质预报概述适应范围地质雷达适用于对断层及其影响带、溶洞、裂隙发育带、软弱夹层，以及地下水的预测预报。

技术特点地质雷达用于隧道超前地质预报具有适用范围广、操作简单、现场测试环境要求低、预报距离短但准确度高、提交结果及时，以及预报成本低，对施工干扰小等特点。

基本原理地质雷达是利用发射天线将高频电磁波以宽频带短脉冲的形式传入围岩，电磁波在遇到地质反射面时被反射回来，再被接收天线接收。

通过测得反射波的双程走时，计算不良地质距离掌子面的距离，通过分析反射波的振幅、波形、波速、频率等来判断不良地质的性质。

图14-1是地质雷达探测原理图。

图14-1 地质雷达探测原理图根据地质雷达探测原理图求得电磁波在围岩中的旅行时间为：（14—1）式中Z—探测目标体距掌子面的距离；X—发射、接收天线间的距离；V—电磁波在介质中的传播速度。

当时,上式即为：t = 2 Z / V （14—2）电磁波在介质中传播与弹性波一样遵循波动方程，电磁波速度V与相位系数α的关系为：V=ω/α。

当、μ=1时（14—3）式中c—电磁波在真空中的传播速度；εr—介质的相对介电常数；α—相位系数；ω—电磁波角频率；μ—介质磁导率；ε—介质介电常数；σ—介质电导率。

地质雷达简介地质雷达【Ground Penetrating Radar(GPR)】是探测地下物体的地质雷达的简称。

地质雷达是利用介质间的电导率、介电常数等电性差异分界面对高频电磁波(主频为数十兆赫至数百兆赫)的反射来探测地下目标体的。

在地下一定深度内如果存在有异常物体，并且其与周围介质间存在明显的电性差异时，由地质雷达天线在地表向地下发射的高频电磁波遇到异常物体与周围介质电性分界面时就会被反射回地表被接收天线接收，根据介质中电磁波传播速度和接收的反射信号及其双程走时，便可确定地下异常物体的位置和深度。

它的基本原理是：发射机通过发射天线发射中心频率为12.5M至1200M、脉冲宽度为0．1 ns的脉冲电磁波讯号。

当这一讯号在岩层中遇到探测目标时，会产生一个反射讯号。

直达讯号和反射讯号通过接收天线输入到接收机，放大后由示波器显示出来。

根据示波器有无反射汛号，可以判断有无被测目标；根据反射讯号到达滞后时间及目标物体平均反射波速,可以大致计算出探测目标的距离。

由于地质雷达的探测是利用超高频电磁波，使得其探测能力优于例如管线探测仪等使用普通电磁波的探测类仪器，所以地质雷达通常广泛用于考古、基础深度确定、冰川、地下水污染、矿产勘探、潜水面、溶洞、地下管缆探测、分层、地下埋设物探察、公路地基和铺层、钢筋结构、水泥结构、无损探伤等检测。

工作原理如图所示：探地雷达工作原理示意图地质雷达工作时，在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号，并直接馈给发射天线，经由发射天线耦合到地下的信号在传播路径上遇到介质的非均匀体（面）时，产生反射信号。

位于地面上的接收天线在接收到地下回波后，直接传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，经电缆传输到雷达主机，经处理后，传输到微机。

在微机中对信号依照幅度大小进行编码，并以伪彩色电平图/灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来，经事后处理，可用来判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数。

地质雷达在地质灾害抢险工作中的应用地质雷达方法技术简介 第一节 地质雷达方法技术简介1、基本原理 地质雷达是根据高频电磁波在有耗介质中的传播理论而新兴起来的一种应 用地球物理方法。

当雷达发射天线向地下发射的高频电磁波在传播过程中遇到地 下不同的电性介质体时，在其界面上将产生反射，通过接收天线接收来自地下电 （磁）性界面的反射波。

对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上， 根据接收到的雷达波形、 强度、 双程走时等参数便可推断地下目标物的空间位置、 结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测目的。

一般出现险情的工程区域，现场路面会出现不同程度的裂缝，部分地层产 生倾斜现象，地下地层出现破坏、甚至是缺失，水位出现不同程度的升降等。

地 质雷达可以根据这些明显的工程地质特性进行探测， 从而解决地质灾害抢险的目 的。

2、仪器设备 地质灾害抢险工作中可以选用的地质雷达仪器通常有美国劳雷公司生产的 SIR-20型地质雷达、加大拿生产的EKKO系列地质雷达、瑞典的RAMAC/GPR系列地 质雷达等。

考虑到地质灾害抢险工作的特殊性，一般根据所解决的地质问题选择天线 主频、时窗及增益参数。

3、资料处理与解释 地质雷达在抢险过程中的资料处理及成果推断解释，主要是基于地质雷达 工作的理论基础，以往工作经验的积累，现场条件及其它地球物理探测技术的 解释成果资料而进行。

①对于险区内所出现的空洞、土层缺失等的识别：当电 磁波在这些异常体上进行传播时， 会在接触面上发生强反射,异常体边缘出现绕射现象,在时间轴方向上电磁波呈强衰减；②险区内道路下裂缝的判定：从险情 区域地下地质层的工程力学性质来看，如果各个层位之间接触不好，或是经过 不均匀的外力作用，使得横向上产生拉、推作用，从而产生一定的裂缝，当裂 缝中充满水、空气或是其它充填物时，雷达图像会产生振幅强度不等的变化， 有时会表现出多次反射，依据裂缝深度不同，这种反射特征在雷达图像上会出 现在深度轴不同的位置上，而且依据裂缝的宽度不同而表现不同；③其它异常 现场探测原始资料有限脉冲滤波处理直达波的识别与地形校正设定资料剖面的时间零点频谱分析，干扰去除滤波偏移归位 绕射波处理 背影去除振幅衰减补偿速度分析、异常、结构层 识别成果输出 图 1-1 地质雷达处理流程图2体的判定：如果险区内各层面间接触不好，或是由于险情导致某一个层位产生 倾斜，在雷达图像上都会有清楚的反映，一般情况下，表现为同相轴的不连续， 或是该层位的反射雷达图像也向同一个方向倾斜，部分区域还会间有裂缝反应 特征。