探地雷达的工程应用及原理简介

第

7卷第

4期有色金属矿产与勘查

Vol.7,No.4

1998年

8月

GEOLOGICALEXPLORATIONFORNON2

FERROUSMETALS

Aug.,1998

探地雷达在工程勘察及工程探测中的应用江坤树

(广西有色地质勘查局　南宁　

530023

)

摘　要　叙述了探地雷达工作的方法原理

,并通过几个方面的应用实例

,简述探地

雷达在工程勘察及无损检测中的应用。

关键词　探地雷达　工程勘察　无损检测

1998-03-12收稿。图

1　反射探测原理

Fig.1　

Principleofreflectingsounding1　探地雷达的工作原理

探地雷达与探空或通迅雷达相类似

,其理论基础为高

频电磁波理论。工作方式是以宽频带短脉冲的高频电磁

波的反射来探测目的体及地质现象。如图

l,探地雷达通

过地面天线

T将电磁波(主频n×

10MHz～

n×

1000MHz)

送入地下,经地下地层或地质异常体(溶洞、土洞、断裂、空

隙等)反射回地面

,由另一接收天线

R接收反射回来的脉

冲波信号。脉冲波行程需时

t(单位

ns,lns=10-9

s)

:

t=4

Z2

+X2

/V

其中

:

Z为地质界面的埋深(

m)

,

X为发射天线与接收天线的间距(

m)

,

V为电磁波在地下

介质中的传播速度(×

10-9

m/s)。当地下介质的波速

V已知时

,可以由仪器测到

t的精确数

据。因此

,由上式可求出反射体的埋深

Z:

Z=1

2V2

t2

-

X2

式中

X值在剖面探测中是固定的

,V值可以用宽角方式直接测量。当介质的导电率很低时

,

也可以根据

V≈

c

/ε

近似算出

,其中

c为光速(c=0

.3×

10-9

m/s)

,ε

为地下介质的相对介电

常数

,可以采用现成的经验数据

,也可以由实验测定获得。

探地雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录

,波形的正负峰分别以黑、白表示

,或者以

灰阶或彩色表示

,这样同相轴或等灰度、等灰色线即可形象地表征出地下反射面。图

2为波形

记录的示意图。图上对照一个简单的地质模型、画出了波形的记录。在波形记录图上各测点

均以测线的铅垂方向记录波形

２０１１年第６期　西部探矿工程　１５１　探地雷达方法的原理及工作方法技术简介　杨　可　，赵新生，赵钦　（新疆大学地质与勘查工程学院，新疆乌鲁木齐８３００４７）　摘要：探地雷达方法是工程地质勘察中应用较多的一种勘探方法，基于电磁波在不同介质中传播时　其路径、电磁场强度与波形随所通过的介质的电性质及几何形态而变化，据电磁波的双程走时、幅度　与波形推断介质（地质体）的结构。它的高分辨率使其在浅层与超浅层地质调查中有着广阔的应用前　景。　关键词：探地雷达；装置；技术指标；方法技术　中图分类号：Ｐ６３１．３文献标识码：Ｂ文章编号：１００４—５７１６（２Ｏ１１）Ｏ６一Ｏ１５１一Ｏ２　１原理及特点　探地雷达（Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ，简称ＧＰＲ）　方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（１ＭＨｚ～　１ＧＨｚ）电磁技术。探地雷达利用一个天线发射高频宽　频带电磁波，另一个天线接收来自地下介质面的反射　波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波　形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，　根据接收到的波双程走时、幅度与波形资料，可推断计　算出地质体的形状、大小、埋深等要素。　类似于探空雷达，探地雷达也是利用高频电磁波束　的反射探测目标体。然而探空雷达所发射的高频电磁　波在无耗介质中传播，探测距离大；相反，探地雷达所发　射的高频电磁波在有耗介质中传播，探测距离受到很大　限制。和探空雷达相比较，探地雷达的目标体通常为地　下埋藏的非金属体，回波能量小，且不需要快速跟踪技　术。因而，探地雷达有自己的发射波形和天线设计特　点。现如今探地雷达的发展日新月异，如博泰克ＲＩＳ　探地雷达在兼具了传统探地雷达各项优点的同时，增添　了高灵敏度、高分辨率的天线阵，使浅层和深层探测一　次完成，实现了三维立体探测，大大提高了工作效率，具　有数据采集完整、快速、低误差等特点。　’　探地雷达方法，发射天线与接收天线之间距离小甚　至合二为一。当地层倾角较小时，反射波的全部路径几　乎是垂直地面的，在测线不同位置上反射时间的变化实　际反映了地下地层的构造形态。探地雷达工作频率高，　在地质介质中以位移电流为主。高频宽频带波传播过　程中很少频散，速度基本由介质的介电常数确定。所以　说电磁波的传播理论和弹性波有许多相似地方。因此，　在地震法勘探中广泛使用的某些技术可以直接用于探　地雷达方法。　２探地雷达仪器结构及特点　探地雷达主要由控制器、发射与接收天线组成。控　制器是雷达的核心部分，它是在计算机的基础上配合信　号发生触发器、Ａ／Ｄ转换器共同组成（见图１）。　３技术指标　３．１分辨率　分辨率决定了地球物理方法（探地雷达方法）分辨最　／Ｊ、异常介质的能力，分辨率分为垂直分辨率和水平分辨率。　３．２探测距离　探地雷达能探测到的最深的目的体的深度称为探　地雷达的探测距离。当雷达系统选定后，系统的增益　（系统增益一仪器发射功率／接收系统背景噪声功率）已　知，因此只要到达接收器的回波信号幅度大于接收系统　背景噪声功率，那么来自该物体的回波就可以为雷达系　统识别。于是探测距离的预测就归结为求目的体的回　波的大小。　３．３电偶极子天线辐射图　当水平电偶极子源Ｐ位于地面上方时，接收点Ｍ　可以接受到从源出发取３条路径到达接收点的波（见图　２）：直达波、反射波与侧面波。　＊收稿日期：２０１０－０８－１４修回日期：２０１０－０８—２３　第一作者简介：杨￣ｒ（１９８５一），男（汉族），安微宿州人，新疆大学在读硕士研究生，研究方向：工程地质构造。

地质雷达

1、基本配置

《OKO-2》的基本配置—一套操作地质雷达的仪器、配件和软件，带天线。地质雷达《OKO-2》和笔记本电脑、处理单元（笔记本电脑和处理单元不包含在这套通用基本设置里）一起操作使用的。

2、操作原理

GPR 操作是从媒介介质中通过电容率反射无线波来进行的。和传统的无线定位相对比，GPR 中的脉冲不会发射到空中，而是在无线波严重衰减的媒介中。然而，广泛用于普通无线定位（脉冲频率为5

MHz 或更高）的扫描无线频率脉冲和它们的处理方法在地下扫描中不能使用，因为这些方法不能提供需要的扫描深度（由于衰减值）和深度分辨率。因此，由高频信号脉冲导致的宽带信号适用于地下扫描雷达。同样，由许多或一个高频振动（一个脉冲或多脉冲）所形成宽带信号也适用于地下扫描雷达。为了形成这种脉冲，可以用电压产生短的振幅（称之为激发击实法）来激发宽带传输天线。脉冲持续的选择是需要的扫描深度和深度分辨率要求相结合的结果 - 脉冲越短，扫描深度越小。根据此原理设计的现有的GPRs是在10÷2000 MHz的范围内进行操作的，扫描脉冲可持续到0.5÷10 ns。这些信号有个较宽的范围，而且要求宽带接收系统是5÷3000 MHz。脉冲持续的选择由给出的最大扫描深度和深度分辨率要求而定。像这种持续短的脉冲的直接处理就相当复杂。因此使用频闪转换，目的就是为了简化提供宽带信号接收和处理的技术方法。在这次转换过程中，接收到的信号被分为需要的几个点，每个点在扫描期间都是固定信号值。另外，当短的宽带信号进入接收器输入时就会被转换成长的低频范围的信号，后者的处理和制图就不会有技术方面的困难了。GPR传输天线单元放射持续时间（单位或纳秒）很短的电磁脉冲，而且宽的放射序列是为了获得更高的分辨率能力。电磁脉冲通过传输天线单元传送到被检测的环境中，然后从这个环境中存在的任何物质（包括金属和非金属的）里反射，渗透性和传导性和环境本身区分开来。通过接收天线单元获取反射信号，然后转化为数字代码存储起来，以备进一步处理使用。当沿着检测环境的表面移动GPR时，信号就会显示在监控器上，帮助限定物体位置、埋藏深度和长度。

地质雷达在工程地质勘察中的应用

地质雷达是一种非侵入式的地球物理勘察技术，近年来在工程地质勘察中得到了广泛的应用。地质雷达能够快速、准确地探测地下地质结构，帮助工程师们了解地层情况，规划建设方案，并避免潜在的地质灾害风险。本文将详细介绍地质雷达在工程地质勘察中的应用以及其优势。

地质雷达是一种利用电磁波原理探测地下结构和岩层的技术。它通过发射高频电磁波，并通过接收地下物体反射回来的电磁波来实现探测。地质雷达的工作原理在很大程度上依赖于不同材料对电磁波的反射和穿透性的差异。

在工程地质勘察中，地质雷达被广泛应用于多个领域。首先，地质雷达可以用于地下管线、电缆以及其他地下设施的检测与定位。通过扫描地下区域，地质雷达可以快速找到地下设施的位置和深度，并避免在施工过程中对这些设施造成损害。

其次，地质雷达在岩土工程中的应用也非常广泛。地质雷达可以帮助工程师们确定地下岩层的分布和特性，从而评估地基的坚固程度和承载能力。这对土木工程的设计和施工来说至关重要，可以减少地质灾害的风险，提高工程的质量和安全性。

此外，地质雷达还可以用于地下洞穴和隧道的勘察。通过地质雷达扫描，工程师们可以获取地下洞穴和隧道的详细信息，包括洞穴结构、地下水流动以及潜在的岩石崩塌风险等。依据这些信息，工程师们可以制定相应的支护和加固方案，确保洞穴和隧道的安全性和可持续性。

在工程地质勘察中，地质雷达具有许多优势。首先，地质雷达可以实时获取地下结构和地质信息，提供准确的数据支持。与传统的地质勘察方法相比，地质雷达不需要进行钻探，因此可以大大节省时间和成本。

其次，地质雷达可以在不同地质环境下工作，包括坚硬的岩石、松散的土壤以及泥浆等。这使得地质雷达成为一种非常灵活和通用的地质勘察工具。 此外，地质雷达可以提供高分辨率的地下图像。它可以探测到地下细微的结构变化，如岩层的接触面和裂缝等，从而帮助工程师们更好地理解地下地质情况。

尽管地质雷达在工程地质勘察中具有许多优势，但也存在一些限制和挑战。首先，地质雷达的穿透能力受到材料的电磁波反射和吸收性质的影响。因此，在一些电磁波吸收较强的地质环境下，如高含水量的土壤或盐性土壤中，地质雷达的探测深度可能会受到影响。