RIS 地质雷达
RIS探地雷达
一、概述
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。适用于公路路面、隧道衬砌质量的检测、桥梁结构检测、路基检测、管线探测、岩性分析和条件恶劣场地的应用。
使用博泰克RIS天线阵雷达进行公路和隧道检测如图8-1所示。
图8-1 RIS探地雷达
二、RIS K2主机技术参数
1、扫描速度： 850扫/秒
2、脉冲重复频率：400KHz
3、时窗： 9999 nsec
4、采样点数： 128-8192
5、叠加数： 1-32768
6、分辨率： 5psec
7、工作温度：－10～50℃
8、A/D转换： 16bit
9、工作环境标准： IP65
10、动态范围： >160dB
11、信噪比： >160dB
12、可连接8对天线同时测量
13、尺寸：22x17x5.5cm，重量：1.2kg
现场测量开始前应该对雷达的采集参数进行设定，这一工作最好在进入现场前在室内完成，进入现场后可根据情况略加调整。参数设定的内容包括时间窗口大小、扫描样点数、每秒扫描数、Ａ／Ｄ转换位数、增益点数等内容。参数设置的是否合理影响到记录数据的质量，至关重要。
★探测深度与时窗长度
探测深度的选取是头等重要的，既不要选得太小丢掉重要数据，也不要选得太大降低垂向分辨率。一般选取探测深度H为目标深度的1.5倍。根据探测深度H和介电常数ε确定采样时窗长度（Range/ns）：
Range= 2H(ε)1/2/0.3(ns)= 6.6 H(ε)1/2(ns)
例如对于地层岩性为含水砂层时，介电常数为25，探测深度为3m时，时窗长度应
选为100ns，时窗选择略有富余，宁大勿小。
★A/D采样分辨率：
雷达的A/D转换有8Bit、16Bit、24Bit可供选用。选择24Bit动态大，强弱反射
信号都能记录下来，探测深度大、时窗长时采用。16Bit，动态中等，中高频天线、探测2-5m时采用；选择8Bit动态小，采集速度快，探测深度小于1m、时窗小时采用；
★扫描样点数
扫描样点数Samples/Scan有128、256、512、1024、2048/scan可供选用，为保证
高的垂向分辨，在容许的情况下尽量选大。对于不同的天线频率F
、不同的时窗
a
长度Range，选择样点数Samples应满足下列关系：
Samples≧10-8*Range*F
a
该关系保证在使用的频率下一个波形有10个采样点。例如对于900MHZ天线，40ns采样长度的时窗，要求每扫描道样点数大于360Sanples/Scan，可以选择接近的值512。对于100MHZ天线，500ns采样长度，样点数应大于500Sanples/ Scan,可以取512或1024。样点数大对提高资料的质量有利，但耗时较大，影响前进速度。
★扫描速率Scans/S：
扫描速率是定义每秒钟雷达采集多少扫描线记录，扫描速率大时采集密集，天线的
移动速度可增大，因而可以尽可能的选大。但是它受仪器能力的限制。对于一种类型的雷达，他的A/D采样位数、扫描样点数和扫描速度三者的乘积应为常数。当扫描速率Scans/s决定后，要认真估算天线移动速度TV。估算移动速度的原则是要保证最小探测目标（SOB）内只少有20条扫描线记录：
TV≦Scans*SOB/20
采集速度=（1/天线数量）*道间距/（脉冲间隔时间+采样点数/A/D转换速度）
在上式中，天线数量一般为连接的天线数量，Fastwave的脉冲间隔时间为100毫秒，K2和SRS的脉冲间隔时间为270毫秒。A/D转换速度为采集电子的速度，Fastwave主机的为400KHz，SRS为200KHz，K2为133KHz。
例如探测目标最小尺度为10cm、扫描速率64Scans/s时,推算天线运动速度应小于32cm/s，相当于0.5cm/scan。如果最小目标为0.5m,则天线移动速度可达1.5m/s。
★增益点数的选择：
增益点的作用是使记录线上不同时段有不同放大倍数，使各段的信号都能清楚的显
现出来，增益点的位置最好是在反射信号出现的时段附近。SIR型雷达设计的增益点从2到8个，时窗短时选2点增益，时窗长时选4或5足以。点之间的增益是线性变化的，增益的变化是平滑的。增益大小的调节是使多数反射信号强度达到满度的60%-70%，增益太大将造成削顶，增益太小将丢失弱小信号。
★滤波设置：
滤波设置是为了改善记录质量。滤波分垂向滤波和水平滤波。垂向滤波分高通和低通，高通频率选为天线频率的1/6，高于这个频率的信号顺利通过，相当于带通滤波器里的低截频率。垂向低通频率选为天线频率的2倍，低于该频率的波顺利通过，相当于带通滤波器里的高截频率。
水平滤波分水平平滑和背景剔除，目的是消除仪器和环境的背景干扰。水平平滑通常取3道平滑，背景剔除功能只在回放时起作用。
★选择合适的采集方式：
雷达的采集方式有多种，对RIS仪器有连续采集、逐点采集、控制轮采集。连续采集是最常用的采集方式，具有工作效率高的特点，便于界面连续追踪。逐点采集一般在表面起伏变化大的情况下采用，或是使用低频拉杆天线时采用。控制轮采集是通过控制论行走为记录打标记，资料位置标记均匀准确，一般在表面平整的机场跑道、高速公路路面等场合采用。
★选择适宜的显示方式：
雷达显示是现场观察探测结果的只管展示，仪器预设了几个可供选择的彩色显示方式，可以根据不同对象选用，通过比较选择效果最好的方案。显示方案的振幅分成16等级，正幅值8级，负值8级。对16级的不同分法形成了三种显示方案。第一种方案是线性分割，第二种方案是平方根分割，第三种方案是按平方分割。第一种方案在大多数情况下采用，第二种方案在要求突出弱信号时采用，第三种方案在需要反映主要强反射界面时采用。
★正常数据采集工作程序
正常数据采集工作中并非每次都需要对所有仪器参数进行重新设置。雷达仪器有记忆，上次设定的采集参数仍在起作用。同时硬盘上存有不同天线对应的参数文件，可以根据需要调用。如果某些参数需要修改，可以调出来修改。应该特别注意下列几点：
a核定采样窗口长度；
b.核定增益点设置；
c.确定采集时硬盘写打开；
d.选择显示效果；
三、结构及工作原理
RIS探地雷达系统分三部分：主机、天线、后分析软件。
1、结构
1）主机：如图8-2所示。
雷达主机是对采集信号进行控制和处理中心，它通过网络和笔记本电脑连接，具先进的设备状态诊断功能，在现场的使用极为方便；博泰克RIS雷达有单通道和多通道型号主机，使用时可依照自己的工作需要进行选择。加上其不间断供电系统，一次可以完成几百公里长度的探测。主机自带的现场采集软件可以自动调节雷达波形、增益等参数（也可选择手动调节），使探测工作最大程度的减少了人为影响。
图8-2 主机
主机特点：
1、全中文界面，主机操作简单
2、现场准确定位各种缺陷位置
3、极高的扫描速度和脉冲重复频率
4、主机体积小、重量轻，坚固耐用
5、高信噪比、高精度、高分辨率
6、可以兼容所有RIS系列的天线和天线阵
2）天线：如图8-3所示。
天线是用来发射和接收高频电磁波信号的装置，RIS雷达天线的中心频率从10MHz~2.5GHz不等；天线频率的不同，其探测深度和分辨率相应改变。高质量的天线保证了高分辨率的探测精度，由于博泰克RIS雷达天线采用了目前国际上领先的屏蔽技术，尽可能避免了其它干扰信号，得到清晰的雷达波形图，使微弱的细微信号和深部信号不再被强烈的干扰信号所压制，从而提高了探测灵敏度。
天线包括以下四种类型：
屏蔽天线：具有目前世界上最低频率的屏蔽天线(80 MHz)，在市区等要求抗干扰能力很强的地方，需要进行深部探测时，具有无可比拟的优势。
非屏蔽天线：频率有10 MHz，25 MHz，40 MHz等，用于地质、水文等方面。
天线阵系列：RIS雷达具有世界领先的天线阵技术，即把相同或不同频率的天线，通过特定的组合方式排成阵列形式。其优点是：增加了探测角度，提高探测概率，探测速度快。
井中天线：可深入井中数百米，用于井间CT扫描。
天线特点：
1、同频率体积小、重量轻
2、探测精度高、屏蔽性能好
3、先进的天线阵技术大大提高了探测精度与效率
图8-3 各种天线
3）后分析软件
后分析软件是将主机处理和存储的雷达信号，根据不同特点进行各种处理，如去除干扰信号、对被测物体进行切片、信号再处理等，并将探测数据链接到CAD制图，对被测物体进行三维立体显示，自动绘制路面、隧道衬砌分层图、公路、铁路路基图、管线三维立体分布图、岩性分层图、分类图等，可自动或手动分析得出各层的实际厚度，在雷达图上加注钻孔取芯实际效果，对不同介质的分层设置不同的雷达波速，从而得到更精确的分层厚度，并可以直接把探测结果导入地理信息系统，方便实现查询、统计、输出等功能，从而更精确、更方便的进行管线探测和数据管理。软件安装在windows界面下，友好的人机对话，对非雷达专业的探测者，提供了最大的帮助。如图8-4所示。
图8-4 后分析软件
RIS 软件的特点：
①立体结构综合分析软件能够把处理过的雷达数据存储在数据库中，通过CAD 自动链接软件IDSGEOMAP ，把处理过的雷达信息导入到CAD 中，自动绘制三维图形。
②数据分析及分层绘图软件具有以下特点： a .自动或手动精确划分不同材料组成的层面
b .自动添加图符说明（该功能能为用户提供报告很有帮助）
c .在雷达图上显示实际钻孔取芯的结果，并可据此调整雷达波的波速，同时自动
进行速度评估。
③岩性分析软件是目前世界上唯一一个能够进行土壤识别的软件，包含先进的“样品识别”算法，内部包含一个完全的土壤样品的数据库，能够自动对雷达图进行处理和识别，然后和数据库相比，以得到准确的分类结果；能够同时显示普通的雷达截面图，水平切片图、分层图、土壤识别彩色图等。应用于路基检测、非开挖技术、地质分析等领域。
2、工作原理
探地雷达作为无损检测的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点。根据电磁波在有耗介质中的传播特性，探地雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波(几MHz-几GHz)，当其遇到不均匀体(界面)时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定，通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的(见图8-5)。
雷达图 双曲线 数据采集
雷达可测量信号到达目标的传
输时间，利用估算的传播速率 计算出目标的距离
当满足下面条件时，隐蔽物可由雷达探出： 1.在天线信号范围之内 2.信噪比适当
图8-5 探地雷达工作原理示意图
电磁波在特定介质中的传播速度V 是不变的 ，因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差ΔT ，即可据下式算出地下异常的埋藏深度H ：
H V T =??2 （ 8-----1）
式中，H 即为目标层厚度；
V 是电磁波在地下介质中的传播速度，其大小由下式表示：
V C =ε (8-----2)
式中，C 是电磁波在大气中的传播速度，约为3×108m/s ；ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。
雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数r 可表示为：
2
121εεεε+-=
r (8-----3)
式中，ε1、ε
2为界面上、下介质的相对介电常数。
反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强。 雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。导电率越高，穿透深度越小；中心频率越高，穿透深度越小，反之亦然。
四、仪器操作方法和步骤：
1、 连接
1）RIS 主机电池接口和网线接口，如图8-6所示。
图8-6 主机结构
2）RIS主机测量轮及雷达天线接口，如图8-7所示。
图8-7 主机结构
2、软件可以自动调节雷达波形、增益等参数
1）K2使用流程：
K2是RIS雷达系统的的最新一代采集软件，安装在笔记本电脑上,现在将其基本使用流程归纳如下：
双击K2图标，打开采集软件，在屏幕右侧的Configuration当中选择所使用的雷达，并可以设置基本参数，包括时窗（range）,每秒采样数（samples per scan），波速（propagation spee）d,也可以进一步修改天线的驱动程序，包括采样间距等等。
在new survey菜单下，可以在survey name下选择要建立的探测区域名称，可以是数字、字母或两者混合，area下选择子目录，设定探测区域分区探测名称，area description 下对探测区域进行简单的描述。
2）增益标定
选择 start acquisition中，进行自动增益，在待检测的介质表面把天线拖动一段距离即可，然后点击stop停止增益。增益到一定长度时，系统会自动停止增益。
3）操作参数设定与调整
增益结束之后，选择edit parameters，设置探测区域的参数，包括扫描方向、步长、
坐标偏移等等
3、正式开始探测
1）按start scan 开始探测，在探测过程中可以通过mark 在雷达图中插入标记，save scan 保存探测数据，stop scan 结束本次探测。重复此过程可以进行多条测线的探测。
2）查看雷达图：在选择end acquisition命令后，回到主菜单，可以选择rename acquisition命令来重新命名探测区域，也可以选择review acquisition来重新查看雷达图，并进行必要的修改。
3）K2 采集软件的可操作阶段有以下几部分组成：
（1）打开 K2采集软件
（2）选择驱动
（3）增益标定
（4）选择探测区域
（5）设定采集参数
（6）采集雷达数据
（7）查看雷达数据
打开 K2采集软件：
当笔记本电脑已经完全打开时，就可以通过双击桌面上的K2图标，如图8-8所示，来打开K2采集软件。如图8-9所示。
图8-8采集软件图标
图8-9 K2采集软件初始化窗口
选择驱动：
下面给出了在选择将要使用的雷达驱动时所需遵循的步骤。
通过按 Configuration 按钮来打开Radar selection窗口图8-10，在这里可以选择数据采集所需要的天线种类和驱动程序。
⑴如图8-10所示的例子中, IDSTR200_WHE50 文件已经被选择,
该驱动表示选择了一个带有50厘米直径定位测量轮的200MHz单天
线。
图8-10 雷达天线选择窗口
在时窗窗口下，可以针对框中已有的数值重新键入一个新的时窗值如图8-11。
图8-11
⑵每扫采样点数的数值可以选择由对话框下拉菜单中提供的数
值。如图8-12所示。然而，这些数值不能低于在Min req. sample/scan
所提示的最小数值。
图8-12 每扫采样点数的数值
⑶电磁波的传播速度可以在如图(8-13)的传播速度中设定。一般推荐使用默认值，除非你能确切知道你所要勘查的场地中的图层的特征参数信息。
图8-13 电磁波的传播速度
⑷按如图8-10按钮，可以打开雷达设置窗口，(见图8-14)。从这里可以修改所选择的天线驱动程序的现有参数，然后以另外一个文件名来保存你的设定。
图8-14 雷达设置窗口
⑸采集过程中的通道数可以在雷达设置的通道数菜单（图8-14）中进行设定。该数值可以最小可以从1到最多8个，这些参数代表着可以正常使用的天线个数。分别在N. TX和N. RX 对话框中设定在被使用的天线发射器和接收器的总数。如图8-15所示。
图8-15–雷达设置的通道数
⑹如图8-16，在TX sequence和Rx sequence 对话框中填写发射和接收模块的排列组合(操作者可以在这里自主设计在采集过程中的接收和发射模块的排列组合顺序)。
图8-16 –发射和接收模块的排列组合
⑺采集过程中的最大时窗可以在如图8-17的扫描时间对话框中被编辑。
图8-17 最大时窗设置
⑻每扫采样点数的数值可以选择由对话框下拉菜单中提供的数值。如图8-18所示。然而，这些数值不能低于在Min req. sample/scan 所提示的最小数值。
图8-18 每扫采样点数的数值
⑼操作者可以在如图(8-19 )的测量轮分辨率对话框中编辑定位测量轮的最小分辨率。.
图8-19 测量轮分辨率设置
⑽在如图8-20所示的Wheel stacking 对话框中包含了由定位测量轮出发的脉冲数的综合值。
图8-20 测量轮出发的脉冲数的综合值
⑾在如图8-21中的Array TX and Array RX 对话框中, 操作者可以编辑每个天线发射和接收模块的频率及其位置。包括X0 和Y0坐标以及在选定中心点时各个发射接收模块的偶极子的方位角(Alpha)，他们与某个单天线或者是天线阵有关。
图8-21 天线发射和接收模块的频率及其位置
⑿按如图8-14 所示按钮，可以以一个新的文件名在如图8-22的对话框中来保存修改过的驱动程序。
图8-22 窗口用来保存天线新的驱动程序
⒀通过点击如图8-10
增益标定：
本段描述了在实时处理雷达数据时，如何进行参数增益的过程。
1、点击图8-23 的按钮，然后拖动天线在所要
探测的介质表面前进一段距离，即可以完成自动增益。
2、通过点击如图8-23的停止增益。该操作允许系
统保存通过实时采集获得的滤波参数。
.
图8-23 增益校准过程
3、可以通过扫描波形显示来查看每个雷达天线的信号是否正常，如
图8-24所示。
图8-24 现场的雷达天线信号显示
4
，但这就意味着只能查看已有的雷达数据，而不能采集新数据。 5
个新的增益文件。如图8-25所示。
图8-25 增益文件选择窗口
（1）点击图8-25 中“NEW”键，可以打开图8-26窗口，可编辑新增益文件名，然后点击“OK”键，打开图8-27 窗口，设定增益值选择测量区域。
图8-26 增益窗口
（2）在图8-27窗口用户可以设置：
在时间栏设置时窗，单位为纳秒。
拟应用在上一步时窗内的增益值。
再点击“Apply”键画出先前设定的参数的增益曲线。
通过选择通道数，可以在多个通道上应用期望的增益曲线。
（3）在窗口8-25可以选择以下操作：
①激活“Processed Sweep”键，操作时可以在先前通过自动
增益得到的增益曲线上进行修改。
②操作者可以在“Filter cut”栏填写滤波，也可以选择在专
用的文本框中设定一个不同的值，一般建议选择100MHz值。
③操作者可以在“Contrast”栏选择对比度值。
注意：使用时可以在此处添加对增益的注解。
应用增益曲线的天线
通道
增益曲线
图8-27手动增益参数设置窗口
6、几个监控灯分别代表雷达(RADAR), 电池(BATT), 采集速度(SPEED) 和采集获得的道数(SWEEP), 如图8-23所示, 当监控灯显示不同颜色时就反映了雷达系统工作的不同状态。(见8-28 ).
白色:表明该系统没有被激活。
绿色:表明系统正常工作。
红色：表示系统没有正常工作。
电池监控灯由绿色转为黄色进而变为红色，代表着剩余电量的不断减少。
图8-28 系统功能监控灯
图8-29中所示的图标，表示可以自由选择的6种不同颜色的图案，可选择颜色图案中的一种来显示雷达图。
图8-29 供选择的雷达图颜色
7、靠近RADAR有一个8-30 ，按
可以打开窗口8-31，在8-31
图8-30 信息按钮
图8-31 信息窗口
9、可以通过点击, , , 来对雷达图进行最大4倍的放
大显示，如图8-23 。
10、通过点击来关闭采集软件。在关闭
之前，软件会弹出一个信息提示你断开雷达控制单元与电池之间的连
接。
五、注意事项和维护：
（1）不得对设备系统进行打开和/或拆装一类的操作。也不允许拆除质保铅封。
（2）所有电缆的连接，必须在关机状态下进行，在任何情况下，如需做任何改动，必须事先确认数据采集主机和计算机是否处于关机状态。操作必须在整个系统完成所有电缆的正确连接后进行。在电缆尚未正确连接前不要做任何开机操作。
（3）只可使用由IDS公司提供的电池和电源转换器。
（4）系统在数据采集和后处理阶段处于开机或待机状态时，天线只许与被测表面相接触，不能将天线直接对着人体。
定期检查电缆，在连接时要查验电缆是否连接紧固，外表皮是否完好无损。对D/C电缆尤为重要，因为它会经常与地面接触。不要使用有磨损或变形迹象的电缆。不要私自裹缠或截断电缆。
（5）DAD 控制单元需要定期使用潮湿的布来进行清理。请勿使用带有清洗剂及其他带有腐蚀性的溶剂进行清理。
（6）不要将液体直接倾倒于各种天线接口上。
六、现场探测实例
1、探测的主要目的
（1）探测隧道内的衬砌厚度及衬砌后的空洞；
（2）探测隧道内部的钢拱架分布情况。
2、所使用的雷达系统配置
使用的是RIS雷达的多通道现场数据采集主机，RIS1600MHz和600MHz的组合天线阵，现场数据采集软件，后处理软件。
3、隧道雷达截面图及其内部情况分析
1）使用了博泰克RIS1600MHz和600MHz的组合天线阵在某隧道检测，
(1) 如图8-32为隧道的衬砌雷达截面分层图：
图8-32600MHz天线探测雷达图
衬砌厚度最薄处大约有23厘米，最厚处有108厘米，衬砌厚度示意如图8-32所示。距测量原点5米范围内有钢拱架存在，如雷达图所示，位置用红色圆点标出。
（2）如图8-33可见，衬砌厚度最薄处大约有32厘米，最厚处大约55厘米，衬砌厚度示意图如上所示，复杂钢拱架位置如图中的红色圆点所示。
图8-33 1600MHz天线探测雷达图
2）使用了博泰克RIS1600MHz和600MHz的组合天线阵做隧道检测的一些典型剖面某（1）隧道右边墙DK1318+615-622的雷达图（8-34）。
图8-34 衬砌内部空洞图
在距测量原点4米的里程上，深度是30厘米，有一衬砌内部的落水管存在。
（2）某隧道DK1366+550-650拱顶衬砌缺陷情况（图8-35）
图8-35 衬砌缺陷图
红筐内显示出压浆后仍然有衬砌后的脱空现象，位置是DK1366+568-571的范围内。 （3）某隧道DK1366+380-390的拱顶衬砌雷达图
（8-36）
图8-36 衬砌雷达图
本段10米拱顶的衬砌厚度：最厚69厘米，最薄43厘米。
（4）某隧道DK1366+350-360拱顶的衬砌雷达图（8-37）
衬砌后的钢拱架
图8-37 衬砌雷达图衬砌厚度：最薄处33厘米，最厚处80厘米；
可以清楚的看到在红线处仍有少量的脱空。
地质雷达测量技术
地质雷达测量技术 内容提要：本文在简述地质雷达基本原理的基础上，介绍了地质雷达检测隧道衬砌质量的工作方法，通过理论分析、实际资料计算、实测效果等方面说明采用地质雷达技术检测隧道衬砌质量的必要性和可靠性。 关键词：地质雷达测量技术 1 前言 地质雷达（Geological Radar）又称探地雷达（Ground Penetrating Radar），是一项基于不破坏受检母体而获得各项检测数据的检测方法，在我国已在数百项工程中得到了应用，并取得了显著成效。同时，随着交通、水利、市政建设工程等基础设施的大力发展，以及国家对工程质量的日益重视，工程实施过程中仍急需用物理勘探的手段解决大量的地质难题，因此，地质雷达极其探测技术市场前景十分广阔。 地质雷达作为一项先进技术，具有以下四个显著特点：具有非破坏性；抗电磁干扰能力强；采用便携微机控制，图象直观；工作周期短，快速高效。它不仅用于管线探测，还可用于工程建筑，地质灾害，隧道探测，不同地层划分，材料，公路工程质量的无损检测，考古等等。 2 地质雷达技术原理 地质雷达是运用瞬态电磁波的基本原理，通过宽带时域发射天线向地下发射高频窄脉冲电磁波，波在地下传播过程中遇到不同电性介质界面时产生反射，由接收天线接收介质反射的回波信息，再由计算机将收到的数字信号进行分析计算和成像处理，即可识别不同层面反射体的空间形态和介质特性，并精确标定物体的深度（图1）。
图1 地质雷达检测原理图 3 雷达的使用特性 3.1无损、连续探测，不破坏原有母体，避免了后期修补工作，可节约大量的时间和费用。 3.2 操作简便，使用者经过2－3天培训就能掌握。 探测时，主机显示器实时成像，操作人员可直接从屏幕上判读探测结果，现场打印成图，为及时掌握施工质量提供资料，提高了检测速度和科学水平。并且通过数据分析，还可以了解道路的结构情况，发现道路路基的变化和隐性灾害，使日常管理和维护更加简单。 3.3 测量精度高，测试速度快。在车载工作方式下，测试速度大大提高，当车速达80Km/h时，系统仍能正常工作。 3.4 收、发天线离地面的探测高度可以针对不同的埋地目标进行调整，以达到最佳的探测能力和探测分辨率：同时还可以调节收发天线之间的距离寻找系统工作的最好效果。 3.5 测点密度不受限制，便于点测和普查。 工作方式的灵活使得用户可以连续普查某一段工程的质量,也可随时对异常区域进行重点探测 和分析。 3.6 便于维护与保养。 本系统采用了结构化设计，对于使用不当或其它原因造成的质量问题，简单地更换接插件即可保证雷达的正常工作。 3.7 可扩充配置。 通过选择相应的发射源和收发天线，再配上相应的处理软件，就可以在中、深层探测范围，如地下管线、地基空洞、钢筋分布、堤坝密实程度等方面扩大应用。 4 地质雷达在检测隧道衬砌质量中的应用 新建隧道施工中为确保隧道衬砌质量，采用传统“钻、看”的检测方法显然已不能满足“多断面、全方位”的检测要求，业主和施工单位都在探索采用无损检测技术有效监控和确保隧道衬砌质量的新方法。 隧道衬砌的质量检测包括1)隧道衬砌厚度，2)隧道衬砌背后未回填的空区，3)隧道衬砌的密实程度，4)施工时坍方位置及坍方的处理情况。5)有时还可检测围岩中地下水向隧道侵入的位置。4.1 工作方法
第二讲 国内外地质雷达技术发展状况
第二讲国内外地质雷达技术发展状况（历史与现状） 探地雷达的历史最早可追溯到20世纪初，1904年，德国人Hulsmeyer首次将电磁波信号应用与地下金属体的探测。1910年Leimback和Lowy以专利形式在1910年的专利，他们用埋设在一组钻孔里的偶极子天线探测地下相对高的导电性质的区域，并正式提出了探地雷达的概念。1926年Hulsenbeck第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路，指出只要介电常数发生变化就会在交界面会产生电磁波反射，而且该方法易于实现，优于地震方法[1,2]。但由于地下介质具有比空气强得多的电磁衰减特性，加之地下介质情况的多样性，电磁波在地下的传播比空气中复杂的多，使得探地雷达技术和应用受到了很多的限制，初期的探测仅限于对波吸收很弱的冰层厚度（1951，B.O.Steenson，1963，S.Evans）和岩石和煤矿的调查（J.C.Cook）等。随着电子技术的发展，直到70探地雷达技术才重新得到人们的重视，同时美国阿波罗月球表面探测实验的需要，更加速了对探地雷达技术的发展，其发展过程大体可分为三个阶段： 第一阶段，称为试验阶段，从20世纪70年代初期到70年代中期，在此期间美国，日本、加拿大等国都在大力研究，英国、德国也相继发表了论文和研究报告，首家生产和销售商用GPR的公司问世，即Rex Morey和Art Drake成立的美国地球物理测量系统公司（GSSI），日本电器设备大学也研制出小功率的基带脉冲雷达系统。此期间探地雷达的进展主要表现在，人们对地表附近偶极天线的辐射场以及电磁波与各种地质材料相互作用的关系有了深刻的认识，但这些设备的探测精度、地下杂乱回波中目标体的识别、分别率等方面依然存在许多问题。 第二阶段，也称为实用化阶段，从20世纪70年代中后其到80年代，在次期间技术不段发展，美国、日本、加拿大等国相继推出定型的探地雷达系统，在国际市场，主要有美国的地球物理探测设备公司（GSSI）的SIR系统，日本应用地质株式社会（OYO）的YL－R2地质雷达，英国的煤气公司的GP管道公司雷达，在70年代末，加拿大A－Cube公司的Annan和Davis等人于1998年创建了探头及软件公司（SSI），针对SIR系统的局限性以及野外实际探测的具体要求，在系统结构和探测方式上做了重大的改进，大胆采用了微型计算机控制、数字信号处理以及光缆传输高新技术，发展成了EKKO Ground Penetrating Radar 系列产品，简称EKKO GPR系列。瑞典地质公司（SGAB）也生产出RAMAC 钻孔雷达系统，此外，英国ERA公司、SPPSCAN公司，意大利IDS公司、瑞典及丹麦也都在生产和研制各种不同型号的雷达。80年代全数字化的GPR问世，具有划时代的意义，数字化GPR不仅提供了大量数据存储的解决方案，增强了实时和现场数据处理的能力，为数据的深层次后处理带来方便，更重要的是GPR 因此显露出更大的潜力，应用领域得以向纵身拓展。 第三阶段，从上个世纪80年代至今，可称为完善和提高阶段。在此期间，GPR技术突飞猛进，更多的国家开始关注探地雷达技术，出现了很多探地雷达的研究机构，如荷兰的应用科学研究组织和代尔夫大学，法国_德国的Saint-Louis 研究所（ISL），英国的DERA，瑞典的FOA，娜威科技大学和地质研究所，比利时的RMA，南非的开普敦大学，澳大利亚昆士兰大学，美国的林肯实验室和Lawrence Livermore国家实验室以及日本的一些研究机构等等。同时，探地雷达也得到了地球物理和电子工程界的更多关注，对天线的改进、信号的处理、地下目标的成像等方面提出了许多新的见解。GSSI公司在商业上取得了极大的成功，
地质雷达记录的波相识别
7地质雷达记录的波相识别 地质雷达反射记录的波形比地震波复杂的多，一方面是由于地质雷达分辨率高记录的信号丰富，另一方面是由于电磁波的干扰因素多，此外还由于雷达发射的子波比较复杂，并非简单的脉冲。因而雷达资料的处理与解释是一项复杂细致的工作。特别是各种地层、目标体、干扰波的识别需要坚实的理论基础和丰富的实践经验。 7.1 地质雷达的波组特征 雷达天线发射的是子波而不是单脉冲，子波由几个震荡波形组成，占有一定的时间宽度，反射与折射波依然保持有原来子波的特点，只是幅值上有所变化。这里将雷达子波的周期、持续时间长度和衰减比三个参量作为子波的波阻特征。子波的频率成分与天线的主频相近，持续一个半到两个周期，后续振相略有衰减。例如对于100MHz天线的子波，持续时间可到15-20ns，对于1GHz的天线，持续时间约2ns。子波的波形的确定对于后期处理是非常重要的，它是小波处理的基础。有很多方法可以获得各种频率天线的子波，最简单的方法是利用金属板反射。将一块较大的金属板放置于地面上，发射与接受天线与金属板平行，相距为3个周期的时程，进行数据采集，即可获得子波记录。不同类型的雷达、不同型号的天线，雷达子波的形状是不同的。天线与介质的距离、介质的电导特性对子波的形态和特点也有一定的影响，应根据现场工作条件从记录中分离子波。从下边的记录中也可以辨认出子波的特征。表面反射波、内界面反射波都是近联各州其的衰减波形。对其进行分析可以得到子波的波组特征 7.2 地质与工程介质结构及反射特征 雷达的探测对象通常是多界面结构，如各类地层、岩性，松散层、风化层等都是多层结构。隧道中的围岩、初衬、二衬等，也是多界面结构。雷达波向介质内传播时，被称为下行波，经反射回表面的波称为上形波。下行波每遇到一个界面就发生一次反射和折射，入射波能量即被分成两部分，一部分经折射继续向下传播，另一部分经反射掉头向上，变成上行波。反射与折射能量的分配与反
地质雷达的应用
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70年代开始应用至今将近30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、地质构造研究等问题。在工程地球物理领域有多种探测方法，包括反射地震、地震CT、高密度电法、地震面波和地质雷达等，其中地质雷达的分辨率最高，而且图象直观，使用方便，所以很受工程界信赖和欢迎。 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
地质雷达操作规程
地质雷达法检测操作规程 1、地质雷达法适用范围 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、衬砌背后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）采样间隔一般不大于、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、易于天线移动。 （3）避开高电导屏蔽层或大范围的金属构件。
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、左右拱腰、左右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。一般情况线距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、左右拱腰和左右边墙各布一条；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。 4、测线每5～10m应有一历程标记。 （2）介质参数的标定： 检测前应对衬砌混凝土的介电常数或电磁波速做现场标定，且每座隧道不少于一处，每处实测不少于3次，取平均值为该隧道的介电常数或电磁波速。当隧道长度大于3km、衬砌材料或含水率变化较大时，应适当增加标定点数。
地质雷达
地质雷达在隧道超前地质预报中的应用 摘要：本文简要介绍了地质雷达基本原理及其探测深度、精度，并结合实例阐述了地质雷达的工程应用。 关键词：地质雷达；隧道超前地质预报；掌子面 引言 目前，我国修建大量穿越山岭的特长隧道。由于这些隧道大都处于地下各种复杂的水文地质、工程地质岩体中。为了摸清和预知周围的水文地质和工程地质条件，隧道地质超前预报显示出越来越重要的作用。在隧道开挖掘进过程中，提前发现隧道前方的地质变化，为施工提供较为准确的地质资料，及时调整施工工艺，减少和预防工程事故的发生非常重要。一、地质雷达基本原理及探测深度、精度 地质雷达( Ground Penetrating Radar, 简称GPR, 也称探地雷达) 是利用超高频(106Hz～109Hz)电磁脉冲波的反射探测地下目的体分布形态及特征的一种地球物理勘探方法。发射天线( T) 将信号送入地下，遇到地层界面或目的体反射后回到地面再由接收天线( R) 接收电磁波的反射信号，通过对电磁波反射信号的时域特征和振幅特征进行分析来了解地层或目的体特征(见图1)
图1 地质雷达反射探测原理图 根据波动理论，电磁波的波动方程为： P = │P│e-j（αx-αr）﹒e-βr（1）（1）式中第二个指数-βr是一个与时间无关的项，它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小，β为吸收系数。式中第一个指数幂中αr表示电磁波传播时的相位项，α为相位系数，与电磁波传播速度V的关系为： V = ω/α（2）当电磁波的频率极高时，上式可简略为： V = c/ε1/2（3）式中c为电磁波在真空中的传播速度；ε为介质的相对介电常
GR地质雷达介绍
GR-III地质雷达产品介绍 1 技术指标 1.1 主机： (1)数据采集方式：点测、连续测量、测距轮控制 (2) 触发方式：时间触发、键盘触发、测距轮触发 (3) A/D转换：16位 (4) 采样率： 10ps采样间隔 (5) 扫描速度：200KHz脉冲频率 (6) 测量时窗：5－3000ns (7) 功耗：35W (8)最大系统动态范围：156 dB 1.2 天线 （1）天线种类：屏蔽式地面耦合TE极化天线。 （2）天线频率：50MHz/100MHz/200MHz/400MHz/750MHz/1000MHz （3）天线前端模控噪声放大器：+20dB～- 60dB 1.3 软件基本功能 软件系统包括以下八大功能: (一) 项目管理 采用文件项目管理模式： ●用户可以将测区所用测线导入该测区的项目中。 ●通过下拉选择框，用户可以方便选取测区的任何测线。 ●对任何测线的任何处理在测线列表中保留其处理过程，在测线列表中，用户 可以方便选择任意处理文件，并方便对任意处理文件进行删除和叠加操作。 ●用户可以输入测区所有测线坐标位置，可以在平面图上观察所有测线的分布，
同时可以直接在测线平面分布图上选取测线。 (二) 输入输出 ●雷达剖面的打印输出。 ●雷达剖面的图像文件输出。 ●将当前数据转换为SEGY等地震格式 (三) 标记管理 既可以在屏幕上直接删除和插入标记，也可以通过对话框编辑标记实现。 (四) 里程管理 可以进行标记控制里程管理，也可以进行道间距里程管理。这两种里程管理模式可以相互转换。 (五) 处理功能 处理功能很多，主要参见如下： (六) 数据分析 ●速度分析 ●各种谱值分析 (七) 解释系统 解释系统是本软件具有独特功能的研究成果 ●层位自动识别和追踪，与里程结合起来自动解释。 ●公路评价系统：自动评价公路厚度的合格率等重要参数。
浅谈地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的运用
浅谈地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的运用 蒋帅男 （1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059） 摘要：近年来，随着我国交通事业的迅猛发展和西部大开发战略的实施,在岩溶地区修筑的隧道越来越多，而在岩溶地区隧道施 工中，对掌子面前方一定范围的地质情况进行准确超前预报却是保证隧道施工安全的关键。本文以中坝隧道为例,通过对拟掘进段 隧道勘察资料及工程地质条件的解读、隧道掌子面地质编录情况的判别和解译结果的综合分析，预判拟掘进段存在溶腔，并通过 超前钻孔揭示验证，得以及时采取有效措施，确保了生命及生产安全，表明在岩溶地区采用地质雷达进行超前地质预报是可行的。关键词：隧道；超前地质预报；地质雷达；岩溶； 1 前言 由于地面水和地下水的溶蚀作用，在碳酸盐岩地区发育着各种类型的岩溶地貌和岩溶形态，给工程建设带来一定的复杂性，每年都因不同程度的岩溶危害而造成巨大的经济损失和危及人身安全，而随着我国交通事业的迅猛发展和西部大开发战略的实施,在岩溶地区修筑的隧道越来越多，因此在岩溶地区隧道施工中，对掌子面前方一定范围的地质情况进行准确超前预报是保证隧道施工安全的关键。 超前地质预报方法用来准确预测隧道开挖工作面前方工程地质状况，可以减少施工的盲目性。采用科学的、先进的隧道超前隧道岩溶超前预报的手段有很多种，比如TSP、超前地质钻孔和地质雷达等。而地质雷达探测具有分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示、处理速度快等优点，近年来在国内外岩溶预报上，比较受亲睐[1]。 本文以中坝隧道为例,具体阐述了地质雷达的基本工作原理及其在岩溶隧道超前地质预报中的测试方法,并针对岩溶预报雷达图像进行了具体的解译。最后通过对拟掘进段隧道勘察资料及工程地质条件的解读、隧道掌子面地质编录情况的判别和解译结果的综合分析[2]，预判拟掘进段存在溶腔，并通过超前钻孔验证预判的准确性，得以及时采取有效措施，确保了生命及生产安全，实例表明在岩溶地区采用地质雷达进行超前地质预报是可行的。下面就将地质雷达在中坝隧道超前地质预报应用情况做一些阐述，并将其在岩溶预报上的规律进行总结，以期望对后续类似的工作具有借鉴意义。 2地质雷达的探测原理及方法 2.1探测原理 地质雷达是利用频率介于106～109Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器。岩溶洞穴、破碎带、岩溶水与完整围岩存在明显的电性差异, 对地质雷达发射的电磁波能形成强反射界面, 以此来探测不良地质体。地质雷达的基本原理如图1所示。 发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下, 电磁波的传播取决于地质体的电性如电导率μ和介电常数ε。电导率μ主要影响电磁波的穿透深度, 介电常数ε决定电磁波在地质体中的传播速度。电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射, 接收天线收到反射波信号并将其数字化, 然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。对所采集的数据进行相应的处理后, 可根据反射波的传播时间、幅度和波形, 判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的, 所
地质雷达在工程中的应用
地质雷达在工程中的应用 李勃 (辽宁省有色地质局一0八队，沈阳 110121) 摘 要:探地雷达是近年来发展起来的一种物探新技术新方法。本文介绍了其基本原理及在岩溶地质勘探、地下管线探测、高速公路检测中应用的实例分析，重点阐述了雷达图像的推断解释，同时表明地质雷达具有快速经济、灵活方便、剖面直观等优点，具有良好的实用性。 关 键 词:地质雷达 实例分析 实用性 1 前 言 地质雷达，全称地质勘探雷达系统（Ground Penetrating Radar ）(简称GPR)。它是通过向所探测地面下方发射高频电磁波束、并接受来自地下的介质界面的反射波来探测地下介质分布的地球物理勘探设备。其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点，备受广大工程技术人员的青睐。现已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，本文以三个实例，说明探地雷达技术在工程中的应用效果。 2 基本原理 地质雷达是一种使用高频电磁波探测地下介质分布的非破坏性探测仪器。它 通过剖面扫描的方式获得地下剖面的扫描图像(图1)。雷达通过在地面上移动的发射天线向地下发射高频电磁波， 电图1 地质雷达探测工作 图2 雷达波形记录示意图 天线天线 地面基岩面溶洞 点位（m) 12345670 双 程 时 间 (ns)
磁波在介质中传播时，其电磁波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，根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料，可推断介质的结构。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，或者以灰度或彩色表示。这样同相轴以等灰度、等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，构成雷达时间剖面，通过对雷达图像的判读，可确定地下界面或地质体的空间位置及结构。 3 工程实例 3.1 岩溶地质勘探 本次工作任务是探测挖掘坑深部15米内有无岩溶洞穴、溶槽溶沟、溶蚀裂隙。挖掘坑为一溶洞，根据钻探资料可知，上面为洞穴堆积物，下面基岩层为灰岩。 地质雷达的观测方法采用剖面法。根据所揭示的地层分布特征，覆盖层的电 磁波平均速度一般为0.06～0.08 m/ns ， 下伏灰岩电磁波平均速度一般为0.09～ 0.12m/ns;考虑雷达波的穿透能力，采用 100Mhz 天线，设定探测窗口为500ns ， 采样点为1024，采取连续观测采集数据。 在隐伏基岩为灰岩的地区，溶蚀破碎带是一种较为常见的地质现象，一般情况下，致密的灰岩雷达波相特征是非常弱的反射或无反射，其周期较上覆黏土层应明显增加。而当致密的灰岩层在地下水的作用下发生溶蚀后，首先是以细微裂隙形式存在，且伴随溶蚀程度的提高而逐渐扩大，当这些细小的裂隙发展到一定程度后，常常会上下，左右连通，致使周围岩石破碎，进而形成溶蚀破碎结构。由于这些破碎的裂隙空间常常被空气、水以及黏土等物质所充填，进而使得裂隙与围岩之间接触面两侧的波阻抗存在差异，因此，当雷达波运行到这些波阻抗存在差异的接触面时，将会发生反射、折射和绕射，形成杂乱的强波阻抗反射特征。 当溶蚀裂隙扩展到一定程度，便发育成溶洞。溶洞雷达图像的特点是被溶图3 溶蚀破碎带雷达变面积曲线图 破碎
地质雷达报告
福州绕城公路东南段 南峰隧道超前地质预报 （地质雷达） 编号：BG-CQYB-A16-001 合同段：A16合同段 施工单位：中铁十七局集团第一工程有限公司探测范围：右线出口LYK8+335～LYK8+310 编制： 校核： 检测单位：中国科学院武汉岩土力学研究所 检测日期：2013年12月27日 报告日期：2013年12月27日
一、工作概况 2013年12月27日，中国科学院武汉岩土力学研究所对福州绕城公路东南段A16合同段南峰隧道出口右洞进行了超前地质预报，采用GSSI 公司生产的SIR-20地质雷达进行数据采集，配属100MHZ 的屏蔽天线进行了探测。本次探测范围为右线出口LYK8+335～LYK8+310，共25m 。 二．预报的方法技术 （一） 地质雷达超前预报的基本原理 地质雷达(Ground Penetrating Radar ，简称GPR)是近年来应用于浅层地质构造、岩性检测的一项新技术，其特点是快速、无损、连续检测，并以实时成象方式显示地下结构剖面，使探测结果一目了然，分析、判读直观方便。因探测精度高、样点密、工作效率高而倍受关注。随着该项技术的不断完善和发展，其应用领域不断扩展。 隧道地质雷达超前预报方法是一种用于确定隧道掌子面前方介质分布变化的广谱电磁波技术。如图1所示，利用一个天线向掌子面前方发射无载波电磁脉冲，另一个天线接收由岩体中不同介质界面反射的回波，利用电磁波在岩体介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性 质(如介电常数Er) 及几何形态的变化差异，根据接收到的回波旅行时间、幅度和波形等信息，来探测掌子面前方介质的地层结构与异常地质体。 理论研究与实验室模拟试验证明，电磁波在物体或介质中的传播速度v 、走时t 、与介质的相对介电常数Er 有如下关系： v x z t 2 24+= r c v ε=
浅谈煤矿开采中地质勘探技术的重要作用
摘要：矿产资源是国民经济和社会发展的重要物质基础，，如何准确有效的进行矿产勘查是摆在地质工作者面前的一个问题，因此我们应重视新理论、新技术、新方法的利用，同时结合以往多种勘查手段，以期提高各类矿床发现能力，取得良好的经济效益。文分析了煤田矿井开采中的地质勘探问题,论述了当前煤田矿井地球物理勘探主要技术方法的应用及特点, 提出了多波多分量地震勘探、矿井高密度直流电法、矿井瞬变电磁法及地质雷达等新技术新方法及其综合应用将在煤矿地质因素预测预报中发挥重要作用。 关键词：矿产勘查成矿理论技术研究煤矿开采地质勘探工作面
浅谈煤矿开采中地质勘探技术的重要作用 一、前言 （一）煤矿开采技术的介绍 矿井由于受地质条件差、断层发育、煤厚变化大等地质因素的影响，造成生产接续紧张，采用综合勘探方法,多种勘探手段结合并用，地面采用三维物探手段,井下先期施工多用途探巷，整理配合钻探及井下物探等手段，针对影响生产的地质因素开展各项专题研究，不断进行资料的动态综合分析，取得了较好的地质效果，为矿井的安全高效生产提供了有利的地质勘探预报保障。 1、开发煤矿高效集约化生产技术、建设生产高度集中、高可靠性的高产高效矿井开采技术。以提高工作面单产和生产集中化为核心，以提高效率和经济效益为目标，研究开发各种条件下的高效能、高可靠性的采煤装备和工艺，简单、高效、可靠的生产系统和开采布置，生产过程监控与科学管理等相互配套的成套开采技术，发展各种矿井煤层条件下的采煤机械化，进一步改进工艺和装备，提高应用水平和扩大应用范围，提高采煤机械化的程度和水平。 2、开发“浅埋深、硬顶板、硬煤层高产高效现代开采成套技术”，主要解决以下技术难题。硬顶板控制技术，研究埋深浅、地压小的硬厚顶板控制技术，主要通过岩层定向水力压裂、倾斜深孔爆破等顶板快速处理技术，使直接顶能随采随冒，提高顶煤回收率，且基本顶能按一定步距垮落，既有利于顶煤破碎，又保证工作面的安全生产。硬厚顶煤控制技术，研究开发埋深浅、支承压力小条件硬厚顶煤的快速处理技术，包括高压注水压裂技术和顶煤深孔预爆破处理技术，使顶煤体能随采随冒，提高其回收率。顶煤冒放性差、块度大的综放开采成套设备配套技术，研制既有利于顶煤破碎和顶板控制，又有利于放顶煤的新型液压支架，合理确定后部输送机能力。两硬条件下放顶煤开采快速推进技术，研究合适的综放开采回采工艺，优化工序，缩短放煤时间，提高工作面的推进度，实现高产高效。5～5.5m宽煤巷锚杆支护技术，通过宽煤巷锚杆支护技术的研究开发和应用，有利于综采配套设备的大功率和重型化，有助于连续采煤机的应用，促进工作面的高产高效。 3、缓倾斜薄煤层长壁开采。主要研究开发：体积小、功率大、高可靠性的薄煤层采煤机、刨煤机；研制适合刨煤机综采的液压支架；研究开发薄煤层工
美国GSSI地质雷达隧道超前预报介绍与资料处理
美国地质雷达隧道超前预报工作介绍目前我们国家地下隧道建设工作量大，地质条件复杂，有灰岩地区、花岗岩地区、黄土高原、第四季覆盖等等。 隧道开挖中常常遇到岩溶发育、出现大的空洞，充水或者充泥，有时地下暗河发育；也会遇到构造带，或者岩石破碎，同时地下水发育，这给隧道开挖和建设造成很多困难，同时也给隧道运营造成一定的隐患。因此需要采用一定的手段对这些地质构造和地质灾害进行探测和预报，提前采取措施来排除灾害。 工作任务 为了能够探明隧道开挖面(俗称"掌子面")前方的地质构造，通常采用多种方法进行综合分析、探测、预报。常见的方法有：地质分析，地球物理探测(声波法、直流电法、电磁波方法)，钻孔方法，或者超前导洞等等。采用各种地球物理方法进行探测，分别给出探测结果，综合地质构造情况，进行综合解释，给出掌子面前方的地质构造和可能的地质灾害信息。 探测前提条件 隧道开挖中遇到的地下材料或者介质，主要有石灰岩、花岗岩、大理岩、砂岩、第四季覆盖、沙土、黄土，还有地下水、空洞等等。由于这些材料的物理性质有很多种，比如密度、导电率、介电常数、磁导
率等等。 声波超前预报。由于密度不同、声波传播速度不同，可以采用声波法进行探测，出现了地震波超前预报。 直流电法超前预报。根据导电率的差异采用直流电法，预报掌子面前方材料的导电率差异，尤其是含盐份的地下水表现为良导体、而空气为高阻体； 地质雷达预报。根据导电率、介电常数、磁导率的差异，采用地质雷达高频电磁波方法进行探测，获取掌子面前方材料的介电常数差异信息， 瞬变电磁预报。由于岩石、土壤、水、空气的电磁响应不同，采用瞬变电磁方法探测材料的差异。 目前这4种方法在隧道超前预报中都有使用，尤其是地质雷达超前预报方法得到了普遍使用，利用地质雷达方法在隧道掌子面上进行探测，对隧道开挖超前预报，下面介绍这部分内容。 探测仪器 地质雷达方法通常采用高频电磁波发射法工作，频带范围为几兆赫兹到几千兆赫兹，不同的频率探测深度不同，低频电磁波探测深度较大，因而出现了不同中心频率的天线，商业地质雷达通常采用窄脉冲宽频带电磁波信号工作，一般情况下100兆天线在土壤、破碎的岩石、基岩上探测深度范围从几米到十几米甚至30米左右。 目前隧道开挖地质超前预报距离正好是要求在十几米到30米左
地质雷达
探地雷达使用提纲 1、适用范围及适用条件 2、设计规范及收费标准 3、不同地质情况的雷达波形特征 1、适用范围及适用条件 1.1适用范围： 探地雷达法适用于基岩深度、水位深度、软土层厚度与深度，断裂构造等地质工程探查，城市路面塌陷、岩溶塌陷、土洞、滑坡面等地质灾害调查，地下水污染带监测，地基加固效果评价，路面、机场跑道、洞室衬砌检测，堤坝隐患，地下泄露，地下管线及其他埋设物探测，考古探查等。 1.2适用条件： （1）探测目的体与周边介质之间应存在明显介电常数差异，电性稳定，电磁波发射信号明显； （2）目的体在探测深度或距离范围内，其尺寸应满足探测分辨率的要求； （3）测线上天线经过的表面应相对平缓，无障碍，且易于天线移动； （4）测区内不应存在大范围金属构件、无线电发射频源等较强的电磁波干扰，或通过处理无法消除的干扰； （5）不应存在极低阻屏蔽层； （6）单孔或跨孔检测时不得有金属套管； 2地质雷达测线测点设计规范及收费标准 2.1测线测点设计规范 2.1.1工程物探应根据任务要求、探测方法、目的物的规模与埋深等因素综合确定工作比例尺，测网布置应与工作比例尺一致，测网密度应能保证异常的连续、完整和便于追踪； 2.1.2布置测线时，测线方向宜避开地形及其它干扰的影响，应垂直于或大角度相交于目的物或已知异常的走向，岩溶、采空区、防空洞等走向多变体的探测宜布设两组相互正交的测线； 2.1.3测线长度应保证异常的完整和具有足够的异常背景； 2.1.4探测范围内有已知点时，测线应通过或靠近该已知点的布设；
2.1.5点测时，测点布设位置、测量应满足资料解释推断的需要； 2.1.6工作比例尺确定后，宜参照表1选择测网密度。 表1 工作比例尺与测网密度 比例尺线距（m）点距（m）点测（点/km2）1∶25000 250 25－50 10－20 1∶10000 100 10－20 80－120 1∶5000 50 10－20 300－400 1∶2000 20 5－10 2000－2500 1∶1000 10 1－5 －－ 1∶500 5 0.5－2 －－ 2.2收费标准 地质雷达探测收费参见《工程勘察设计收费标准》第7章——工程物探，收费标准见表2 表2 地质雷达收费标准 地质雷达 工作方式工程勘探路面质量点测点20 （元/点）20（元/点） 连续km 13500（元/km）6300（元/km）探淤深度>10m，附加调整系数为1.3；不足4个组日按4个组日计
浅谈探地雷达法检测路面结构层
浅谈探地雷达法检测路面结构层 【摘要】以探测雷达在某高速公路上的路面结构层缺陷检测为例，阐述了探测雷达在路面结构检测的原理、方法、数据结果分析等。 【关键词】探测雷达；路面结构；检测 １路面结构层缺陷检测的意义 随着我国道路交通量日益增大，车辆迅速大型化以及超载现象，使公路路面面临严峻的考验。因此路面病害检测的作用凸显出来，其中路面结构层缺陷检测是路面病害检测的一项重要内容，通过探地雷达的检测可以达到识别地下目标物和道路结构层内隐伏缺陷的目的。根据病害程度采取相应的补救措施，保证路面的通行质量同时也有利于对公路路面的设计、施工等各方面提供有力的资料和经验。本文通过探地雷达法对某高速部分路段检测为例浅谈路面结构层缺陷检测。 2设备原理 图2.1探地雷达工作原理示意图 探地雷达方法（Ground Penetration Radar，简称GPR）是一种采用短脉冲宽带高频电磁波信号检测地下介质分布的新技术。根据电磁波在有耗介质中的传播特性，通过天线连续拖动的方式以宽频带短脉冲的形式向地下发射高频电磁波，电磁波信号在地下介质内部传播时遇到不同介质的界面时，就会发生反射、透射，其反射系数（反射信号的强度）主要由上、下层介质的相对介电常数决定。上、下层介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反之，越小。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，获得地下介质的扫描图像，通过对扫描图像进行处理，对地质雷达剖面上目标层（体）的反射波时间延迟、波形特征以及剖面的宏观和微观形态组合进行解译，达到识别地下目标物和道路结构层内隐伏缺陷的目的。 电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的，因此，根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差△Ｔ，即可据下式算出地下异常的埋藏深度Ｈ： Ｈ＝V·△Ｔ／２（1） 式中，Ｈ即为目标层厚度；V是电磁波在地下介质中的传播速度，由下式表示： V＝Ｃ／■（2） 式中，Ｃ是电磁波在大气中的传播速度，约为３×１０８ｍ／ｓ；ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。 雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数ｒ可表示为： ｒ＝■（3） 式中，ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。对公路检测而言，ε1为面层的相对介电常数，ε2为基层的相对介电常数。由公式（3）可知，雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。导电率越高，穿透深度越小；中心频率越高，穿透深度越小，反之亦然。反射信号的强度主要取决于上、下介质的电性差，电性差越大，反射信号越强；反之，越小。对沥青混凝土面层而言，面层与基层（稳定层）存在明显的电性差，可以预期面层底部会有强反射出现。不同面层（上、中、下）之间所用材料也存在细微差别，因此也可以得到较弱的
地质雷达使用与操作2
地质雷达仪的操作与保养 0.0前言：作为近十余年来发展起来的地球物理高新技术方法，地质雷达以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图象显示等优点，备受广大工程技术人员的青睐。现已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、水文地质调查、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考古探测等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，并在工程实践中不断完善和提高，在工程探测领域应用不断被拓宽。 就目前市场上而言，地质雷达厂家主要有加拿大ERROR，美国SIR系列，瑞典MALA，国产青岛中科院光电所等等，其设备主要部件都是操作平台，仪器主机，以及配套雷达三大块。目前国内各种地质雷达使用研发已相当成熟，不同厂家的仪器性能不断改善和优化。相信在以后工程实践中，地质雷达会应用越来越光，且越来越适应各类不同的现场条件。 我公司引进的是瑞典MALA公司生产的RAMAC/GPR地质雷达，现主要介绍该仪器的使用及其小知识。 首先仪器硬件部分，仪器操作平台为IBM笔记本电脑，分采集软件GROUND VISION和分析处理软件REFLAXW软件；雷达主机为同步采集系统和高频模块；雷达的发射和采集天线为集成天线，目前购置了1.2GHZ 屏蔽天线，500MHZ屏蔽天线，100MHZ屏蔽天线，50MHZ非屏蔽天线共四种。通过在不同的工作领域合理调配不同的天线，再辅以不同的辅助设备，（比如隧道中的脚架，提升车，公路上的拖车，水上物探上的木船，或者防水密闭管等等），使工作更便捷，应用效果更准确。 雷达的基本操作应当说比较傻瓜型，使用起来应该说比较容易上手，在实践中应当遵循《城市工程地球物理规范》等国家，行业标准，以及仪器本身操作指南，使测试工作安排，测线布置，采样方式，测试精度，测试效果，以及测试成果等等满足工程技术要求。 1.0 基础篇 一、软件安装 1、计算机开机时，首先进入 BIOS 设置（如IBM 按F1 进入，其它参阅计算机使用手册） 将并口设置为 ECP 方式，端口地址设为0378。 2、如果是 Windows XP 或2000 操作系统，应在控制面板中进入设备管理器，在并口属性中 的端口设置栏：筛选源方案选择“使用指派给此端口的任何中断”，并选择“使用即插 即拔设备”；在资源栏：输入/输出范围选“0378-037F” 3、使用软件安装光盘，点击“setup”进行安装，按照安装提示进行安装即可。 二、雷达操作使用
地质雷达操作手册
第一篇SIR-3000操作探讨 1.GSSI简介 便携式透地雷达美国GSSI是目前世界上最好的生产地质雷达的厂家，它的产品遍布全球，目前超过1800套，占全球销量80%以上，在中国200余套，占中国市场份额的75%以上。创始于1969年的美国地球物理探测公司(GSSI公司)，是世界上第一家专业研制探地雷达的公司，其前身为美国宇航局。随着60年代末期美国宇航局专门为阿波罗计划所研制的专用仪器，成功地探测到月球表面尘埃之后，世界上第一台进入民用的商用探地雷达得以在美国推出，它就是美国GSSI公司生产的SIR系列探地雷达的前身。它用电磁波为地质勘察服务，为勘察方法起到了革命性的推动作用。
注释：不要使用Windex或其它脱氨的玻璃清洁器来清洁显示屏，因为这会损坏涂层。只需使用一个清洁的、轻微潮湿的布来轻柔地擦洗屏幕。位于该部件前部的电池槽接收10.8伏的锂离子可充电电池。完全充电电池的测量时间近似为3小时。电池是可以再充电的，方法是采用任选的电池充电器来充电，或通过简单地把电池留在该部件内，把该部件与标准交流源连接起来，然后把系统放在备用模式下进行。给一个电池再充电的时间近似为4 到5小时。务必保持电池槽遮盖在该部件上，在使用中保证没有灰尘或污垢进入该部件内部。 2.探测原理 H=vf 3.硬件连接 在该部件的背部，SIR-3000有六个连接器和一个用于记忆卡的槽。顶排五个连接器从左到右依次是：交流电源，串行输入/输出（ RS232），以太网，USB-B，USB-A。
注：如果你没有使用测量轮的话，用户标记对记录所通过的距离是有帮助的。对记录诸如圆柱，树，凹坑等障碍物的位置来说，用户标记也是有帮助的。 3. 启动和屏幕显示 第一个是TerraSIRch。用TerraSIRch模式可以对所有数据采集参数进行完全控制。QuickStart 引导是对每个其他模式都有用的。按TerraSIRch按钮。过一会儿，你将看到屏幕被分成了三个窗口，并且有一个条运行穿过屏幕底部，该条带有上面六个功能键的命令。 按Mark 按钮将改变你要求的单位，从英制的到米制的。 在进入六个数据采集模式之一后，你可以通过点击Power （电源）按钮两次来返回该屏幕,或去掉电源再把它插入进行启动来返回该屏幕。 4. 基于时间数据采集的设置 时基数据剖面的扫描间距（水平分辨率）是系统采集数据的速度和天线移过测量界面的速率的函数。你设置的速率（每秒扫描数）越高，并且你移动天线越慢，则数据将越稠密。 时基数据没有实际距离的标记，因此软件不知道你实际要测量旅行多远。特别重要的是以常数速度移动天线，并以一致的间隔增加用户标记（点击标记按钮）。时基数据需要在RADAN中做附加处理，以创建三维图象。如果三维图象是你的目标，你应该用测量轮采集基于距离的数据。 第一步： 在系统启动后，按TerraSIRch 功能键。几秒钟后，你将看到一个分区的屏幕，右边是波形曲线，左边是参数选择树，中央是主要数据显示窗。如果你有一个已连接的天线，一个兰色的“等待”条将两
浅析地质雷达的分辨率-图
浅析地质雷达的分辨率 美国劳雷工业公司 袁明德 近年来，地质雷达无损检测技术的应用不断推广，经常有人提起其分辨率的问题。分辨率或称分辨能力，指将两个靠得非常近的异常区分开的能力。通俗地讲，就是能清楚识别的最小目标大小，更小就分不清了或“看”不出来了。 目标如地层、空洞、管道都是三度体，都具有长、宽、高，从地面看下去，有横向延展度和垂向延展度。因此，判别分辨率，就有横向分辨率和垂直分辨率之分。两者既不同又相互关联。 <垂向分辨率> 先说垂向分辨率。无论地层或具体目标，都有上下两个面，假设这两个面跟围岩或上下地层有明显的电性差异，则在顶、底面上都能形成反射波。那么分辨率的概念就是分别从顶、底反射回来的两个脉冲不重叠，或重叠的不厉害，能分得开(如图1)。显然，两者太靠拢了就分不开(如图2)。我们将这段能分得开的最小距离称为垂直分辨率。 将地下各个层面的反射系数按反射波到达时间编制成图，即为反射系数序列（如图1）。在数字化过程中，一条雷达扫描数据能用反射系数序列跟雷达讯号脉冲的褶积方程来表达： X(t)=R(T) * e(t) + n(t)----------------------------------(1) （图1）雷达扫描线可用反射系数 序列跟雷达脉冲的褶积来表示 X(t)------雷达扫描线 R(t)------雷达脉冲 n(t)------噪音 e(t)------反射序列 e(t) R(t) X(t) n(t)
借用地震反射理论，一般认为对离散的反射界面，根据瑞雷标准定义的分辨率的极限是λ/4，其中λ是主频波波长，怀特定义分辨率极限则为λ/8；对无限延展的平面层，极限分辨率为λ/30。这里并没有考虑噪音的影响，有没有噪音大不一样，而实际上都是有噪音的。所以有人用讯号的功率谱与噪音的功率谱的比S 2/N 2来表示分辨率，也有人用道间互相关C 和自相关A 的关系来衡量分辨率，因为C/(A-C)=S/N 。所以实际上，离散目标的垂直分辨率大约为λ/2左右，平面层在λ/20左右(图2)。 在地质雷达天线的设计中，一般选择天线的中心频率fp 等于天线的通频带 Δf ，即fp/Δf=1,因此，雷达的分辨率近似于C/2Δf(εr )1/2=λ/2，其中C 为空气中雷达波波速，εr 为地层介电常数。 （图2）能分辨的地层厚度跟脉冲波长之间的关系。(a)表示目标地层的波阻抗高于两侧的地层，(b)表示目标地层的波阻抗处于两侧地层之间。从左至右随着目标地层变薄，两个脉冲合二为一，最终无法分辨。 e(t) R1(t) X(t) = R2(t) R1(t) + R2(t) e(t) R1(t) X(t)= R2(t) R1(t)+ R2(t)