探地雷达在管线探测与工程勘察中的应用

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1、探地雷达在管线探测与工程勘察中的应用摘　要　简要地介绍了探地雷达的勘探原理，工作方法、技术,及其在工程勘察中的应用,并在前人的基础上，利用SIR-2型探地雷达，寻找地下管线和确定工程地质界面，进行了一系列的实测工作，获得了高质、清晰、直观的GPR图像。关键词　探地雷达；同相轴；地下管线；地质界面；混凝土路面0　前　言　　雷达技术应用于地下勘探是一项较早就提出的研究课题，只是在高频微电子技术以及计算技术迅速发展的20世纪后期，此项技术才获得根本性的进展。今天，探地雷达不仅在探测装备方面，高度集中了近代电信技术成就而获得极大的改善，

2、而且应用领域也已由低损耗地下介质向有耗地下介质迅速拓展。探地雷达是利用高频电磁波以宽频带短脉冲，向地下发送并接收目标体的反射波，探测地下目标或介质分布的一种勘探地球物理方法。因与探空雷达技术相似，故亦称“地质雷达”。　　探地雷达的迅速发展与应用，是由于它具有以下突出特点：(1)它是一种非破坏性的原位探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场；(2)抗电磁干扰能力强，可在各种噪声环境下工作，环境干扰小；(3)具有工程上较满意的探测深度和分辩率，现场直接提供实时剖面记录，图像清晰、直观；(4)便携式微机控制数据采集、存储和处

3、理，工作效率高，重复性好。　　随着我国城市建设的飞速发展，由于原有城市地下管线资料欠缺严重，因此，查明地下管线并确定具体分布、埋深及走向的任务非常紧迫。探地雷达以其轻便、快捷、准确等特点，已成为地下管线勘察的首选方法。　　在工程地质勘察方面，探地雷达也可以满足大部分工程探测的要求。配合极少量的钻探工作或其他已知资料，探地雷达既可以完整地了解整个探测剖面的地层情况，对地层进行详细分层，界定层面深度，还可以发现一些细小的地质变化和某些孤立的地质体，为工程场地地质勘查节省大量的钻探工作量，缩短工期，提高勘察精度与工作效率。1　方法原理

4、和技术1.1　方法原理　　探地雷达利用具有一定中心频率的高频电磁脉冲，通过天线(T)向地下发射，经地层或目的体反射后形成反射回波返回地面，为另一接收天线(R)所接收(图1)。图1　反射雷达探测原理Figure1　Reflectedradarprospectingtheory　　大家知道，脉冲波旅行时为：当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走时t，由(1)式求得目标体的深度z。式中x值即收发距，在剖面测量中是固定的；v值可用宽角法直接测量，也可以根据公式：近似计算。c为光速，εν为地下介质的相对介电常值。波的双程走时由反

5、射脉冲相对于发射脉冲的延时而确定。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色和白色表示，或以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射界面。图2为波形记录示意图。图中对照一个简单的地质模型，画出了相应的波形记录。在波形记录上，各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。图2　雷达剖面记录示意图Figure2　Sketchmapofradarsectionrecording　　反射脉冲波形的明显程度，是对探地雷达图像进行地质解释的重要依据。它决定于发射脉冲波的能量，波在地质界面上的

6、反射特性以及波在地下介质中行进时的衰减情况。仪器探测灵敏度n～nt微伏。反射特性决定于物性界面的波阻抗差异，以反射系数描述。对于平面波、反射系数应为：R12=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)　　(2)(2)式为垂直入射公式，入射角为90°。　　Z1,Z2分别为界面两侧介质的法向波阻抗，由介质的复介电常数、磁导率决定。由于介质具有导电性，反射系数呈复数形式，所以，对于非平面波的值，在几何光学条件下仍起主导作用。若考虑位移电流为主，则εr为相对介电常数，角标表示波所在的介质。例如，对于土壤与花岗岩的交界面，反射系数模值

7、R

8、≈0.33

9、33，即反射能量为入射的33.33%。因此介电常数对反射系数的影响至关重要，而含水性则与εr值密切相关。　　波在有耗介质中的衰减,是由于传导电流的热损耗和介质极化过程中的附加损耗。除了这些本质原因，还有波的空间发散损耗和散射损耗。若仅考虑前一原因，则以吸收系数表征的波衰减特性与介质性质的理论关系，为：式中μ，ε和σ分别为介质的磁导率、介电常数和导电率，ω=2πf为角频率。对于低导介质它正比于σ而与εr呈根号反比关系。在一般介质中，β还与f有关，大致是随f升高而加大。　　波速(相速)的确定，可使探地雷达的双程时间转换为深度。　　由

10、于v=λf=ω/α而　　　　　　　　　称为相位系数。对于低导介质于是　　　　　　　　　　　　　f′为以兆赫计的频率。这便是前述波速公式v=c/εr的由来。　　以上表明，角波数(波传播常数)k=α+iβ，在探地雷达波传播中,具有十分重要的作用。　　表1列出了一些常