地質(zhì)雷達檢測目標體波相識別

王興舟，關(guān)長祿，王大為

（吉林省交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站，吉林 長春 130021）

地質(zhì)雷達檢測目標體波相識別

王興舟，關(guān)長祿，王大為

（吉林省交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站，吉林 長春 130021）

目前地質(zhì)雷探測技術(shù)已經(jīng)在各個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，為了獲得地質(zhì)雷達探測的結(jié)果，需要對雷達記錄進行處理與判讀。雷達記錄的波相識別需要堅實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，需要綜合分析目標體反射波的振幅與相位、頻譜、同相軸形態(tài)等特征。通過工程實例介紹了地質(zhì)雷達檢測隧道、路面典型目標體波相特征及識別分析方法。

地質(zhì)雷達；檢測；波相；識別

0 引言

地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)探測是利用高頻脈沖電磁波的反射回波探測目標體的分布形態(tài)與特征的一種技術(shù)，是對探測體內(nèi)不可見的目標體或界面進行探測的電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達具有探測速度快、探測過程連續(xù)、操作方便靈活、無損壞等特點。目前地質(zhì)雷探測技術(shù)已經(jīng)在各個行業(yè)，如在公路、鐵路、建筑、水利、采礦、考古、市政建設(shè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 地質(zhì)雷達的原理

地質(zhì)雷達發(fā)射電磁波，電磁波在介質(zhì)中傳播，隨著所通過介質(zhì)的介電性質(zhì)和幾何形體等的變化而變化，在介質(zhì)特性發(fā)生變化的界面上發(fā)生反射，通過天線將反射波接收，根據(jù)反射波特性參數(shù)，解譯出所測目標體。

2 地質(zhì)雷達波相識別

為了獲得雷達探測的結(jié)果，需要對雷達記錄進行處理與判讀。雷達記錄的判讀也叫雷達記錄的波相識別或波相分析，它是解釋資料的基礎(chǔ)，是理論與實踐相結(jié)合的綜合分析，需要堅實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗。筆者多年來一直使用地質(zhì)雷達進行公路路基、路面、橋涵、隧道質(zhì)量檢測，進行了大量的雷達記錄分析整理，總結(jié)了一些經(jīng)驗，介紹給大家，共同研究探討。

2.1 反射波的振幅與相位

電磁波在介質(zhì)界面的反射特征由反射系數(shù)R表示，對于非磁性物質(zhì)，當電磁波垂直入射時，反射系數(shù)式中：ε1、ε2分別為上下介質(zhì)的介電常數(shù)。從反射系數(shù)的公式可以看出兩點：第一點，界面兩側(cè)介質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)差別越大，反射波越強。從反射振幅上大致可以判定兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)；第二點，電磁波從介電常數(shù)小的介質(zhì)進入介電常數(shù)大的介質(zhì)時，即從高速介質(zhì)進入低速介質(zhì)，反射系數(shù)為負，即反射波振幅反相。反之，從低速介質(zhì)進入高速介質(zhì)，反射波振幅與入射波振幅同相。這是判定界面兩側(cè)介質(zhì)性質(zhì)與屬性的有利依據(jù)；如從空氣進入土層或混凝土反射振幅反向。從混凝土后邊的脫空區(qū)再反射回來時，放射波不反相，脫空區(qū)的反射與混凝土表面的反射相位正好相反。如果脫空區(qū)充水，波從該界面的反射也發(fā)生反相，與表面反射波同相，而且反射振幅較大?；炷林械匿摻?，波速近乎為0，反射自然反相，而且反射振幅特別強，因而反射波的振幅和方向特征是雷達波判別的最重要依據(jù)。

2.2 反射波的頻譜特征

不同的介質(zhì)有不同的結(jié)構(gòu)特征，內(nèi)部反射波的高、低頻率特征明顯不同，這可以作為區(qū)分不同物質(zhì)界面的重要依據(jù)。巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而巖石內(nèi)反射波明顯，特別是高頻波豐富，混凝土與巖層相比，結(jié)構(gòu)相對比較均勻，因而混凝土內(nèi)部反射相對較少，只是有缺陷的地方有反射。又如，表面松散土電磁性質(zhì)比較均勻，反射波較弱；強風化層中礦物按深度分布，垂向電磁參數(shù)差異較大，呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射；其下新鮮基巖中呈現(xiàn)高頻弱振幅反射，從頻率特性中可以清楚的將各層分開。如隧道圍巖中的含水帶也表現(xiàn)出低頻高振幅的反射特征，易于識別。節(jié)理帶、斷裂帶結(jié)構(gòu)破碎，內(nèi)部反射較多，在相應(yīng)的走時位置表現(xiàn)出高頻反射。但由于破碎帶的散射和吸收作用，從更遠的部位反射回來的后續(xù)波能量變?nèi)酰盘柋憩F(xiàn)為平靜。

2.3 反射波的同相軸形態(tài)特征

雷達記錄中，同一連續(xù)界面的反射信號形成同相軸，根據(jù)同相軸的時間、形態(tài)、強弱、方向反正等進行解釋判斷是地質(zhì)解釋的重要基礎(chǔ)。同相軸的形態(tài)與地下介質(zhì)界面的形態(tài)并非完全一致，特別是邊緣的繞射效應(yīng)，使得邊緣形態(tài)有較大的差異。對于孤立的埋設(shè)物，其反射的同相軸為向下開口的拋物線。有限平板界面反射的同相軸中部為水平，兩端為半支向下開口的拋物線[2]。

3 工程檢測中典型雷達記錄分析

3.1 隧道二次襯砌后空洞與脫空區(qū)波相特征

如果脫空體內(nèi)為空氣，由于混凝土和空氣的電性差異較大，當電磁波在混凝土與空氣、空氣與圍巖之間傳播時，上下兩個界面會產(chǎn)生兩次強反射，雷達剖面上會出現(xiàn)雙曲線形態(tài)的強反射波，其同相軸與相鄰道發(fā)生錯位，依此特征可確定出空洞的位置、分布范圍，并計算出空洞距襯砌外表面間的距離。但有時脫空所形成的異常與圍巖表面局部的凸起形成的異常相近，因此在確認是否為脫空時要對異常形態(tài)加以細致的分析和確認。圖空區(qū)域的雷達檢測剖面主要呈現(xiàn)如下特征：第一個鮮明的特征就是反射波特別強且頻率高，因為空氣與圍巖、混凝土介質(zhì)的介電常數(shù)差異明顯，反射系數(shù)大致在0.4～0.5之間；第二個特點就是多次波比較發(fā)育，接收到的反射波持續(xù)時間很長；第三個特點是空洞最先到的反射振相與表面反射相位相反，因為電磁波是從低速介質(zhì)進入高速介質(zhì)，而在表面是從高速介質(zhì)進入低速介質(zhì)?？斩磁c脫空地質(zhì)雷達處理最有效的辦法是采用反差大的能量顯示模板，在這個顯示模板下中等和較小的反射被忽略，只顯示最強的信號，空洞在大面積平淡的背景下容易識別。圖1為一隧道襯砌檢測中實例。

圖1 隧道襯砌與圍巖間的脫空雷達圖像

3.2 隧道二襯后富水區(qū)波相特征

襯砌背后的圍巖一旦富水其介電常數(shù)積聚增大，與周圍區(qū)域形成一個明顯的差異，反映到雷達剖面上：第一個鮮明的特征就是反射波振幅強頻率低，形成一個明顯的強振幅區(qū)；第二個特點就是多次波比較發(fā)育，接收到的反射波持續(xù)時間很長，一般呈現(xiàn)為水平強振幅，而不是類似鋼筋的雙曲強振幅；第三個特點是滲水部位最先到的反射振相與表面反射相位同相，因為電磁波是從高速介質(zhì)進入低速介質(zhì)。富水區(qū)域異常識別最有效的辦法是采用反差大的能量顯示模板，在這個顯示模板下中等和較小的反射被忽略，只顯示最強的信號，富水區(qū)域大面積的水平強振幅在平淡的背景下容易識別。用灰度圖同樣可以識別。圖2某隧道襯砌檢測中實例。

圖2 某隧道襯砌400 MHz天線探地雷達檢測剖面

3.3 隧道初支內(nèi)鋼架（鋼支撐）波相特征

鋼支撐是良導(dǎo)體，電磁波波速為零，電磁波的能量幾乎全部反射回來，反射系數(shù)近乎為1，反射極強。在雷達記錄中的表現(xiàn)是一系列的強反射弧，形如半開的傘狀，第一反射振相與表面反射波同相，并且多次反射波比較嚴重，識別起來比較容易，從雷達的原始剖面上就可以直接進行判讀。圖3為實測隧道初支內(nèi)鋼架雷達檢測記錄圖像。

圖3 某隧道襯砌400 MHz天線探地雷達檢測剖面

3.4 隧道初襯混凝土與圍巖分界面波相特征

隧道襯砌檢測中，隧道初襯與圍巖之間的界面是弱反射界面，襯砌質(zhì)量越好、襯砌與圍巖間接觸越密實，反射越弱。對這些層面的辨認與追蹤是困難的工作。為了便于這些層面的追蹤，最好使用能量顯示方式，選取合適的顯示模板。估計界面的位置，通過增益調(diào)節(jié)減小兩側(cè)信號的強度，突出界面信號的強度，合理設(shè)置色差，達到正確追蹤的目的。在層位追蹤中最重要的是層位識別準確，關(guān)鍵的問題是掌握界面的特征。圍巖與初襯之間界面最明顯的特征有兩個：第一是波的頻譜特征差異大，第二是延界面有斷續(xù)的強反射波。襯砌中因介質(zhì)較均勻，雜亂反射較少，多為低頻弱反射波，頻譜以低頻為主；圍巖中巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雜亂反射很多，多為高頻不連續(xù)波，頻譜以高頻為主。襯砌與圍巖之間會存在一些縫隙，縫隙部位的反射波是很強的，因而界面的反射波會呈現(xiàn)一段強一段弱的特點。圖4為某隧道襯砌厚度檢測雷達記錄圖像。

圖4 某隧道襯砌厚度400 MHz天線探地雷達檢測剖面

3.5 水泥混凝土路面厚度檢測中波相特征

混凝土路面與基層的介電常數(shù)差異明顯，反射波清晰，選擇適當?shù)哪芰匡@示模板就可清晰的進行層位追蹤。圖5為某一段路面厚度的實測雷達記錄圖像，從圖像上容易看，面層與基層、基層與底基層分界面的反射信號形成同相軸，并且連續(xù)性強，反射強烈，說明用900 MHz天線很容易檢測水泥混凝土路面厚度。

圖5 900 MHz天線路面厚度檢測剖面

4 結(jié)語

（1）地質(zhì)雷達波相分析是資料解釋的基礎(chǔ)工作，是準確獲得探測結(jié)果的關(guān)鍵，做好這項工作需要堅實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，需要在實踐中不斷分析和總結(jié)。

（2）要獲得準確的地質(zhì)雷達探測結(jié)果，必須綜合分析目標體反射波的振幅與相位、頻譜、同相軸形態(tài)等特征，同時應(yīng)適當進行濾波等數(shù)據(jù)處理及合理選擇雷達圖像的顯示方式。

（3）目前很多地方和單位用地質(zhì)雷達進行公路路基、路面、橋涵、隧道質(zhì)量檢測，取得了一定效果，積累了一些經(jīng)驗，但地質(zhì)雷達探測作為新的檢測技術(shù)，準確度和精度有時不盡人意，需進一步研究和改善。

[1]袁明德.公路地質(zhì)雷達應(yīng)用實例分析[J].地質(zhì)裝備,2010(12):30-37.

[2]范占鋒,李天斌,孟陸波,等.地質(zhì)雷達在公路隧道中的應(yīng)用[J].公路,2010,(2):209-213.

[3]譚春森.地質(zhì)雷達檢測技術(shù)在公路工程檢測中的應(yīng)用[J].江西建材,2017(1):160.

[4]王康,高永濤.基于地質(zhì)雷達的隧道超前地質(zhì)預(yù)報和襯砌質(zhì)量檢測[J].現(xiàn)代礦業(yè),2017(1):166-170.

[5]譚春森.地質(zhì)雷達檢測技術(shù)在公路工程檢測中的應(yīng)用[J].養(yǎng)護與管理,2017(1):4.

[6]銀卓.地質(zhì)雷達檢測瀝青面層厚度的影響因素分析[J].公路與汽運,2017(1):133-135.

P631.3

B

1009-7716（2017）10-0180-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.055

2017-05-16

王興舟（1975-），男，吉林洮南人，工程師，從事交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督無損檢測工作。