淺談探地雷達技術的探測原理

張璐

（重慶南江水文地質工程地質隊，重慶 401147）

前言

探地雷達 (GroundPenetratingRadar簡稱GPR)測試技術是利用高頻電磁脈沖波的反射探測地下目的體分布形態及特征的一種方法早在1910年德國人Leimbach和Lwy就在一份德國專利中闡明了探地雷達的基本概念。1926年Hülsenbeck首次利用電磁脈沖技術研究地下巖性構造并獲得成功，此后近40a探地雷達技術有了很大改進，但由于地下介質比空氣具有強得多的衰減特性而且波在地下介質中的傳播比在空氣中要復雜得多，所以它僅限于研究介質，相對均勻對電磁波吸收很弱的地質環境如極地冰層淡水湖泊沙漠及巖鹽等介質，EvansS于1963年用探地雷達測量了極地冰層的厚度，ProcelloLT于1974年用探地雷達研究月球表面結構，Unbterberger探測了冰川和冰山的厚度等這其中AnnanAP等許多學者作了大量的理論及試驗研究工作為這一技術的發展奠定了基礎。70年代以后隨著電子技術的迅速發展及現代處理技術的應用許多商業化的探地雷達系統先后問世，其中具代表性的有美國地球物理探測設備公司(GSSI)的SIR系統加拿大探頭及軟件公司(SSI)的pulseEKKO系列瑞典地質公司(SGAB)的RAMAC鉆孔地質雷達系統及日本應用地質株式會社(OYO)的GEORADAR系列等，與此同時探地雷達的應用范圍也在不斷擴大已經覆蓋了考古，礦產資源勘查，巖土工程測試，工程質量無損檢測，環境工程等諸多領域。

與其他地球物理方法相比探地雷達具有下列優勢：(1)高分辨率工作頻率高達5000MHz分辨率可達數厘米。(2)無損性。(3)高效率設備輕便操作簡單從數據采集到圖象處理實現一體化可實時輸出現場剖面記錄圖。(4)抗干擾能力強可在各種噪聲環境下工作。

本文綜述了探地雷達測試技術的基本理論測試方法數據處理技術和資料解釋原理討論了探地雷達測試技術在巖土工程中的應用現狀和發展趨勢。

1 項目概況

圖1 重慶市武隆縣鐵礦鄉大佛巖地面物探平面示意圖

2009年11月19日，武隆縣鐵礦鄉大佛巖危巖帶白馬石危巖基座部位發生局部塌落。為查明大佛巖一帶危巖分布、發育、發展情況、誘發影響因素及可能影響范圍，避免重大地質災害發生，確保危巖影響區內的基礎設施和人民群眾生命財產安全，切實做好防災、減災工作。受重慶市國土資源和房屋管理局的委托，重慶市地質礦產勘查開發局南江水文地質工程地質隊承擔了重慶市武隆縣鐵礦鄉大佛巖危巖應急搶險調查工作。重慶南江物探工程檢測中心負責其中的物探勘查部分如圖（1），目的是勘測大佛巖危巖區陡崖上卸荷裂隙的寬度、深度及發育范圍。

2 探地雷達的原理

探地雷達是利用高頻電磁波(1MHz～1GHz)以寬頻帶短脈沖的形式在地面通過發射天線(T)將信號送入地下經地層界面或目的體反射后返回地面再由接收天線(R)接收電磁波反射信號通過對電磁波反射信號的時頻特征和振幅特征進行分析來了解地層或目的體特征信息的方法如圖1所示脈沖波的行程時間為；

圖1 測試原理示意圖

式中：t為電磁波反射信號的雙程行程時間z為目的體的埋深，x為天線距，v為電磁波在介質中的傳播速度傳播速度v可根據已知資料的分析確定或者根據下式計算。

式中 m為磁導率 為介電常數 為電導率為電磁波的角頻率對于巖土介質一般為非磁性非導電介質常常可滿足α/ωε<<1故式 (2)可以寫為

式中c為真空中電磁波傳播速度c=0.3m/n；εr為相對介電常數，v也可由寬角法來確定。

式中：D為天線向兩側移動的距離t1和t2分別為天線移動前和移動后電磁波的單程行進時間。

本次雷達勘測電磁波穿遇目標介質為地表植被、第四系覆蓋層、基巖（灰巖）。電磁波透過時，因不同介質介電常數明顯差異而出現異常反射。通過分析反射圖像的形態來確定基巖中卸荷裂隙發育的形態及位置。

3 勘查儀器設備及工作方法

本次勘測采用美國GSSI公司生產的SIR-3000型探地雷達，所用天線為100MHz地面耦合式單體屏蔽天線。它具有多路天線輸入方式，全數字化，實時數字信號增強，信噪比高，測量速度快，內置微計算機及專用雷達處理器等功能和優點，可實時顯示記錄及打印檢測剖面數據。野外作業的具體步驟如下。

3.1 天線的選取

針對本次施工對象的材料特征和結構特征，結合以往經驗，我們選擇了50MHz、100MHz兩種天線進行試驗。主要從分辨率、穿透力和穩定性三個方面綜合衡量，選取最佳天線。從試驗結果來看，100MHz天線分辨率較高，有效穿透深度可達25m以上，探測圖像的分辨率和深度滿足本次勘測工作的需要。

3.2 記錄參數試驗

在選定測量天線后，進行了記錄參數選取試驗。根據現場調試分析結果，確定主要參數如下：①采用連續掃描方式；②每道記錄長度600ns，1024個時間采樣點，數據精度16位，20線/秒，20線/米；③采用5點分段增益。

3.3 野外作業過程

采用上述試驗所確定的天線和參數對測量區域進行野外采集作業，測線編號和具體位置均按工作布置圖，測線方向統一為山頂-陡崖方向，每條測線長100m，共完成10條測線。

4 資料分析與勘測結果

4.1 數據處理

數據處理采用美國GSSI公司開發的RADAN6.5探地雷達處理解釋軟件。處理過程包括預處理（修改文件頭參數、標記校正、剖面翻轉和道歸一化、添加標題等）和處理分析（瀏覽剖面，查找明顯的異常、頻譜分析、濾波去噪、振幅增強、異常特征和面層對應、相位分析、剖面修飾等）。

本次數據處理主要應用：修改文件頭參數、標記校正、剖面翻轉和道歸一化、瀏覽剖面，消除背景干擾，查找明顯的異常、頻譜分析、異常特征和面層對應、相位分析、剖面修飾等。

4.2 數據分析

①干擾雷達圖像分析

以上雷達圖像中紅線圈定部分是在探測時，地面不平整（地表有有溝槽、突起或矮樹樁）造成的假異常信號。

②典型雷達圖像分析

以上雷達圖像為基巖完整，未發現異常情況。

以上雷達圖像為基巖破碎，發育有卸荷裂隙。

4.3 勘測結果

通過上述處理與解釋，特別是雷達時間剖面同相軸對比，對本次勘測的10條測線解釋如下：

測線2-2'：77m位置處發育有一卸荷裂隙，深16m；84m位置處發育有一卸荷裂隙，深17m。該處危巖卸荷裂隙帶寬31m。

測線4-4'：85m位置處發育有一卸荷裂隙，深18m。該處危巖卸荷裂隙帶寬58m。

測線7-7'：83m位置處發育有一卸荷裂隙，深9m；90m位置處發育有一卸荷裂隙，深11m。該處危巖卸荷裂隙帶寬48m。

測線9-9'：90m位置處發育有一卸荷裂隙，深20m。該處危巖卸荷裂隙帶寬46m。

測線10-10'：71m位置處發育有一卸荷裂隙，深13m；78m位置處發育有一卸荷裂隙，深10m；86m位置處發育有一卸荷裂隙，深10m。該處危巖卸荷裂隙帶寬59m。

測線B-B'：90m位置處發育有一卸荷裂隙，深13m。該處危巖卸荷裂隙帶寬30m。

測線C-C'：72m位置處發育有一卸荷裂隙，深16m；77m位置處發育有一卸荷裂隙，深17m。該處危巖卸荷裂隙帶寬35m。

測線D-D'：74m位置處發育有一卸荷裂隙，深19m。該處危巖卸荷裂隙帶寬44m。

測線F-F'：83m位置處發育有一卸荷裂隙，深19m。該處危巖卸荷裂隙帶寬38m。

測線G-G'：76m位置處發育有一卸荷裂隙，深13m。該處危巖卸荷裂隙帶寬34m。

結論

本次勘測，根據雷達圖像解釋，本次勘測的10處危巖體卸荷裂隙發育深度9～20m，卸荷裂隙帶寬度30～59m。物探解釋成果詳見《重慶市武隆縣鐵礦鄉大佛巖危巖帶專項地質調查地面物探平面示意圖》和《重慶市武隆縣鐵礦鄉大佛巖危巖帶專項地質調查地面物探解釋斷面圖》。

[1]劉傳孝，楊永杰，蔣金泉.探地雷達技術在采礦工程中的應用[J].巖土工程學報，1998-12-02.