不同頻率探地雷達(dá)在渠道填方質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

郭 洪 娟

(吉林精誠(chéng)工程檢測(cè)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130033)

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不同頻率探地雷達(dá)在渠道填方質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

郭 洪 娟

(吉林精誠(chéng)工程檢測(cè)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130033)

介紹了探地雷達(dá)的基本原理，將不同頻率探地雷達(dá)應(yīng)用于同一段渠道填方質(zhì)量檢測(cè)中，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果作了對(duì)比分析，指出中頻屏蔽天線能夠很好的兼顧到精度和反射波強(qiáng)度的要求，可作為常規(guī)手段進(jìn)行檢測(cè)。

探地雷達(dá)，渠道填方，質(zhì)量檢測(cè)，頻率

0 引言

20世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的高速發(fā)展，工程地球物理的方法和理論得到不斷的深入開發(fā)，廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。作為一種具有高效率的淺層地球物理探測(cè)技術(shù)，通過探地雷達(dá)向地下發(fā)射高頻電磁脈沖波，根據(jù)地下介質(zhì)介電常數(shù)的不同，通過對(duì)回波的波形，振動(dòng)頻率和幅度等動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行分析和推斷，得出地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和物性特征。通過對(duì)探地雷達(dá)和傳統(tǒng)地球物理方法進(jìn)行比較，探地雷達(dá)具有檢測(cè)速度快、目標(biāo)連續(xù)、分辨率和精度高、檢測(cè)簡(jiǎn)單、檢測(cè)結(jié)果直觀、數(shù)據(jù)處理快等特點(diǎn)，在工程物探界得到廣泛應(yīng)用。

渠道高填方土體填筑質(zhì)量的優(yōu)劣，直接關(guān)系到工程的安全運(yùn)行及其功能的正常發(fā)揮，以往采用常規(guī)手段進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，不僅耗費(fèi)大量時(shí)間，而且也會(huì)破壞渠道完整性，檢測(cè)也僅局限于小范圍，無(wú)法進(jìn)行渠道整體排查。基于此，本文將不同頻率探地雷達(dá)應(yīng)用于同一段渠道填方質(zhì)量檢測(cè)中，通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，確定最優(yōu)的檢測(cè)方式及頻率。

1 基本原理

探地雷達(dá)以電磁波理論為原理基礎(chǔ)，并利用寬頻帶時(shí)域發(fā)射天線，向待檢測(cè)區(qū)域發(fā)射1 MHz～10 GHz的高頻短脈沖電磁波。根據(jù)電磁波傳播原理，高頻短脈沖電磁波在不同介電常數(shù)的介質(zhì)分界面產(chǎn)生反射，且在不同介質(zhì)中傳播也會(huì)隨著介電常數(shù)的不同產(chǎn)生不同的衰減。基于此，通過探地雷達(dá)接收天線接收的被檢測(cè)區(qū)域電磁波的反射及衰減程度，運(yùn)用處理軟件對(duì)接收到的電磁波進(jìn)行頻率、振幅及相位處理，更加直觀的反映待檢區(qū)域結(jié)構(gòu)及物性特征，以達(dá)到檢測(cè)的目的。可以看出，探地雷達(dá)的檢測(cè)手段具有工作效率高、檢測(cè)結(jié)果精確、無(wú)損失破壞和結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理如圖1所示。

探地雷達(dá)所發(fā)射的電磁波在介質(zhì)中傳播滿足麥克斯韋方程，探地雷達(dá)與通信雷達(dá)技術(shù)相似，都是依據(jù)不同頻率的探地雷達(dá)天線向待檢測(cè)區(qū)域發(fā)射電磁波來確定待檢區(qū)域結(jié)構(gòu)及物性特征，并且其傳播理論與地震反射波法彈性波相似，也遵循著相同形式的波動(dòng)方程，基于此探地雷達(dá)的解釋與地震反射波法的解釋很類似。

探地雷達(dá)發(fā)射的高頻電磁波傳播速度主要與傳播介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。電磁波在某種介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到不同的界面(如混凝土的脫空、巖體的溶洞、土體的滲流通道等)將會(huì)產(chǎn)生不同程度反射和折射。由于探地雷達(dá)發(fā)射和接收的是高頻電磁波，根據(jù)高頻電磁波傳播理論，電磁波在介質(zhì)中傳播的特性取決于介質(zhì)的波阻抗，而波阻抗又與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)成比例對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)相鄰兩層介質(zhì)的介電常數(shù)存在差異時(shí)，也就是兩介質(zhì)的波阻抗有差異時(shí)，入射到兩結(jié)構(gòu)層分界面上的電磁波將會(huì)產(chǎn)生反射，形成反射波，探地雷達(dá)接收反射波，經(jīng)過處理使該結(jié)構(gòu)層分界面被直觀的辨別出來，如圖2所示。這種介質(zhì)上的波阻抗差異可用反射系數(shù)表示，也可以用功率反射系數(shù)表示。反射系數(shù)可直接反映出介質(zhì)的介電常數(shù)的差異性。綜上所述，檢測(cè)時(shí)待檢測(cè)區(qū)域若存在相對(duì)介電常數(shù)差異較大的介質(zhì)，則其可接收到的反射波信號(hào)越強(qiáng)，因而該反射界面也可直觀的辨別出來。

2 檢測(cè)方案

2.1 檢測(cè)設(shè)備

為了確定最優(yōu)檢測(cè)方案，本次研究采用兩種雷達(dá)進(jìn)行比對(duì)檢測(cè)，一種雷達(dá)為美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)，勞雷公司銷售的SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)儀，匹配20 MHz低頻組合天線沿測(cè)線和100 MHz屏蔽天線，如圖3所示，另一種為瑞典MALA公司生產(chǎn)的ProEx型地質(zhì)雷達(dá)儀，匹配RTA50超強(qiáng)地面耦合天線，如圖4所示。之所以采用不同頻率的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，是因?yàn)樘降乩走_(dá)所能探測(cè)的深度和分辨率是相互制約的，20 MHz低頻組合天線雖然探測(cè)較深，但是其存在抗干擾能力較差，分辨率較低，難于探測(cè)小尺寸的缺陷，而100 MHz屏蔽天線分辨率較高，但其探測(cè)深度較淺，而RTA50超強(qiáng)地面耦合天線可兼顧深度和精度。

2.2 檢測(cè)測(cè)線布置

本次研究對(duì)象為某引水工程高填方渠道風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控段，該段總長(zhǎng)150 m，寬4 m，測(cè)線根據(jù)雷達(dá)天線寬度進(jìn)行邊緣疊加布置，共布置2條平行測(cè)線。

2.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

主要的數(shù)據(jù)處理有：

1)距離歸一化，目的是確定目標(biāo)的樁號(hào)位置。

2)一維頻率濾波，用來消除低頻干擾。

3)反褶積處理，用來消除采集信號(hào)的多次波干擾。

4)空間域?yàn)V波，用來消除空間瞬態(tài)干擾和水平同相軸。

5)增益調(diào)整與色階變換，用來增強(qiáng)不同深度探測(cè)的信號(hào)幅度，增強(qiáng)目標(biāo)層位的圖像反饋。

3 檢測(cè)結(jié)果分析

相位、振幅和頻率是探地雷達(dá)判斷異常的三要素。對(duì)電磁性質(zhì)變化相對(duì)較小的介質(zhì)來說，同向軸是判斷介質(zhì)均勻性的重要依據(jù)。一般來說，介質(zhì)均勻時(shí)，同向軸比較整齊，相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)明顯反射，而介質(zhì)不均勻時(shí)，同向軸則表現(xiàn)為錯(cuò)段或繞射，此外，當(dāng)介質(zhì)含水或不密實(shí)時(shí)，低頻信號(hào)表現(xiàn)為一定的優(yōu)勢(shì)頻率，電磁波有明顯衰減。

采用SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)儀配備20 MHz低頻組合天線檢測(cè)結(jié)果表明，在樁號(hào)30 m～40 m(埋深8.5 m)段，90 m～120 m(埋深7.5 m)段，頻率較低，且異常部位埋深較深，推測(cè)含水量較大，可能存在滲漏通道，雷達(dá)結(jié)果示意圖如圖5所示。

采用SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)儀配備100 MHz屏蔽天線檢測(cè)結(jié)果表明，在樁號(hào)26 m～44 m(埋深8 m)，43 m～50 m(埋深4 m)段，雷達(dá)圖像顯示該段出現(xiàn)雙曲線異常，推測(cè)存在松散空洞，可能在雨季形成滲漏通道，雷達(dá)結(jié)果示意圖如圖6所示。

采用ProEx型地質(zhì)雷達(dá)儀配備RTA50超強(qiáng)地面耦合天線檢測(cè)結(jié)果表明，在樁號(hào)30 m～40 m(埋深8.5 m)段、90 m～115 m(埋深7.5 m)段電磁波信號(hào)紊亂，存在異常，推測(cè)為填料不密實(shí)不均勻，雷達(dá)結(jié)果示意圖如圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究主要運(yùn)用了兩種雷達(dá)、三種頻率對(duì)渠道高填方土體進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明低頻率天線雖然理論探測(cè)深度較大，但子波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，且目前無(wú)屏蔽天線，使得檢測(cè)結(jié)果誤差較大，分辨率不高，可作為普查手段進(jìn)行檢測(cè)。高頻率屏蔽天線分辨率較高，但是衰減較快，異常區(qū)域分界面不清晰，可作為淺層詳查手段進(jìn)行檢測(cè)。而中頻屏蔽天線能夠很好的兼顧到精度和反射波強(qiáng)度的要求，可作為常規(guī)手段進(jìn)行檢測(cè)。

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The application of different frequency GPR in channels fill quality inspection

Guo Hongjuan

(JilinJingchengEngineeringInspectionLimitedCompany,Changchun130033,China)

This paper introduced the basic principle of GPR, applied different frequency GPR in same channel fill quality detection, and analyzed and compared the detection results, pointed out the intermediate frequency screened aerial could be very good to both the accuracy and reflection strength requirements, could be used as routine method to detection.

GPR, channel fill, quality inspection, frequency

1009-6825(2016)31-0085-02

2016-08-26

郭洪娟(1980- )，女，工程師

P624

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