大深度探地雷達在礦區污水調節庫大壩無損檢測中的應用

楊承志

（江西省核工業地質調查院，江西 南昌 330038）

1 探地雷達的原理

探地雷達法（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）是一種利用頻率介于106Hz～109Hz的無線電磁波確定地下介質分布的一種勘探方法。由于采取的是高頻、短脈沖、寬頻帶和高速采樣技術，所以它探測精度高于其他普通的地球物理勘探手段[1]。

該方法是利用發射天線向地下的媒質發射廣譜、高頻電磁波，由于發射天線發射出來的電磁波在地下傳播過程中由于介質介電常數存在的差異從而在分界面處發生反射并被接收天線接收。采用的儀器通過對接收的數據，包括接收電磁波的振幅、相位、波形及雙旅程時等其他參數來進行處理分析，然后結合工程地質情況再確定地面下目標體的結構、位置及形態等特征[2]。

如圖1所示，電磁波在地面下介質特性(電特性)不同的界面上經過反射而返回地面。電磁波在傳播過程中，由于它的路徑、電磁場強度和波形特征將隨所通過介質的電質性質及幾何形態的變化，而產生不同程度的變化，根據回波信號的形狀、時延和頻譜特性等參數，來解譯出目標體的深度、性質及介質結構。對于，在數據處理方面，我們通過應用數字圖像的恢復及重建技術，對目標體進行成像處理，來達到對地下目標體的真實及直觀的再現過程。一般情況，電介質的電性差異的及電磁波在不同介質中的衰減變化程度，決定了所采取探地雷達方法的有效性。如圖1所示，R是接收天線，T是發射天線，X為天線之間的距離，V是電磁波在不同介質中的傳播速度，H是反射面到地面上的深度，由它們的幾何關系我們可以 得到電磁波的雙旅程時間。

圖1 探地雷達檢測原理示意圖

因此,只要估計地下介質合理的相對介電常數，或通過已知深度目標體求得電磁波在地下的傳播速度，并結合探地雷達獲得電磁波從發射到接收的雙程旅行時間，就可以進行轉換，獲得反射界面或是探測目標體的深度。

常見的地下相對介電常數和電磁波在不同介質中的傳播速度如下表1所示。

表1 介質的相對介電常數和電磁波波速

探地雷達法數據采集的方式主要包括兩種：剖面法（CDP）和寬角法（WARR）。剖面法是將接收天線和發射天線以固定的間隔距離沿著一根測線同步移動的測量方法，在此過程中，獲取與地表測線相一致的地下剖面的圖像，它是一種最常用的探測方法，也是本次檢測中采用的測量方法。寬角法是采用一個天線固定，而另一天線不停地移動的方式，或是兩天線陡同時沿著其中心點向兩側地反向相同距離地移動，在這個過程中，儀器記錄地下不同層面地反射電磁波雙旅程時間，這種方法主要是用來獲得地下介質的電磁波速度和反射面的深度。

并且，在運用的理論中由于電磁波會向地下介質傳播的特性，傳播中的能量會逐漸衰減從而使得獲得的反射信號不斷會減弱，電磁波頻率越高能量衰減越快，同時我們將電磁波能量衰減至原來的1/e時，所獲得的深度稱為有效深度。由于各種干擾波、地表不平和地下介質結構的復雜性等因素，結合不同頻率探地雷達天線的特點及查閱相關文獻，總結出如下不同頻率雷達天線的勘探深度。

2 儀器設備

針對大壩檢測干擾大、精度要求高的特點，本文采用加拿大sensors & software公司（SSI）于2018年最新研制開發的新型Ultra pulseEKKO系列大深度探地雷達系統，該套探地雷達具有發射功率高（最高電壓1000V）、勘探深度大（最大深度100m）、疊加次數高（最大疊加次數65536）、抗干擾能力強、收發分離擴展功能多等特點。同時可以根據場地施工需求選擇搭載50MHz、100MHz、200MHz非屏蔽收發分離式天線，如下圖2所示。

圖2 Ultra pulseEKKO系列大深度探地雷達系統

Ultra pulseEKKO系列大深度探地雷達系統是目前全球有效勘探深度最大，疊加次數最高，應用范圍最廣泛的探地雷達之一。

3 數據處理

受各種干擾波、地表不平和地下介質結構的復雜性等因素使得由地下管線空洞、塌陷、松散引起的有效信號與干擾信號混雜在一起，造成記錄的圖像會難于解釋，所以我們應首先對GPR法采集獲得的數據進行處理，處理的手段主要有：頻率域濾波、信號預處理、頻率域濾波、空間域濾波和二維濾波、調整成圖參數和信號增強處理等；在此過程中，根據判讀波形和追蹤反射波組的同相軸，并通過合理地解譯來恢復真實的地下結構的構造，數據處理流程圖如圖3。

圖3 數據處理流程圖

3.1 信號預處理

信號預處理主要包含兩個環節：①根據班報記錄對原始數據進行必要的數據拼接和測線方向反轉，并根據綜合測線進行統一的樁號修正；②進行信號的去直流漂移及去低頻漂移處理（圖4）。

圖4 去信號漂移的前后對比圖

3.2 頻率域濾波

頻率域濾波主要包括高通濾波、低通濾波及帶通濾波，其濾波參數的選取依據為信號經傅里葉變換后的頻譜圖。其中高通濾波可壓制低頻噪聲，低通濾波可壓制高頻噪聲。在各類環境噪聲中，由于低頻噪聲比高頻噪聲衰減更慢、影響區域更大，因此對于主頻大于100MHz天線的數據應主要考慮高通濾波壓制低頻噪聲，而對于本次可能采用的50MHz低頻天線應主要考慮使用帶通濾波同時壓制低頻和極低頻噪聲[3]。

帶通濾波器的設計包括高截、高通、低通、低截共四個參數，其參考值分別為天線主頻的40%、80%、120%、160%。

3.3 空間域濾波

常見的空間域濾波算法包括：平滑濾波、背景水平道消除、反卷積等。在進行地質分層等層狀介質模型的數據處理中可適當采用矩形窗平滑濾波，以保證波形同相軸的連續可追蹤性。當出現明顯水平道干擾時應采用背景消除，若同時需進行地質層面解譯時，其濾波窗口長度應設置為“全通”。當反射信號弱、數據信噪比低時，不宜對數據進行反卷積[4]。

3.4 二維濾波

二維濾波即采用FK或克希霍夫算法對數據進行偏移歸位處理，主要應用于壓制極強的空間電磁干擾（如高壓線等）的繞射波。其擬合速度可通過拾取干擾波的繞射弧獲取[5]。

3.5 調整圖像顯示參數

雷達圖像的顯示參數包括增益調整、時深轉換、圖像屬性編輯及輸出等。其中增益調整通過設置起始增益值、最大增益值及衰減度來控制，衰減度變量嚴格按照指數規律設置，從而確保的增益后信號的真實性[6]。時深轉換根據工作區鉆孔資料及其他先驗資料進行速度標定，再利用該速度對測區其余測線進行時深轉換[7]。

4 應用實例

本文選用永平某礦區污水調節庫大壩進行實驗探測，該壩主要為土壩結構，壩頂及壩側面采用石塊進行堆砌。據現場了解，該壩存在滲漏情況，需要查明壩體滲漏的位置及情況。

4.1 不同頻率天線對比

本次大壩探測采用了50MHZ和100MHZ兩種天線進行對比探測，見圖5、圖6，從兩種不同天線采集的數據分析，可以看出，兩天線的圖件形態基本一致，都大致反應了大壩的分層情況。從50MHZ圖可以看出，10m以淺的信號相對于100MHZ天線，信號更弱，相對而言，高頻天線采集的淺部信息更加豐富。

圖5 50MHZ天線

圖6 100MHZ天線

4.2 壩體解譯

根據鉆孔資料及探地雷達物探成果圖7，可推測此剖面的覆蓋層厚2.1m～4.8m，全風化層厚度厚度3.1m～5.9m，強風化混合巖層厚度6.4m～7.2m，下伏為中風化混合巖層。在平距16.0m～21.9m，埋深105.5m～99.6m處，原本連續均勻的同相軸突然中斷消失或雜亂，內部波形雜亂，繞射波較多，推測為疏松體，后期經鉆孔驗證，該處確實為松散體。

圖7 壩體物探成果圖

5 結論

地質雷達法是目前一種快速并高效的無損檢測方法，可廣泛地應用在大壩檢測，應用探地雷達技術不但可以探測壩體的地層結構分布情況，還可以用于壩體滲漏情況的質量檢測中。通過探測，及時準確地發現地下病害體，為工程治理提供依據。