工程雷达检测技术.

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1、岩土工程测试专题 之三 工程雷达检测技术 1.1 概述 工程检测中的雷达检测技术是一项新兴检测 技术，属于脉冲时域探地雷达技术领域（ Ground-Penetrating-Radar ，GPR），正弦 电磁波的传播特征是工程雷达的理论基础。 用频率102000MHz的宽频脉冲电磁波来确定 工程结构或构件介质分布的一种电磁波方法 。 雷达天线由接收、发射两部分组成，电磁波 在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波 形将随通过介质的电性和几何形态而变化， 根据反射波的时间、幅度与波形资料推断工 程介质的结构和分布。 2 1.1.1 工程雷达检测特点 同为利用电磁波的反射原理探测目标的雷达 技术，工程

2、雷达区别于探空雷达的主要特点 ： 探空雷达是在无耗介质中传播，探地雷达探测的是在 有耗介质中传播； 探空雷达目标体一般为金属体，目标回波能量大，工 程雷达目标体大多为非金属体，与周围介质差异小， 回波能量小。 工程雷达与通用探地雷达也有所区别，要求探测深度 相对较浅、精度和分辨率相对较高，探测目标一类为 金属体（钢筋、管线等）；一类为非金属体（工程介 质分层厚度及隐患） 3 相对于工程中常用的其它无损检测方法， 具独特的技术特点： 1.使用不同天线频率，可实现几厘米到几米的不 同探测深度； 2.改变天线中心频率和频带宽度，可实现不同分 辨率的检测； 3.无接触式扫描检测，速度快，可进行大面积快

3、 速连续检测； 4.可穿透介质中的空隙探测到内部质量情况，可 对有装修层的结构和构件进行检测； 5.可探测钢筋等金属体分布，也可探测孔洞裂隙 等非金属介质差异； 6.雷达检测结果可二维切片图或三维立体显示。 4 1.1.2 工程雷达检测技术在工程中的应用 探测地下管网（水、电、油气、热）； 路面、机场跑道分层厚度，地基脱空、回填 欠实，地下水渗漏； 隧道衬砌厚度、围岩扰动、脱空与空洞； 桥梁或混凝土建筑中的钢筋分布，孔洞、疏 松、裂缝、剥离层等缺陷的位置与范围。 5 1.2 工程雷达检测原理 1.2.1 工程介质中电磁波的传播 麦克斯韦（Maxwell）方程是研究电磁波传播 的基础。大多数复杂

4、形式的电磁波都可以近 似成平面波的叠加。有耗介质中，电磁波传 播的一维波动方程（假设沿z轴方向传播）： 式中：E电场强度 -介质绝对介电常数 -介质绝对磁导率 6 水平极化电磁波，电场强度E、磁场强度H和 波矢量K三者互相垂直。介质中传播的电磁波 在数学上可表示为： 其中，E0、H0为场源电场强度和磁场强度；E、H为 距场源距r点的电场强度和磁场强度，ejkr称为基本波 函数；传播常数k是一个复数，k=+j；、为相位 系数和吸收系数。 7 吸收系数 式中：电磁波角频率（2f）； -介电常数； -介质电导率； -介质导磁率。 相位系数 8 1.2.2 电磁波在介质中的传播速度 探地雷达测量的是介

5、质界面的反射波的走时 ，为了获取界面的深度，必须要有介质的电 磁波传播速度 ，其值为： -为相位系数； -为导电率（1/）； -为介电系数，=0r，空气介电常数与相对介电常数成积 ； -为磁导率，=0r，空气导磁率与相对导磁率成积。 9 相位系数是波速决定因素，讨论二种极限情况 ： 10 11 1.2.3 电磁波在介质中的吸收特性 12 1.2.4 工程介质的电磁学特性 介质的电磁学性质可用介电常数、电导率 、磁导率来表征： 1. 介电常数是表征物质在外加电场中储存极化电荷的 能力的物理量。介电常数最大的物质是水，其相对介 电常数是81；最小的是空气，相对介电常数为l。 工 程介质的介电常数一

6、般为中等值，如岩石、土、混凝 土等常见的工程介质的相对介电常数在4到9之间，其 介电常数的差异主要取决于介质中的含水量大小，例 如干砂的相对介电常数为2. 6，充水后其相对介电常 数可升高到25，提高了10倍。 13 2. 电导率(电阻率的倒数)表征介质的导电能力。介质的 电导率越高，则电磁波衰减越大，即电磁波传播距离越 短。 低电导介质的 10-4mS/m(S称西门子，-1),满足 /1。在此类介质中，电磁波衰减小，适合雷达工 作。例如：空气、干燥花岗岩、干燥灰岩、混凝土、沥 青、橡胶、玻璃、陶瓷等。 中等导电介质，其电导率满足10-4mS/ml0mS/m，在此类介质中，电磁 波衰减极大，雷

7、达难于工作。例如：湿粘土、湿页岩、 海水、海水冰、湿沃土、含水砂岩、含水灰岩、金属等 。 14 3. 磁导率是表征介质在磁场作用下产生 磁感应能力大小的物理量。绝大多数工 程介质都是非铁磁性物质，其相对磁导 率接近1 ,对电磁波传播无大影响。而铁 磁性物质的磁导率很高，对电磁波的波 速和衰减有着重要影响。 表1-1列出了一些常见介质的电磁参数 15 表1-1 常见介质的电磁参数 地下介质相对介电常数 r 导电率(mS/m)雷达波速（m/ns ） 衰减系数（dB/m) 空气100.30 淡水800.50.0330.1 海水80300000.011000 干砂350.010.150.01 饱和砂2

8、0300.1-100.060.03-0.3 石灰岩480.5-20.120.4-1 泥岩5151-1000.091-100 粉砂5301-1000.071-100 粘土5402-10000.061-300 花岗岩460.01-10.130.01-1 岩盐560.01-10.130.01-1 冰340.010.160.01 金属30010100.017108 混凝土690.12 PVC材料3.31.340.160.14 16 1.2.5 电磁波的反射系数 电磁波在传播过程中，遇到不同的阻抗 界面时将产生反射波和透射波，其反射 与透射遵循反射与透射定律。反射波能 量大小取决于反射系数R，垂直入射时

9、 ，反射系数的数学表达式： 17 1.3 工程雷达仪器 工程中应用的雷达为脉冲时域雷达，雷 达由主机和发射、接收天线组成。 1. 主机与天线 雷达天线沿测线从左向右移动 ，如图；发射天线不断发射雷达 电磁波，并辐射到被测介质，接 收天线接收到一条条雷达回波。 将雷达回波按顺序排列展开，便 可准确、形象地反映出地下探测 目的体及反射界面的位置。 18 2. 天线类型 按频率划分为低频、中频、高频天线；按结构划分 为非屏蔽、屏蔽天线；按电性参数划分为偶极子天 线、反射器偶极子天线、喇叭天线。 80MHz以下为低频天线，通常采用非屏蔽式半波偶极 子杆状天线，无反射器偶极子天线一半的长度为 /4 ，用

10、于较深目标的探测； 1001000MHz为中频天线，采用屏蔽式半波偶极子天 线，半个偶极子长度为/4，反射器将辐射到后方的 能量集中到前方，在前方形成较强的电磁场密度， 具有体积 小 ，发射效率高的特点，在工程检测中常 使用此类天线； 高于1GHz的为高频天线，一般为喇叭形，以提高辐 射效率，该类天线辐射能量集中，分辨率高，主要 用于道路质量检测。 19 加拿大Sensor 这类干扰波在振幅、频率上表现为 强振幅、同相轴连续, 中心频率接近发射天线的中心频率, 在一次波下会产生多次波, 特别是杆形地物为金属质地时。 39 2.地形干扰 坎状地形引起的异常会在雷 达记录上产生2 组交叉的特 征波

11、,其信号能量强,相位数 多,其波传播的视速度既不是 空气中电磁波的速度,也不是 地下介质中电磁波的速度,而 是介于两者之间,它是沿自由 表面传播的地面波,其出现的时间与天线距坎边的距离 相关。单坎,其波组呈倒“V”型,其顶点对应于坎边,波组 顶部往往与直达波复合，“V”型不明显,在记录上呈明 显的“八”字型 40 “凸”型坎波组形状在记 录上呈“X”型,在两三 个相位之后,两组波 相互干涉在一起,形 成水平状(右图) 。这 种地形对有效信号引 起的干扰特别严重, 造成有效反射信号无 法辨认。 41 3.耦合效应引起的干扰图像 局部地形变化,改变了雷达波 的辐射特征,并引起电磁波的 散射和漫射。

12、当地面存在小 沟或石块等杂物,天线不能很 好地与地面接触,能量不能有 效地耦合传输到地下,使电磁 波在地面与天线间形成振荡 。由于天线耦合不好而引起 的干扰波,在记录自始至终都 存在,其频率接近工作主频,信 号强,衰减慢,像无阻尼振荡(右 图) 。 42 如果天线垂直离开地面一定距离,其干扰现象可以得到 一定程度的抑制,但直达波的相位数亦会增多,辐射到地 下的能量也会衰减。 43 4. 空中输电线干扰图像特征 当雷达测线垂直通过输电线,天线的极化方向与输电线 方向平行时,输电线引起的干扰呈双曲线型,其顶点正对 于输电线的下方,尤其是高压输电线,其影响范围远达50 80 m ,信号强、相位多。高

13、度根据t c/ 2 计算。 单线架空输电线路干扰 44 当测线与架空输电线路平行时, 天线的极化方向与架空 输电线路方向垂直, 输电线路在地质雷达剖面上表现为 一强振幅水平同向轴。 平行测线架空输电线路干扰 45 多线高压输电 线路在地质雷 达剖面上的反 映, 剖面上出现 了多组能量强 、多次波多的 反射, 其干扰非 常严重 多线架空输电线路干扰 46 5.地表金属物影响 天线通过地表金属物时会产生强反射, 在地质雷达剖面上 反映为强能量同相轴出现，并且反射波会在金属物和天 线间产生多次反射, 在剖面上表现为强能量同相轴垂向延 续时间长的特点。 47 1.5.3 测线布置原则 测量工作进行之前

14、必须首先建立测区坐标， 以便确定测线的平面位置。 (1)目标是一维体，如管线方向已知，测线应垂直管线长 轴；如果方向未知，则应采用方格网。 (2)对基岩面等二维体进行调查时，测线应垂直二维体的 走向，线距取决于目的体沿走向方向的变化程度。 (3)目的体体积有限时，先用大网格小比例尺初查，以确 定目的体的范围，然后用小网格、大比例尺测网进行 详查。网格大小等于目的体尺小。 48 1.5.4 测试方法 剖面法（反射观测方式） 49 柱 墙 楼板 发射天线 接收天线 透射法 宽角法（共深点法，CDP） 用于求取表层土的电磁波传播速度 地面 地面 空气波 地表直达波 50 1.5.5 测量参数选择 测

15、量参数选择合适与否关系到测量的效果。 测量参数包括天线中心频率、时窗、采样率 、测点点距与发射、接收天线间距。 (1)天线中心频率选择。天线中心频率选择需兼顾目的体 深度与目的体的尺寸，一般来说，在满足分辨率且场地 条件又许可时，应该尽量使用中心频率较低的天线; 天线频率与探测深度的粗略关系： 1000M-0.5m 500M-1.0m 200M-2.0m 100M-5.0m 50M-10m 10M-50m 51 (2)时窗选择。时窗选择主要取决于最大 探测深度h max(单位m)与地层电磁波速度 v(单位m/ns)。时窗w(ns)可由下式估算: w=1.3(2 h max/v) ; 考虑到h max和v的变化，时窗应预留出 30%以上的余量。 52 (3)扫描点数选择。扫描点数即每道波形的采用 点数(128、256、.2048等)。为保证在一定频 率下，每个波形有10个采样点，扫描点数应 满足： 扫描点数10时窗长度(s)天线频率(Hz) 如：天线1000M，时窗50ns，要求点数大于500 ，可选512. 53 (4)扫描速率选择。扫描速率为每秒采集的扫