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1、第一章 矿井探地雷达,一、基本原理 二、现场工作方法 三、资料处理与解释 四、探地雷达的应用,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,在隧道开挖、煤矿生产及地面工程建设中经常遇到复杂的地质异常，给施工带来困难，尤其是穿过老窑、软弱破碎带、岩溶区，或者煤与瓦斯突出的危险区域，若事先未能探查清楚往往造成塌方、涌水或煤与瓦斯突出等事故，影响安全生产。在地面工程地质勘探中，要求实施大面积、高密度精查勘探，这就对地质探测手段提出了高的要求。实践证明，应用矿井地质雷达进行探测，简便快捷，机动灵活，能较好而准确地提供资料，取得较好效果。,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2007.9,
2、中国矿业大学。地球探测与信息技术,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,探地雷达（Ground Penetrating Radar）是一种高科技的地球物理探测仪器，目前已经广泛的应用于高速公路，机场的路面质量检测；隧道，桥梁，水库大坝检测；地下管线，地下建筑的检测等诸多的工程领域。探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接受来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断地下介质的分布情况。,2
3、007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,对地下雷达探测目标的解释,离不开必要的地质理论和地质工程知识，更确切地说，探测地下目标的雷达系统应称为“地质雷达系统”(Geologic radar system)。,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,一、基本原理,地质雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线(Tx)组成。通过发射天线电磁波以6090的波束角向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录
4、或在终端将两种显示出来。,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,图1 地质雷达探测原理示意图,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走时t，由上式求得目标体的深度z。式中x值即收发距，在剖面测量中是固定的；v值可用宽角法直接测量，也可以根据近似计算公式：,c为光速；,为地下介质的相对介电常数。,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确定。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的
5、正负峰分别以黑色和白色表示，或以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射界面。在波形记录上，各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,由于探地雷达的电磁波主要是在非理想介质中传播的所以其衰减的速度非常快，这构成了雷达应用的主要障碍，即探测的深度有限。电磁波的电场强度随着距离的衰减规律是：,其中为 介质的吸收系数，它与介质的电性和频率有关，根据计算可以写为,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,趋肤深度,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,二、发展历史及现状,2007.9,中国矿业大学。地
6、球探测与信息技术,三、野外工作方法,探地雷达的野外工作，必须根据探测对象的状况及所处的地质环境并选择合适的测量参数，才能保证雷达记录的质量。,1）、剖面法 2）、多次覆盖 3）、宽角法,3.1 测量方式,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,1）、剖面法,剖面法是发射天线(T)和接收天线(R)以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式，当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线与接收天线合二为一时称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为反射波双程定时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收
7、天线所需的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各反射界面的形态。,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2） 、多次覆盖法,由于介质对电磁波的吸收，来自深部界面的反射波会由于信噪比过小而不易识别。这时可应用不同天线距的发射接收天线在同一测线上进行里复测量，然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,3） 、宽角
8、法,当一个天线固定在地面某一点上不动，而另一个天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方式称为宽角法。,这种测量方式的目的是求取地下介质的电磁波传播速度。,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,3.2 探地雷达的技术参数,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,探地雷达数据处理的目标是压制随机的和规则的干扰，以最大可能的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用的参数(包括电磁波速度，振幅和波形等)来帮助解释。探地雷达与反射地震都依靠脉冲回波信号，其子波长度都由发射源控制。脉冲在地下传播过程
9、中，能量均会产生球面衰减，也会由于介质对波的能量的吸收而减弱，在地下介质不均时还会发生散射、反射与透射。因此数字记录的探地雷达数据类似于反射地震数据，反射地震数字处理许多有效技术通过某种形式改变均可以应用于探地雷达资料的处理。,四、数据处理与资料解释,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.1 数字滤波,矿井地质雷达在测量过程中，为了保留尽可能多的信息，常采用全通的记录方式，这样有效波的干扰就被同时记录下来，为了去除数据中的干扰信号，需要采用数字滤波的方法。数字滤波就是根据数据中有效信号和干扰信号频谱范围的不同来消除干扰波。如果有效信
10、号的频谱分布与干扰信号的频谱有一个比较明显的分界，那么可根据具体的干扰信号的分布，设计一个合理的滤波器，将其滤除，就得到了滤波以后的结果，根据干扰信号的频谱分布的不同，可以采取低通、高通或带通的方法。,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.1 数字滤波,如果噪音的频谱分布只有高频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除：,式中 是高截频率。,1）低通滤波,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.1 数字滤波,2）高通滤波,如果噪音的频谱分布只有低频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除：,式中 是低截频率。,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.1 数字滤波,
11、3）带通滤波,如果噪音的频谱分布既有低频成分又有高频成分，那么可采用如下的滤波器将其滤除：,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,内容回顾,一、基本原理,二、发展历史及现状,三 野外工作方法,1、剖面法 2、多次覆盖 3、宽角法,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,四、 数据处理与资料解释,4.1、 数字滤波,4.2 资料的偏移处理,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.2 雷达资料的偏移处理,探地雷达与反射地震方法一样都是接收来自地下介质界面的反射波。偏离测点的地下介质交界面的反射点，只要其法平面通过测点，都可以被记录下来。在资料处理中需把雷达记录中的每个
12、反射点移到其原来的位置，这种处理方法称为偏移归位处理，经过偏移处理的雷达剖面可反映地下介质的真实位置。,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.2 雷达资料的偏移处理,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.2 雷达资料的偏移处理,原始数据雷达剖面图,偏移后的雷达剖面图,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.3 雷达图像的增强处理,4.3 雷达图像的增强处理,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,4.4 雷达资料的解释,4.4 雷达资料的解释,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,五、探地雷达的应用,80年代以来。由于电子技术与数字处理
13、技术的发展、使探地雷达的分辨率与探测深度大大提高、探地雷达已在工程地质勘察、灾害地质调查、地基基础施工质量检测、考古调查、管线探测、公路工程质量检测等多个领域中得到了广泛应用。,施工准备工作,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,5.1、探测回采工作面已知断层的尖灭点,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,5.2、探测石灰岩含水层,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,5.3、巷道围岩松动圈探测,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,5.4、巷道冒落影响范围探测,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,5.5、衬砌质量检测,2007.9,中国矿业
14、大学。地球探测与信息技术,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,衬砌厚度评价，首先在探地雷达剖面上确认出混凝土与岩石界面问的反射波同相轴，读取反射波双程旅行时间，按公式HVt2计算出混凝土衬砌厚度。速度V可通过明洞地段标定；密实度的评价可根据探地雷达剖面反射波振幅、相位和频率特征划分为密实和不密实两种类型，不密实的混凝土体在雷达剖面上波形杂乱，同相轴错断；脱空体在雷达剖面上在混凝土与围岩交接面处反射波同相轴呈弧形，与相邻道之间发生错位，依此特征可计算出空洞的范围。由于爆破使围岩表面凹凸不平，因此，在确定脱空时应对剖面上的异常加以细致的分析和确认。,衬砌检测,2007.9,中国矿业大学
15、。地球探测与信息技术,六 探地雷达在工程检测中的应用,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,吉林省长春四平高速公路采用沥青路面，路面下为碎石垫层。路面分三次铺设完成，设计路面厚度为25cm。在工程竣工前采用探地雷达进行了路面厚度检测。检测中使用的探地雷达为SIR-2型，工作天线频率为900MHz。下图为该公路某段路面的探地雷达检测剖面图，图中的强反射为沥青面层与碎石垫层界面的反射，根据反射界面的双程走时和电磁波在沥青路面中的传播速度计算出路面厚度。沥青路面的速度采用实验标定并进行统计后得到。检测结果表明，由于二灰石垫层凸凹不平，导致沥青路面厚度有较大变化，最薄为26cm，最厚为43c
16、m。路面厚度指标达到了设计要求。,高速公路检测,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,高速公路检测,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,铁路路基,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,探地雷达方法在公路质量检测中除了可进行路面厚度检测外，还可进行路基隐患(脱空、裂缝等)的检测以及桥涵的质量检测。有些学者研究电磁波的特征与路面压实度、强度及含水量的关系，进行探地雷达对公路压实度、强度及含水量的检测研究，也取得了较好的检测效果。,高速公路检测,2007.9,中国矿业大学。地球探测与信息技术,蚁巢、洞穴的探测,土体堤坝中因碾压不实、库水浸透或动物危害等因素，在坝体中常出现土洞、动物巢穴等危害坝体安全的隐患。例如在我国南方各省(区)水利工程中白蚁巢穴就是一种常见的隐患，白蚁主巢直径一般在4060cm，大者可达数米，主巢周围分布着几十个甚至数百个卫星菌圃，其间由四通八达的蚁道沟通，且有的贯穿堤坝的内外坡，因此，深藏于堤坝中的白蚁危害造成的堤坝险情和溃堤率远高于其他原因，找出堤坝白蚁巢是消除堤坝白蚁隐患的关键。目前，对坝体中的土洞、动物巢穴的探测的最有效的物探方法是探地雷达和高密度电法。,
