西　北　地　质

NO R THW EST ERN　GEOLO GY　　　　　　

V o l.33　N o.4

2000(Sum135)探地雷达应用的初步分析

史江峰1,巨天乙1,赵顺阳2,牛宝茹2

(11西安科技学院地质系,西安　710054;21中煤航测遥感局遥感应用研究院,西安　710054)

摘　要:通过应用探地雷达在建筑物、地下埋设油罐及探测水底起伏等研

究,分析了天线类型、发射天线和接收天线间距、测试参数的选取对工程问

题的影响,对探地雷达的应用方法和应用效果作了分析,总结了探地雷达的

应用特点。

关键词:探地雷达;图像;应用分析

中图分类号:P22411　　　文献标识码:A

1　引言

探地雷达(Ground Penetrating R adar简称GPR)是一种利用频率介于106～109H z的无线电波来确定地下介质的微波遥感方法。由于地下介质比空气具有较强的电磁衰减特性,加之地质情况的复杂性,电磁波在地下的传播要比空气中的传播复杂得多。因此,探地雷达的应用初期,仅限于对电磁波吸收很弱的冰层、岩盐等介质的探测。随着电子技术的发展以及先进数据处理技术的应用,特别是70年代以后,探地雷达的应用范围迅速扩大,现已覆盖考

　　收稿日期:2000205208

作者简介:史江峰(19752),男,西安科技学院地质系在读研究生,主要从事遥感地质研究1

并、分类,最后圈出地下异常区。

参考文献:

[1]陈华慧1遥感地质学[M]1北京:地质出版社,19841

[2]郭华东1遥感找矿方法与实践[M]1北京:科学出版社,19951

[3]庄培仁,赵不仁1遥感技术及其地质应用研究[M]1北京:地质出版社,19861

[4]赵元洪1波段比值的主成分复合在热液蚀变信息提取中的应用[J]1国土资源遥感,1991,(3):7

～91

[5]张雯华1岩石(矿石)的反射光谱特性及其应用1中国典型地物波谱及其特性分析[M]1北京:科

学出版社,19901

[6]D1A1M ouat(林树道译)1地球化学状况的植被响应[J]1遥感信息,1988,(4):21～241

[7]R・C・冈萨雷斯,P・温蕴,李叔梁等译1数字图像处理[M]1北京:科学出版社,19811

古、矿产资源勘探、灾害地质勘查、岩土工程调查、公路工程质量检测以及工程建筑物调查等众多领域[1,2]。探地雷达以其无损、操作简便、快速的优点,解决了许多工程实际中的问题。为了使其更好地服务于国民经济建设和仪器的改良,应对其所解决的问题及在解决问题过程中存在的不足有一定的认识。

2　探地雷达的工作原理

虽然探地雷达的型号多样,但它们的基本组成与工作原理相似。以美国劳雷公司的S I R 22000探地雷达为例,它由控制单元、天线和处理模块3部分组成。天线负责发射和接收电磁波,控制单元负责参数设置、显示、记录数据并将数据传到外接硬盘、软盘或磁带以进行数据记录和二次处理,天线与控制单元通过光纤连接,传递控制命令和数据。处理模块应用w indow s 操作界面,可以实现文件传输(tran sfer )、数据选择(select )、打标(m ark )、增益处理(gain )、滤波(filter )、距离归一化(no r m distance )、静态校正(static co rrecti on )等,使探测图像能较好地反映工程实际。

探地雷达和探空雷达一样利用高频电磁波的反射来探测目标体,所不同的是探地雷达探测的是在地下有耗介质中的目的体。发射部分通过发射天线由地表向地下发射超高频宽频带短脉冲电磁波,接收部分通过接收天线接收经地下界面反射折向地表的反射波时间序列,反射波的形态通过记录装置转化为数据,再将其传到电脑进行数据编辑、常规滤波、时间增益、数据处理、图形处理等操作,电磁波的传输过程见图1。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和几何形态而变化。因此,根据接收到的反射波的旅行、幅度与波形资料,可推断地下界面或目的体的结构与分布位置。置于地面的高灵敏度雷达天线所接收到的电磁波反射脉冲波行程走时t 为:

t =(4z 2+x 2)1 2 v (1)　　

当已知地下介质波速时,可根据测得的t 值计算反射体的深度z ;v 值可根据已知资料标定、宽角方式直接测定、理式估算等方式获得。发射天线与接收天线的距离x 通常很小,甚至合二为一。当地层倾角不大时,反射波的路径几乎与地面垂直。因此,探测剖面各测点上

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反射波走时变化就反映了地层的构造形态。

电磁波反射脉冲信号的强度与界面反射系数以及穿透介质对电磁波吸收能力有关。设电磁波从媒质1垂直入射到媒质2,此时媒质界面的电磁波反射系数R 12可由下列关系式表示:

R 12=E r E i =(Γ2-Γ1)

(Γ2+Γ1)(2)　　式中E r 表示反射波电场强度;E i 表示入射波电场强度;Γi =(Λi Ευi )1 2,Ευi =Εi +i (Ρi Ξi ),Λ

、Ε、Ρ分别表示媒质的磁导率、介电常数和电导率,Ε

υi 为媒质的复介电常数(其中i 为虚部),Ξ=2Πf 是电磁波的角频率,下标i =1,2表示媒质1和媒质2。显然,反射系数与界面两侧的电磁性质及角频率有关,且随着电磁参数差别的增大而增大,反射波能量也随之增大。当介质为非磁性介质时,则

R 12=(Ευ1-Ευ2) (Ευ1+Ευ2)(3)　　

上式表明:电磁反射系数不仅与介质电导率Ρ有关,还与介质介电常数Ε有关。因此,探地雷达不仅可以探测与周围介质导电性差别较大的金属目标,还可以探测导电性差别较小但介电常数有一定差异的非金属目标。

3　探地雷达的应用实例分析

本次研究共选取3个典型实例进行探地雷达的应用分析。第1实例为探测某大楼各楼层过道垂直分层情况;第2实例为探测某工厂地下埋设的5个油罐的位置;第3实例为探测某浅水域水底起伏情况。由于第1实例的研究物结构及物质组成资料齐全,所以对其进行重点分析。

将仪器设备架设在某大楼第4层楼的过道上,分别采用400S 、100S 、100D 3种类型天线进行探测。它们的一些主要参数设定见表1。

表1　3种不同种类探测天线的主要参数

天线种类

频率(M H z )R ange (ns )R ange Gain (dB )Samp Scan B its Samp le Scans Second 400S

40060-622353959512832100S 100250-21142351218100D 100×2300-1-10715512168

3种不同种类天线探测同一地段所得的L ineScan 模式图像(图2)。图22a 幅上部约1mm 厚的间断黑色条带为水磨石层,中间的白色间断为镶嵌的金属装饰条,它的反射率特别高,故在图上显示为白色;下面的黑色条带为预制板层,预制板中间的小孔清晰可见;紧接在下面的一薄层白色条带为第一空气层,其下为吊顶用的石膏层,显示为黑色条带;这几层统称为第一板层。再往下依次为第二空气层、第二板层(包括水磨石层、楼板层、吊顶空气层和吊顶石膏层)、第三空气层及第三板层,但明显可见仪器已无法观察到第二、三板层的细部情况,说明即使是同一频率的探地雷达,随探测深度的增大,其分辨率也将降低,图中穿透第一、二空气层的垂向黑色条带,为建筑物的结构梁。还可以观察出图上的比例尺与实际地物的比例尺明显不同,空气层在图上显得薄了一点,主要是由于电磁波在空气中传播速度快,走时短

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3　　　　　　　　　　　　　　　　西　　北　　地　　质　　　　　　　　　　　　　　　2000年

图2　3种不同天线探测图像

a 1400S 天线探测的图像;

b 1100S 天线探测的图像;

c 1100D 天线探测的图像

造成,所以应对不同的地层分别计算其垂向厚度。图22b 幅只能大体观察到板层及隔断板层的金属条带,其下已非常模糊,但其双程走时比图22a 幅大许多,因而可以得出结论:探地雷达频率减小,探测深度增大,分辨率却同时降低。所以天线频率的选取就成为一个很重要的因素。图22c 幅已模糊不清,这说明发射、接收天线间距的选取对结果影响很大,应根据工程的实际需要和场地的具体情况通过实验和经验来选定[3]。

图3为某工厂地下埋设的5个油罐的L ineScan 模式探测图。从图32a 幅可以明显观察出5个顶点在同一水平线上的向下的并排抛物线,其下也有4个同样类型的抛物线。分析认为上面的5条抛物线为油罐的反射波图像,下面4个为油罐反射波叠加后形成的图像,所反应的是假性目标体,对其进行偏移处理后,消除了数据所有衍射带来的假信号,确定了5个油罐

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3第4期　　　　　　　　　　　　史江峰等:探地雷达应用的初步分析　　　　　　　　　　　　　

图3　某工厂地下埋设的5个油罐的L ineScan 模式探测图

a 1原始数据形成的探测图;

b 1经过偏移处理后的探测图

的准确位置,处理结果见图32b 幅。可见对原始数据反映出的信息应进行角度综合验证分析。以剔除干扰因素。

图4为某浅水域水底起伏情况的L ineScan 模式探测图。由于上覆水体电性均一,与周围地物电性差异明显,所以不对原始数据做任何处理,即可清楚地观察到水底的起伏情况

。

图4　某浅水域水底起伏情况探测图

4　结论

通过上面的分析,可以得出以下结论:

4　　　　　　　　　　　　　　　　西　　北　　地　　质　　　　　　　　　　　　　　　2000年

西　北　地　质

NO R THW EST ERN　GEOLO GY　　　　　　

V o l.33　N o.4

2000(Sum135)

　・岩土工程・

对高压消除黄土湿陷性的探讨

水伟厚,张靖宇

(西安建筑科技大学,西安　710055)

摘　要:湿陷性黄土具有很强的结构性,天然状态下处在欠压密状态。黄土湿陷变形的

特点是:变形量大、速率快而又不均匀,往往使建筑物发生严重变形甚至破坏。当湿陷

性黄土含水量较大时,压力便成为影响黄土湿陷性的一个主要因素。压力与黄土湿陷性

之间的变化关系如何?能否通过高压来消除湿陷性黄土的湿陷性?在土质差异较大时,

双线法试验的精度能否满足工程要求?本文通过理论分析及试验对这些问题进行了有

益的探索。

关键词:湿陷性黄土;湿陷系数;湿陷起始压力;变形差异系数;湿陷终止压力

中图分类号:TU444　　　文献标识码:A

1　概况

黄土是一种第四纪沉积物,具有一系列内部物质成分和外部形态的特点。我国有近60多

　　收稿日期:2000206210

作者简介:水伟厚(19752),男,1998年毕业于郑州工业大学土木工程学院,现在西安建筑科技大学攻读岩土工程硕士学位;张靖宇(19752),男,1998年毕业于长安大学地质工程系,现在西安

建筑科技大学攻读岩土工程硕士学位.

(1)目标物的电性和周围地物的电性差别愈大,探测效果越明显。

(2)在相同的环境条件下,频率越小,探测深度越大,分辨率相对降低。

(3)由于介电常数的不同,电磁波的传输速度也不同,各地物在图像上所反映的垂向比例尺并不代表实际地物的比例尺。

(4)应根据工程的实际需要和场地的具体情况通过实验和经验来选定发射天线、接收天线的间距,以得到较理想的效果。

(5)对原始数据做适当的滤波、偏移等处理,可以突出显示目的体的结构与位置,还可结合野外考察、钻孔资料对解译结果进行校验。

参考文献:

[1]王兴泰1工程与环境物探新方法新技术[M]1北京:地质出版社,19961

[2]李大心1探地雷达方法与应用[M]1北京:地质出版社,19941

[3]王水强,万明浩,谢雄耀等1不同地质雷达测量参数对数据采集效果的影响[J]1物探与化探,1999,

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