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地质雷达范文1
中图分类号：U45文献标识码： A
The Application of Geological Radar in Advance Geological
Forecast of ZhouWuShan tunnel
LU Jia-WeiGuo liu-jiang
(China Southwest Research Institute of china Railway Engineering Compay Limited,
Chendu 610031 China)
Abstract：This paper expounds the basic principle of geological radar on tunnel advanced prediction application. To Zhou Wushan tunnel project as an example, this paper introduces the geological radar line layout, as well as to the geological radar data processing. Construction suggestions are put forward according to the result of detection data graphic analysis, so as to guarantee the safety of tunnel construction.
Key words：geological radaradvance geological forecast tunnel tunnel face
伴随着我国基础建设的大发展，大量的公路铁路需要修建穿越山岭的隧道，超前地质预报由于其无损检测、精度较高、使用方便、自动成像等特点在隧道施工中得到了广泛的应用，成为保障隧道快速施工的最有力手段。在施工中对隧道掌子面开展超前地质预报工作，可为设计单位提供可靠的、更为详尽的不良地质资料，及时进行动态设计，信息化施工，避免重大施工地质灾害的发生，保证施工安全，减少人员伤亡和不必要的财产损失。本文结合周武山隧道实际工程，阐述了地质雷达在隧道超前预报应用中的基本原理以及使用方法，对引周武山隧道进口处进行地质雷达超前预报，以达到指导施工的目的。
1 地质雷达基本原理
探地雷达技术(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。其工作原理为：电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接收天线所接收，见图1。
图1 雷达工作原理及其基本组成
电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性中有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会形成电性介面，雷达信号传播到电性介面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间就可以推测地下介质的变化情况。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。
2 数据采集及处理
对于不同深度、不同岩性的探测目的层与目的物，在应用地质雷达检测时，需选择相应频率的天线和适当的仪器参数。当探测深度为20～30m时，一般选用频率相对较低的天线。
探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。由于地下介质相当于一个复杂滤波器，介质对波不同程度的吸收以及介质的不均匀性，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可变的图像。图像处理包括消除随机噪声压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目的体，降低背景噪声和余振影响。对数据文件进行了预处理、增益调整、滤波和成图等方法的处理。最终得到各测线的成果图，并据此进行探测对象的地质判释。
3 地质雷达在周武山隧道中的实际应用
3.1 工程地质概况
周武山隧道为分离式中隧道。该隧道为下坡隧道，左幅纵坡为-1.65%下坡，右幅纵坡为-1.60%下坡，隧道最大埋深约为145m。
（1）地层岩性
隧道开挖遇到的主要地层(自上而下)是：第四系杂填土（Qml）厚0.3～3.00m主要由建筑垃圾、碎块石及粘土组成，填筑时间长短不一，主要分布在原有建筑物区，拟建隧道进口段，耕植土（Qpd）、红粘土（Qel+dl），寒武系娄山关群（∈ls）强风化及中等风化白云岩。
（2）地质构造
隧道位于扬子准地台黔北台隆贵阳复杂构造变形区，贵阳向斜北端东翼。隧址区发育1条断层。地表斜向通过K29+478～K29+531处，与隧道轴线夹角为78°，该组断层为逆断层，南北向延伸，断层面倾向东，倾角一般50～70°，局部直立。地表调查及钻探岩芯显示，断层破碎带岩体呈呈砂状，颗粒状及碎块状，破碎带宽15～22.0m。
受断层及区域地质构造影响，隧址区岩层产状倾向120°～135°，倾角27°～33°。场地内岩体节理裂隙较发育，岩体破碎～较破碎。根据隧道区及其附近基岩露头，隧址区发育2组节理，第一组节理：产状19°～230°∠53°～70°，闭合，延伸长度大于20m，局部溶蚀痕迹。线密度3-5条/m。Ⅱ、第二组节理：产状280°～350°∠70°～85°，闭合，延伸长度大于10m，局部溶蚀痕迹。线密度1～3条/m。
（3）不良地质现象
隧址区岩体为碳酸盐岩，为可溶岩，在湿热多雨气候的影响下，易沿节理裂隙形成溶蚀洞隙，钻探揭示，隧址区溶洞主要以全充填、半充填或无充填的形式发育，在隧道临近溶洞及规模较大的溶蚀裂隙地段，围岩及节理裂隙中的土体易坍塌及地面塌陷，强降雨季节易发生岩溶突水、突泥，对工程及周边环境安全存在较大影响，隧道施工时应加强超前预报、探查工作。
隧址区有一条断层穿过，断层破碎带宽度较大，断层交汇地段，岩体节理裂隙发育～极发育，岩体破碎～极破碎，围岩稳定性差，可能出现突水、冒水情况，对工程及施工安全有潜在影响。
3.2 典型雷达图像分析
本隧道使用LATVIA生产的Zond-12eGPR地质雷达，采用天线频率为75MHz。采集与分析软件为同一软件包，与本探测仪器系统配套。
（1）测线布置
在周武山隧道出口右线YK29+675～YK29+645段现场布置2条测线。图2为探测里程为YK29+675～YK29+645掌子面素描图及测线布置示意图。掌子面岩体碎块状白云岩，岩体呈强～全风化状态，拱部右拱顶2m范围内风化严重，多呈全风化～散体状。节理裂隙发育，节理面夹黄色粘土，主要发育一组节理，节理产状及特征如下：J1节理81°∠74°节理间距约20cm,贯通掌子面。掌子面湿润，现场共布置了2条测线。
图2为掌子面素描图及测线布置示意图
(2)探测结果及分析
图3为地质雷达测试成果图，测线里程为YK29+675～YK29+645。YK29+675～YK29+655段（20米)本段岩性维持目前掌子面状况，岩体极为破碎，呈块状至散体状，岩体易掉块，甚至有发生坍塌的危险，短节理发育，岩体潮湿，建议围岩级别为Ⅴ级。YK29+655～YK29+645段（10米)本段岩体较上段稍好，但岩体仍以碎块状为主，局部岩体夹有粘土，短节理发育，稳定性差，地下水稍发育，岩体开挖后极易产生垮塌。建议围岩级别为Ⅴ级。
图3地质雷达测试成果图
该测段岩性中厚层浅灰白色白云岩，岩体呈强至全风化状态，岩体总体上较破碎，呈碎块状至散体结构，掌子面节理发育，建议开挖后及时做好进行初期支护；坚持“短进尺、强支护、勤量测”的原则组织施工，尽量减少对围岩的扰动，保护围岩的自承能力；在降雨频繁季节，加强洞室监控量测，及时反馈检测信息，建立健全隧道内的排水设施，提前对地下水进行引排疏导；隧道现场施工技术人员应多注意观察掌子面是否有异常变化，若有较大异常变化时，应及时通知预报单位，进一步查明隧道前方的地质情况。
4 结语
以地质雷达在周武山隧道超前地质预报中的应用实例，介绍了地质雷达在隧道超前地质预报中的应用，指导了隧道的施工，取得了较好的结果。地质雷达用于隧道施工中预报掌子面前方不良地质情况的判断，具有图像直观、对施工影响小的特点，由于地质条件具有复杂性，对地质雷达探测结果的反演具有多解性，为取得较好的预报效果，应结合地质构造、地层岩性的隧道掌子面地质素描分析，提高对地质雷达波形图的解译的准确性。同时应注重积累不良地质条件下各种介质雷达波形的典型特征。
参考文献
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地质雷达范文2
关键词：隧道 超前预报 地质雷达探测
探地雷达（GRP）又称地质雷达，是现代广泛用于测试地下介质分布的电磁技术之一，它主要是通过地下发射的高频宽带的电磁脉冲信号，然后根据回波信号的振幅、波形和频率等特征，利用地下介质的电磁特性的差异来分析和推断地下介质的结构特征的，具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强，无损等特征。目前探地雷达技术已经应用于如采矿工程、水利水电工程、地质工程和岩土工程勘察、建筑工程、桥梁道路、隧道工程、管线勘测、环境检测、考古等方面的行业中[1]。
1 地质雷达工作概述
1.1 地质雷达基本工作原理示意图 地质雷达与对控雷达在原理上是很相似的，他们都是基于地下介质的电性差异存在的，也都会向地下发射高频的电磁波，也都能够接收地下介质反射回来的电磁波，以此对他们进行处理、分析和解释的工程物探技术，两者的主要探测原理就是图1所表示的。
■
图1 地质雷达工作原理示意图
雷达脉冲波的行程方程为：t=■
式中：t为脉冲波走时（ns，lns=s）；z为反射体深度；x为发射机和接收机间的距离；v为雷达脉冲波速。
1.2 地质雷达基本工作方法 主要是通过隧道的掌子面发射天线的电磁波，把主频为数十兆至数百兆乃至数千兆赫的脉波送入隧道掘进方向，这样当在岩体传播过程中遇到不同的目标体的电性介面时，就会有部分的电磁能力被反射回到掌子面，在被接收天线接收时，就会主动生成记录，得到从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时t。当岩体介质的波速已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的位置和深度。这样，可对各测点进行快速、连续地探测，并根据反射波组的波形与强度特征，经过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过多条测线的探测，则可了解隧道掌子面目标体断面分布情况。
1.3 测线布置 在测试过程中，沿右壁向掌子面移动，一直沿着测线测量到左壁，左右两壁每次移动距离大概50厘米，掌子面每次移动距离大概20厘米。测线布置如（图2）。
1.4 资料的解释 地质雷达资料的地质解释基础是拾取反射层。由数据处理后的雷达图像，全面客观的分析各种雷达波组的特征（如波形、频率、强度等），尤其是反射波的波行及强度特征，通过同向轴的追踪，确定波组的地质意义，构造地质-地球物理解释模型，依据剖面解释获得整个测区的最终成果图。
雷达的解释步骤一般为：①反射层拾取。根据勘探孔和雷达图像对比分析，建立各种反射层的波组特征，而识别反射波组的标志为同向性、相似性和波形特征等。②时间剖面的解释。在充分掌握区域地质资料，了解测区所处的地质结构背景的基础上，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质结构特征，其中要重点研究特征波的同相轴的变化趋势。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波。同时还应分析时间剖面上的常见特殊波（如绕射波和断面波等），解释同相轴不连续带的原因等。通常可以将时间剖面特征分为四类，作为解译参考：a雷达反射波同相轴发生明显错动：一般为破碎带及大的风化裂缝含水带，两侧地层性质明显变化。b雷达反射波同相轴局部缺失：一般为地下裂缝、裂隙横向发育及岩体风化发育程度不同引起。c雷达波波形发生畸变：由于地下裂缝、不均匀体对于雷达波的电磁驰豫效应和吸收，造成雷达波畸变，崎变程度与裂隙及不均匀体的规模有关。d雷达波反射波频率变化：一般为岩体或土壤中成分含量及盐碱性质发生了变化。通常，地质雷达时间剖面上会出现多个特征剖面，这就需要解译人员的丰富的实践解译经验，以及参考多种因素综合考虑。
2 应用实例
2.1 探测结果和分析 某二级水电站西端1#、2#引水隧洞工程施工1#引水隧洞超前地质预报
引水隧洞洞号：引（1）洞 预报方法：地质雷达
仪器型号：SIR-20 天线频率：100MHz
掌子面桩号：引（1）1+345 预报范围：引（1）1+345～1+369
测量区域为T2z浅灰色中厚层大理岩，岩类为Ⅲ～Ⅳ类围岩，深埋偏压。由于隧道全长18千米，开挖高19米，宽17米，当隧道的开挖面较大的时候，坑隧道地质周围就会显得复杂，而且存在一定的深埋偏压，这就需要我们在编制施工组织设计的时候根据不同的岩段进行不同的施工方案，但是需要确定准确的地质情况的时候进行，如果是不同的勘探资料，就需要利用不同的地质雷达技术进行。当我们做好隧道掌子面的超前地质预报工作的时候，就需要在准确掌握掌子面数据后，才根据地质情况提供安全施工的决策依据。因此，我们在施工过程中，就需要准确掌握超前预报数据，然后根据雷达的预测，顺利通过隧道的深埋偏压地质破碎带和强风化岩层地带，以此来确保工程施工人员的安全。
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图3 掌子面素描图
图3为对现场所画处理后得的掌子面地质素描图。
图4为通过软件处理后得到的地质探测成果图像。
图5为对探测成果图象解释后得到的解释成果图。
2.2 实际开挖对比分析 ①掌子面前方引（1）1+345～352 段地质雷达无明显异常，引（1）1+352～369段存在异常，推断为裂隙发育，溶蚀，岩体较破碎，局部形成破碎带，含水，出水情况总体成分散状，局部较集中，估计总水量3～5L/S。②左壁引（1）1+325～1+345 段探测深度范围内裂隙发育，局部密集，岩体较破碎。③右壁引（1）1+325～1+333 段探测深度4～12m 范围内裂隙发育，局部密集；引（1）1+337～1+345 段探测深度范围内裂隙发育，岩体较破碎，含水。
开挖时BK1+357段有裂隙发育，有白色大理石填充，无渗水。在后半段的岩体质量逐渐因为增重而破裂。就需要根据预报的实际开挖的数据进行操作。引（1）1+352～369预报为裂隙发育，溶蚀，岩体较破碎，局部形成破碎带，含水，出水情况总体成分散状。开挖时，洞顶为一个长宽约为10×12米破碎带，在比较破碎的地方出现渗水，成线状分散。预报和实际开挖较吻合。
3 结论
①通过对某二级水电站辅助洞为研究对象，多次到辅助洞进行实地考察，这样才能在前期收集大量的勘察资料及现场测试资料等。并且根据辅助洞的超前地质为预报的主要研究对象，我们可以通过大量的现场测试的资料进行分析隧洞的施工情况的的统计数据成果，这样在地质雷达预报溶洞、断裂和裂隙时候，就会效果更佳，就可以作为超前短距离地质预报的首选。②由于地质雷达在探测过程中会受到如来自金属体及空气中的各种电磁波因素的干扰，这样就导致后期的数据受到影响，在数据处理解释上就会产生一定的影响。所以，为了避免探测过程中出现的这些因素的影响，就需要工作人员结合多方面的资料，对数据处理作出更为准确和有效的解释。
参考文献：
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地质雷达范文3
【关键词】PCA地质雷达数据KNN灾害分类
一、引言
随着能源行业和交通行业建设的力度的加大，近些年来，每一年修建的公路和铁路以及隧道多达八百公里，还有大量大型地下工程在修建。地下工程是施工高风险的工程，施工中充满了未知数，许多已经知道的、不清楚的、未知的地质灾害在等待着工程建设者。其中，施工中遇到突泥、突水是最危险的威胁，近几年，一些正在施工的隧道，特别是长隧道，施工时遇到突泥、突水，不仅大大延误工期，造成很大经济损失，而且有的隧道还造成多人的伤亡。虽然近十余年来人们研究和使用一些物探方法在地下工程施工时作掌子面前方地质预报，但预报地下水仍是个困难的问题，以至成为业界要求作为首要要解决的问题。探地雷达是目前隧道地质预报探水的最主要的手段，但是近几年的实践表明，其探查预报地下水的成功率不高。经调查，资料解释的理论和实践未为大多数工作人员所了解和掌握是主要原因之一。而随着计算机技术的发展，模式识别渐渐走入我们的视野，通过运行模式识别程序自动甄别地质雷达数据中的灾害部分成为我们研究的重点方向。
本文依托中国矿业大学（北京）杨峰教授研发的GR地质雷达设备进行数据采集采集的数据作为样本进行分类研究。
二、预处理算法
由于采集到得雷达剖面数据单道维数达到2048维，直接使用kNN算法存在计算速度过慢和错误率较高的问题，我们需要对雷达数据进行预处理。目前主流的预处理算法主要有PCA算法和LDA算法。
2.1主成分分析算法（pca）
主成分分析算法即Principal Component Analysis算法简称PCA是一种常用的机遇变量协方差矩阵对数据进行处理，压缩和抽取的有效方法。他是Jolliffe在1986年提出的一种分类算法。从线形代数的角度来看，PCA的目标就是使用另一组基去重新描述得到的数据空间。而新的基要能尽量揭示原有的数据间的关系。在地质雷达数据处理中，单道数据在灾害处的特征最重要的。这个维度即最重要的“主元”。PCA的目标就是找到这样的“主元”，最大程度的去除冗余和噪音的干扰。本质上讲PCA算法计算了一种线性变换L，它能把训练集的输入投影到样本集方差最大化的子空间中去。输入投影的方差用协方差矩阵表示为：
上述方程存在一个封闭的解。如果L是一个矩阵，那么线性变换把输入数据投影到一个低维度的子空间中。如果L是一个方阵那么线性变换并不能把输入数据降维，但是它还是可以通过各样本的方差来旋转或者重定位输入数据的坐标。
PCA算法是一种非监督学习算法，他不需要在建立投影矩阵时输入训练集的已知分类信息。不过，PCA作为KNN算法的预处理算法时仍有较为显著地作用。例如，PCA可以作为数据降噪处理算法，通过投影出主要成分的特征向量可以明显的降低kNN分类器的错误率。PCA算法还能够用来在大数据集处理中加速KNN的计算过程。总之，通过降低输入样本维数或者重排坐标作为线性预处理的PCA算能能够显著地降低计算量。
2.2线性判别式分析（LDA）
表示第c类的样本均值。线性变换矩阵L定义了一个投影矩阵，使得它能够最大化类间方差同类内方差的比值。这个最优化过程定义方程为：
容易知道上述方程存在封闭解。
LDA算法作为一种模式分类器的预处理算法而被广泛应用。不同于PCA，LDA算法时一种监督学习算法，他使用先验的类信息作为生成投影矩阵的附加信息。我们知道投影矩阵L是基于二阶统计，它们能够在类的条件概率是多元高斯条件下取得较好的分类效果，但是当条件不满足时LDA算法可能会产生错误的解，所以并不适合kNN算法。
三、分类器算法（kNN）
K最近邻（k-Nearest Neighbor，KNN）分类算法，是一个理论上比较成熟的方法。该方法的思路是：如果一个样本在特征空间中的k个最相似（即特征空间中最邻近）的样本中的大多数属于某一个类别，则该样本也属于这个类别。KNN算法中，所选择的邻居都是已经正确分类的对象。该方法在定类决策上只依据最邻近的一个或者几个样本的类别来决定待分样本所属的类别。KNN方法虽然从原理上也依赖于极限定理，但在类别决策时，只与极少量的相邻样本有关。由于KNN方法主要靠周围有限的邻近的样本，而不是靠判别类域的方法来确定所属类别的，因此对于类域的交叉或重叠较多的待分样本集来说，KNN方法较其他方法更为适合。
如下图中所示右图中，绿色圆要被决定赋予哪个类，是红色三角形还是蓝色正方形？如果K=3，由于红色三角形所占比例为2/3，绿色圆将被赋予红色三角形类，如果K=5，由于蓝色四方形比例为3/5，因此绿色圆被赋予蓝色四方形类。
kNN的决策过程：
（1）准备数据，对数据进行预处理；
（2）选用合适的数据结构存储训练数据和测试元组；
（3）设定参数，如k；
（4）维护一个大小为k的的按距离由大到小的优先级队列，用于存储最近邻训练元组。随机从训练元组中选取k个元组作为初始的最近邻元组，分别计算测试元组到这k个元组的距离，将训练元组标号和距离存入优先级队列；
（5）遍历训练元组集，计算当前训练元组与测试元组的距离，将所得距离L与优先级队列中的最大距离Lmax进行比较。若L≥Lmax，则舍弃该元组，遍历下一个元组。若L < Lmax，删除优先级队列中最大距离的元组，将当前训练元组存入优先级队列。
（6）遍历完毕，计算优先级队列中k个元组的多数类，并将其作为测试元组的类别。
四、雷达数据处理中的pca+knn算法
在雷达数据处理中，我们取单道剖面数据作为训练样本，维数约为2048维。由于样本维数较大，直接使用kNN算法在性能上存在瓶颈，所以在knn算法处理之前先使用PCA算法取出雷达样本中的主成分来进行数据降维，而后再用kNN算法进行数据分类。
具体的步骤为：
（1）对数据进行PCA降维处理；
（2）取出雷达数据测试集中未被分类的一个样本，遍历计算它同样本集中各向量的欧几里得距离并排序，取最小的K个向量确定该样本的类别；
（3）如果测试集中还有未被分类样本则返回2，若没有则程序结束。
五、总结
在计算机技术迅猛发展的今天，传统的半人工地质灾害分类方法已经过时。而新兴的模式分类技术逐渐成熟，成为我们进行灾害分类的主要方法。本文将PCA和kNN算法引入与地质灾害分类领域中，在实验数据样本类别较为平衡的情况下取得了较好的效果。
参考文献
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地质雷达范文4
【关键词】地质雷达；岩溶地质勘察；工作原理分析；电磁波特征分析
前言
岩溶地区的地质勘察工作有其特殊性，勘察的目的是为设计和施工提供工程地质依据， 是保证岩土工程质量的重要因素。特别是对地下隐伏地形分布情况的勘察， 如位置、范围、分布、深度等， 为工程的顺利进行提供了可靠的地质资料。结合不同工程地质条件， 选择适宜的勘察方法， 也是物探工作的基本原则之一。岩溶地形勘察的常规物探方法有直流电法、瞬变电磁、地质雷达等， 其中， 地质雷达方法能够对地下介质电性、完整性、含水性等特征的差异， 做出敏感反应， 且具有采集方便， 速度快， 易于调整， 适应性强， 对工作条件要求不高， 有较强的普适性等特点， 因此更适用于岩溶地形勘察。作者在本文中， 主要从岩溶地区电磁波反应特征的角度， 来介绍岩溶地形的地质雷达勘察技术。
1 工作原理与方法
地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术，其利用一个天线向地下发射无载波电磁脉冲，另一天线接收由地下不同介质界面的反射回波。高频电磁波在介质中传播时， 其路径、电磁场强度和波形， 将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化， 故通过对时域波形的采集、处理和分析， 可确定地下界面或目标体的空间位置及结构。地质雷达的探测原理与浅层地震相似， 在探测过程中， 它通过发射天线， 将高频电磁波（ 10MHz～1GHz） ， 以宽频带脉冲形式定向送入地下。电磁波在地下介质传播的过程中， 当遇到存在电性差异的地下地层或目标体时， 便会发生反射并返回地面， 被接收天线所接收。
地质雷达测量方法有剖面法、宽角法等， 通常采用剖面法， 即发射天线和接收天线以固定间距，沿测线同步移动的一种测量方式， 每个发射周期获得一个记录， 见图1。在一条测线测量完成后， 多次记录可用时间剖面图像来表示。图1横坐标记录了天线的移动位置， 纵坐标表示反射波的双程旅行时间。鉴于岩溶地形的复杂性， 多采用点测的工作方式， 测点点距的确定取决于天线的中心频率与地下介质的性质。一般来说， 在频率较低， 介质介电常数较小的情况下， 可适当增加点距， 大致为介质子波波长的四分之一。时窗的选择受测深和波速的影响， 考虑到速度和目标埋深的变化， 一般根据时窗大小适当增加其值（一般增大30% ），以避免溢出。中心频率和采样率， 关系到探测的精度和测距的大小， 可根据具体探测目标的埋深及性质来设定， 一般应在工作前通过测试来确定。此外， 考虑岩溶地形的发育特征和对电磁波的吸收能力， 可在测试时进行重复测量和适当改变天线的排列方式。
2 岩溶地形下电磁波反应特征
在不同工程地质条件下， 电磁波传播的反应特征各不相同。岩溶地形下的电磁波传播， 往往呈现出较强的差异性和不规则性， 在进行岩溶勘察时，需充分了解电磁波的反应特征， 包括电磁波的衰减、速度、距离特征， 以及交界面反射、介质含水量特征和波形的曲线特征等。
2.1 衰减特征
由于岩溶地区地质条件非常复杂， 地下地形千姿百态， 因此其衰减特征也特别明显。高频电磁波的传播可以用一组麦克斯韦方程来表示， 考虑到高频电磁波在地下有耗介质中传播时电能损失，介电弛豫特性， 以及磁导效应对电磁波能量衰减的影响， 考虑用德贝尔函数表示衰减因子：
（1）
（2）
（3）
（4）
（ ） （5）
其中 E 为电场强度矢量； B 为磁场强度矢量； D为位移电流矢量； H 为磁场密度矢量； 为电流密度矢量（无源时 = 0） ； 为衰减函数， 类似于黏弹性介质中的响应函数； 为真空中的介电常数（ = 8.85×10- 12 F·m- 1 ） ； 为高频条件下相对介电常数； 为低频条件下的相对介电常数； σ为电导率； 为磁衰减函数； 为真空中的导磁率； 为高频下的导磁率； 为松弛时间； L 为衰减函数的总个数。
可以看出， 影响电磁波传播的参数包括介质的导磁率、电导率、介电常数、松弛时间等， 由于对电磁波来说， 地下介质属于有耗介质， 这些参数影响着电磁波的能量、走时和形态。
在岩溶地区， 由于介质的电磁特性变化较大，电磁波的衰减特性很难进行量化， 对于介质磁性和导电性较差的地区而言， 电磁波的衰减速率大致随电导率和导磁率的增大而增加， 随介电常数的增大而减小， 电磁波的吸收特性可近似描述为：
（6）
其中β为吸收系数， 它能够反应电磁场强度在传播过程中的衰减速率。
在理想条件下， 通过对介质相对介电常数、电导率、导磁率等参数的确定， 能够大致推断出电磁波在介质中的衰减特征。
2. 2 速度与距离特征
由电磁波的传播特性可知：
（7）
其中 为相位系数， 即单位距离波的弧度； λ为波长； 为电磁波的频率； ω为角频率。由此得到：
υ=ω/α （8）
可以看出， 相位系数是决定电磁波速大小的因素， 而相位系数受介质电导率和介电常数影响， 而且受影响的程度随着频率的变化而有差异。对于介质磁性和导电性较差的地区而言， 电磁波的传播速度可近似表示为：
υ=c/ （9）
其中 c为电磁波在真空中的传播速度； ε为相对介电常数； μ为介质的相对磁导率， 其值一般取1。
在进行结构层厚度和地质体埋深的勘察中， 需要了解地下结构层的介电常数， 可通过雷达反射波幅来进行推导。确定方法如下： 反射面上层下层材料的介电常数， 与界面的反射系数R 之间存在一定关系：
（10）
式中 、 分别为上层和下层的介电常数； 是上层反射系数， 它是反射波幅A 与全反射波幅Am 的比； 〔 〕是上一层在反射过程的能量损失。当表层面反射时， 上层空气的介电常数1， 忽略反射层能量损失， 依次类推， 可求出不同层的介电常数。
电磁波在地下介质传播的过程中， 当遇到不同的结构层或地质体时， 部份能量发生折射， 其余能量发生反射并返回地面。由于电磁波在各不同介质中的传播速度V不同， 根据发射器和接收器所接收的反射波信息， 可获得雷达脉冲在地下传播过程中的双程旅行时间T ， 于是有式（ 11）， 并由此来推算地层厚度或埋深信息。
（11）
2.3 交界面反射特征
利用地质雷达探明溶洞或地层交界面的基本原理， 是利用交界面对高频电磁波反射信号的影响来判定。界面介质的异常， 往往会导致反射电磁波的波形异常（如强反射、夹层反射和绕射等） ， 由此便能够判断出交界面地质体的性质、大小和分布情况。
在检测时， 当电磁波垂直入射时， 反射系数R和折射系数T 可以用式（ 12）来表示。
（12）
式中 、 分别为上、下介质的介电常数。一旦结构层出现变化或遇到空洞和裂隙等， 便会出现明显的异常特征反射， 并反映在雷达资料上。
2.4 含水量特征
覆盖层和结构层的含水量特征， 是判断岩溶地形发育状况的重要因素， 也是电磁波图像识别的重要辅助手段， 可根据介电常数与含水量之间的关系测得该层的含水量。设 、 、 、 分别为水、固体、结构层和空气的密度， 、 、V、 分别是水、固体颗粒、结构层和空气的体积， 、 、 分别为水、固体颗粒和基层的容重（忽略空气容重），则有：
其中， 固体颗粒的干密度 为测定值， 那么， 结构层含水量取决于水的体积百分比N 1。此时， 便可以按照前面所述的， 利用地质雷达的方法来测含水量的基本原理， 根据介电常数与含水体积之间的关系， 可以测得该层的含水量。
2.5 曲线特征
岩溶地形由于其表面的复杂性和发育的不规则性， 且对电磁波吸收能力较强， 往往会对雷达的成像效果产生较大影响。加之偶极子源的辐射场是一种球面波， 在接收器接受电磁波的过程中， 会受到不同程度干扰波的影响， 致使岩溶地形雷达波曲线往往具有干扰多、衰减快、特征弱的特点， 为雷达波的图像特征识别增加了难度。因此， 在进行岩溶地形电磁波曲线特征识别时， 应最大限度地了解数据的采集环境与地质条件， 熟悉各种岩溶地形的成像特征以及电磁波的反射特征。
一般来说， 地下不同介质的介电常数差别较大， 会导致反射能量迅速增加， 交界面图像反射特征明显， 在局部或某方向范围内成像有较大差异。
如果不同介质的分界面比较光滑和规则， 则反射波走时比较稳定， 在图像上会形成一道细密的波形；如果介质表面很复杂， 特别是在裂隙和破碎带， 波形会变得很杂乱， 受反射延迟的影响， 反射波范围较大， 交界面特征不明显。
在电磁波传播过程中， 如果遇到裂隙、断裂破碎带， 特别是充水溶蚀破碎带， 波形往往会发生突变， 边界反射信号明显， 反射波同向轴位置发生错动， 而且由于地层破碎， 使断裂带内部对电磁波的吸收增强， 内部反射波强度会减弱。如果地下裂缝、裂隙沿横向发展、发育， 那么由于其对雷达反射波的吸收和衰减作用， 往往使得在裂缝、裂隙的发育位置造成可连续追踪对比的雷达反射波同相轴局部缺失， 而缺失的范围与地下裂缝、裂隙的横向发育范围及大小有关。
由于溶洞与周围介质物性差异明显， 容易在边界形成反射， 且反射形状能够大致反映溶洞的位置和大小， 充填型溶洞往往边界反射非常明显。溶洞内部反射特征与内部充填介质的类型、规则性和均匀性有关：
如果填充物比较单一或填充物较集中，则内部会表现出反射信号弱或反射信号被吸收的特征； 如果内部空间表面起伏较大、连续性不好， 则会引起多次反射和绕射， 形成多次波或绕射波。
断裂破碎带、溶蚀裂隙、裂缝等对电磁波的吸收作用很强， 往往会使反射波能量的衰减在时间剖面上表现明显， 这是判断上层构造发育的重要依据。此外， 在勘察过程中， 电磁波会受地表溶沟溶槽、地形突变、覆盖物、出露灰岩， 以及地下隐伏不规则体的影响， 出现不同类型的干扰波。根据干扰介质、干扰类型、中心频率或采样率的不同， 这些干扰波往往会导致电磁波曲线呈现出倾斜线形， 上下错动形，“V”形或“X”形震荡反应， 这些主要体现在振幅和同向轴的变化上。干扰的识别和判断一方面是依靠勘察人员的工程经验， 而在更大程度上是依靠对勘查区地质情况的深入了解和分析。
地质雷达范文5
关键词：地质雷达；高频电磁波；背景噪声；介电常数
1.前言
青岛市重庆路快速路改造工程是青岛市建国以来投资建设规模最大、投资最高的城建项目。为了给工程设计提供可靠依据，须对工程沿线及相交路口现状地下管线进行探查。重庆路为南北走向，在道路东西两侧，布设着4条自来水管线，材质为砼，埋深在1.5米左右，埋设在第四系的砂土和粘土中，由于上述管线材质决定了与周围地层密度、湿度的不同，存在明显的物性差异，具备了开展地球物理工作的前提。
2. 地球物理特征
本次雷达探测的目标管线体，一般埋深比较浅，深度在0.6m～2.0m之间。管线周围介质为回填土、沙土和粘土等，管道上方铺有压实路面结构层，如三合土、混凝土、沥青路面、方砖等，需要探测的管线一般管径为1.0m～2m，管线内的介质为液体、气体等，管线体主要为砼和铸铁，所以从表1中能得出目标管线体与周围介质的介电常数有明显的差异。
表1探测场地地下介质介电常数一览表
本次工程采用的仪器为美国产SIR-20型地质雷达，中心频率270MH天线。资料的内业处理解释工作使用地质雷达RADAN6.0版本进行数据处理。
3.工作方法原理
地质雷达是一种使用高频电磁波探测地下介质分布的非破坏性探测仪器。它通过剖面扫描的方式获得地下剖面的扫描图像。雷达通过在地面上移动的发射天线向地下发射高频电磁波，在地下旅行的电磁波遇到不同的电性界面时，就会发生反射、透射和折射。电介质间的电性差异越大，反射回波能量也越大。反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确地记录下反射回波到达的时间、相位、振幅、波长等特征，再通过信号叠加放大、滤波降噪、图像合成等数据加工处理手段，形成地下剖面的扫描图像。通过对雷达图像的判读，便可得到地下目标物的分布位置和状态。本次探测工作采用GPR反射波剖面法，采用连续测量方式，介电常数取为15。探测时采用中心频率为270MHz的天线，滤波为70～700MHz。
4.地质雷达资料的处理方法及解释成果
在地质雷达资料解释时，首先在计算机上采用地质雷达处理软件对外业采集的原始数据进行有效的各项校正。消除了地形起伏变化对单道记录的影响和各种干扰杂波，恢复了由于球面扩散，地下介质不均匀性(如砼管、金属管、等)的吸收和衰减造成的能量损失，压制了雷达子波，地下界面噪声及各种干扰因素，增强了有用反射信号，提高了分辨能力。从而获得有效的地下介质(界面)的反射波信号，真实地反映了地下管线的赋存状态及分布。
雷达探测资料解释包括两方面的内容：一为数据处理，二为图像解释。地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对电磁波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲波到达接收天线时，波幅被减小，波形变得与原始发射波形有较大的差别。另外，不同程度的各种随即噪声和干扰波，也歪曲了实测数据。因此，必须对接收的信号实施适当的处理，以改善数据资料，为进一步解释提供清晰可辨的图像。
电磁波与弹性波在介质中传播存在本质的差异，只是电磁波的动力学特征（反射、折射及绕射等）与弹性波相似，这就导致了地震数据处理技术应用到探地雷达数据处理时所表现出的局限性和不准确性。本次工作中意识到这一点，所以，在野外获得准确的原始图像的基础上，只针对具体的雷达图像做了相应的处理。如在地下介质均匀的地段，做了偏移处理，是双曲线两叶上的能量回归到顶点还是那个；有的做了反摺积，消除了天线的瞬变和多次反射，提高了数据的垂向分辨能力；有的只做了水平滤波处理，以便消除背景噪声等；经处理后的雷达图像，清晰可辨。
雷达图像解释的第一步是识别异常，然后进行地质解释，对于异常的识别在很大程度上基于地质雷达图像的正演结果。对于管线的标准异常特征是：顶部附近出现双曲线型绕射波。其水平定位是取异常的中心，埋深估算是取最上面异常的顶点的双程时。
5.管线地质雷达探测资料解释
本次管线地质雷达探测的剖面均布置在该测区的重庆中路段的东西两侧，剖面由南至北依次布置。
9#剖面：在地质雷达剖面的2.28m处，深度0.90m处；4.40m处，深度0.90m处发现异常，确定为目标管线。
9#剖面雷达影像图
6.结论
本次雷达探测，共完成32条雷达剖面（重庆中路西侧20条，东侧12条），对63处地下管线进行准确定位，取得了良好的探测效果，达到了预期的目的。
参考文献
[1]李大心. 探地雷达方法与应用[M ]. 北京: 地质出版社, 1994
地质雷达范文6
[关键词]城市道路检测；MALA地质雷达；应用价值
城市化迅速发展背景下，由于城市道路的建设需求大，使用的要求也不断提高，保障城市道路的建设质量就成为比较关键的因素。城市道路施工工艺以及车辆碾压和材料应用等相应的因素，都会对城市道路质量产生影响，造成各种病害发生，这对居民日常出行也会造成直接影响，所以在对城市道路检测工作的开展方面是比较重要的，只有运用科学的检测技术，才能有助于提高道路检测的质量，为实际检测工作的顺利开展打下坚实基础。
1.城市道路缺陷状况以及常见检测方法
1.1城市道路缺陷状况
城市道路的缺陷问题原因是多方面的，交通负荷量过大，使得交通拥挤堵塞，对路面结构会形成很大的破坏，城市化发展背景下，保障城市道路的质量安全愈来愈重要，为能有效提升道路的建设质量，要对道路缺陷的发生原因进行了解，从而才能有助于在预防方面针对性实施[1]。城市道路的缺陷类型多样，而出现缺陷的问题也是多样的，路基的不密实的缺陷问题是比较重要的缺陷类型，主要是路基开挖和施工时候，机械扰动以及生产质量没有得到有效控制，造成了扰动，这就造成大范围地层发生松散以及塌陷的问题。再者，顶部脱空的问题也是比较常见的，这一缺陷问题主要是地下工程施工扰动所致，或者是路基在压实的时候存在局部不均匀沉降造成，对这一缺陷问题要充分重视，避免受到该因素影响对道路的质量产生很大程度的威胁。另外，道路塌陷的缺陷问题，主要是地表路基以下的岩土体在单独自然以及人为或是两者作用下结构产生陷落，在地面形成塌陷坑，这一缺陷问题对人身安全也会造成很大程度威胁。
1.2城市道路缺陷常见检测方法
为能保障城市道路的安全，这就需要在对道路的缺陷检测过程中能加强方法的科学化选择，只有在选择合适的检测方法基础上，才能真正为城市道路检测的质量控制打下基础[2]。道路的检测采用无损检测的方式是比较关键的，这也是首选的检测方式，无损检测的方法中有电法以及磁法等检测的技术，但这些检测技术的应用都有着各自的优势和不足。如以下常用的道路缺陷检测方法的应用：
1.2.1电法常用检测方法城市道路缺陷检测的过程中，选择无损检测采用电法检测的技术是比较常见的，这一检测技术的应用能有助于获得精细的大尺度城市内部隐伏缺陷，像是结构以及断层产状等都能进行有效检测。施工效率比较更好，二次观测以及对低阻体比较灵敏，现场布置也比较迅速，能结合具体的需要通过多种电极布设的方式，二次开发软件相对比较常数[3]。这一检测的方法有不同的类型，如高密度电法以及电阻率层析法等。但该检测技术在实际应用中也有着一些不足，主要体现在观测的结果过多造成故障率增大，研究提存在尺寸效应相应问题。
1.2.2磁法常用检测方法城市道路检测中采用磁法的方式也是比较常用的，通过这一检测方法的应用，主要的优势就是能粗略了解深部的地质结构特征，尤其是大尺度的断裂识别能发挥积极作用，能对确定城市地质区块便捷，以及识别城市内大型大构造等发挥积极作用。该检测方法也有着不同的技术类型，如EH4电磁法以及（CSAMT）、MT大地电磁法等等，这一检测技术的应用也存在着一些不足之处，主要体现在浅部地质结构特征以及小规模构造分别能力差上，检测的精度有限[4]。
2.MALA地质雷达在城市道路检测中应用原理及实践
2.1MALA地质雷达应用原理
城市道路的检测过程中对MALA地质雷达的应用，是按照相应技术原理开展的，MALA地质雷达应用中是向地下勘探的目标进行发射高频脉冲电磁，进行探测目标体，这样在电磁波介质中传播的时候，路径和电磁场强度等受到介质电性性质和几何形态的因素影响，接收到的介质界面反射波的幅度以及旅行时间等结合之下进行分析介质结构[5]。电磁波传播和介质电性之间有着紧密的联系，介质电性有电导率μ以及介电常数ε，电导率μ影响电磁波穿透深度，介电常数ε对物体中传播的速度产生影响，电性界面是电磁波传播速度界面，不同地质体的电性是不同的，不同电性地质体分界面会有不同回波，通过下图1能够对MALA地质雷达的应用工作原理进行了解。MALA地质雷达的应用过程中在雷达天线的作用下，能对隐蔽目标全断面扫描，获得垂直二维剖面图像，工作过程中系统在天线的作用下向地下发射电磁波，信号在介质内部传播，遇到介电差异大的介质界面发生反射，以及折射等。两种介质的介电常数差异通常是比较大的，反射电磁波能量大，反射会的电磁波被和发射天线同步移动接收天线接收，雷达主机进行精确记录反射回的电磁波运动特征[6]。采用信号技术进行处理，这样才能有助于形成全断面扫描图，在这一图的基础上工作人员能对雷达图像判读，能对地下的目标物状况进行进行了解，对道路的状况能进行相应的了解。
2.2MALA地质雷达在城市道路检测中的应用实践
城市道路检测工作的开展过程中，要注重在应用MALA地质雷达的时候能够做到科学合理，严格按照技术应用的要求进行落实，从整体上保障MALA地质雷达的应用质量，从以下应用实践方面加强重视：
2.2.1注重布线测量工作的实施城市道路检测过程中采用MALA地质雷达进行检测，在前期的准备工作要完善，能够保障现场的布线测量工作和实际工作的要求相适应，从而才能真正为后续的各项工作开展打下坚实基础。布线测量工作的实施中，对于现场探测范围要明确，探测区域覆盖现场的隐患以及探测的深度等要明确，结合拟建的标段工程特征以及相应的管控对象岩土工程特征，进行针对性布置，在布置的时候按照最小工作量达到最佳管控的效果目标开展。地质雷达法的应布置用通常结合异常点类型以及空间位置，通过井字型布置原则进行落实，纵横分布两条测线，将管控探测的各项工作进行完善，原则上布置四条测线，月入过是由于环境条件以及工程需要，测线布置要能结合现场的状况做好相应调整，只有在布线测量工作方面加强质量控制，才能为后续的正式检测以及成果的精确获得打下基础。
2.2.2注重探测成果的有效处理MALA地质雷达在道路检测中应用的时候，要注重在成果的处理分析环节加强质量有效控制，如在原始数据的处理环节是比较关键的点，保障这一环节的处理质量效果，才能有助于为道路的检测结果的准确获得打下基础。原始数据的处理需要应用Reflexw软件，能有助于就采集数据高效处理，在处理的时候要注重按照相应的操作步骤实施，去直流漂移，以及信号深部振幅常数偏移，然后进行静校正切除，找到时间零点，增益操作过程中主要是就图像深部信号放大处理[7]。然后水平噪声去除，将水平信号去除，对于有直达波信号和固定源干扰要注重将其调整成一致的信号，设置100值，之越小水平信号去除的效果就越好。整体平均去除水平信号能力弱。然后要注重采用巴托沃斯带通滤波的操作方式，去除整个信号频段范围没有用的频段信号，高截频以及低截频选择，做好噪音的消除工作。通过在检测的成果处理环节保障其质量，就能有助于从整体上提高道路检测中MALA地质雷达应用的效果，从整体上提升道路检测的质量水平。
2.2.3MALA地质雷达应用案例为能够说明MALA地质雷达在道路检测当中的应用效果，通过MALA地质雷达的应用案例的效果进行说明。某交通道路施工中，路面发现有明显沉降的缺陷，需要物探测量对沉降原因做好相应分析工作，并能准确判断。现场发生沉降位置是在车道的中间，只能是通过平行于车道布线的方式，采用MALA地质雷达的方式，天线频率250MHz，足底探测的深度在十米左右，检测的时候按照车道方向发生地面沉降位置水平进行布置等间距四条测线，测线长度每个二十米，结合现场测得的数据进行处理，通过相应的处理效果图能发现，距离起点15m的前后有长度5m异常区域，这一区域电磁波的反射信号值是最多的，呈现近似水平带状的分布，有多次反射信号，能够推断是地下脱空。钻孔验证是存在空洞问题，然后最终采用灌浆处理的方式进行应对。
3.结语
