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地质雷达
发布时间:2014年 02月 19日

地质雷达(又称探地雷达,Ground PenetratingRadar,简称GPR)是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁法,为20世纪80年代发展起来的一种电磁探测技术。地质雷达系统地、高度地集中了现代高新科技领域的最新成就,是近半个世纪科技发展的结晶。地质雷达以其经济、快捷而直观的特点,获得浅部地球物理界的一致推崇,成为浅部地球物理勘探最主要的工具之一。

由于地质雷达具有高速采样、高分辨率、高精度、无损等优点,已广泛应用于环境和工程、地球物理勘探领域的各个方面。美国、加拿大等发达国家进行了地质雷达在公路质量检测中大量的应用研究,使地质雷达成为公路路面厚度检测的一种常规方法。通过这些研究,已使地质雷达逐渐取代目前常用的对路面具有破坏作用的钻孔取芯或挖坑法,而成为常规路面层的检测方法。从目前的地质雷达发展现状来看,利用地质雷达确定路面层的厚度已较为成熟,而对路面层的含水量、压实度和强度等的检测尚待进一步的研究。我国在20世纪90年代初开始引进地质雷达技术,并很快普及使用,但主要用于公路面层厚度的检测。

地质雷达设备价格昂贵,仅用于检测路面厚度一项指标,经济效益没有得到充分的发挥。地质雷达的应用不能仅仅满足于目前的结构层厚度及公路病害如孔洞、破损的检测,更重要的是对公路结构内在质量上的数据的分析整理,如强度标定、材料计量标定。这是地质雷达长期发展的方向。

目前地质雷达急需解决的工程问题有:结构层厚度、测损等物理指标;路基快速测湿;材料密实度;混凝土抗折、抗压强度等力学指标。

测厚主要是通过收发一体的高频天线,向结构层发射电磁波,天线可悬在车上,和结构层不接触,以60km/h的速度进行检测,通过求出传播时间和速度得出结构层厚度。测损方法和测厚的方法是一样的,原理是电磁波遇到破损点时,传播时间、频率发生改变,进而分析求得缺陷点的形状、大小及成因。

测湿方法20世纪90年代在国外已开始使用,电磁波是一种微波,水对微波功率的损失要比其它物质引起的功率损失大的多,也就是说,微波在含有水分的介质中的能量损耗主要是由于水分引起的,所以,利用电磁波传播过程中能量损失来测量水的含量。材料密实度的测量通常使用反射系数法,波能在介质中损失愈大时,则介质的介电常数愈大,同样,当材料介质愈疏松,则介电常数愈小,电磁波的反射系数愈大,根据反射系数推断材料的密实度。在测混凝土强度方面,我省公路设计院张振利工程师和协作单位共同进行了初步研究。原理是通过大量的试验,总结出混凝土强度和电磁波能量、振幅、频率之间的关系曲线,求得相关公式。完成了这方面的室内物理模拟实验,并在依勃公路上进行了实地路面研究和应用,形成了利用地质雷达进行路面检测的理论并开发了相关App。为国内外同行提供了相应的理论基础,这种方法需要进一步的印证和发展。目前需建立一个经雷达测试采集出的数据(材料的物理量)与材料强度之间的数学模型,此模型的参数应适用于不同结构、不同材料的公路路面类型,这个工作量相当大,而且难度也非常大。

以上五个研究方面除测厚、测缺两种方法比较成熟外,其它方法还需花费大量的时间去研究,尤其是路基压实度的检测还没有人研究过。

如果地质雷达研制成功,则可以预见:在建的公路上汽车悬挂着地质雷达以40~60km/h的速度进行检测,路基的含水量、压实度、路面的抗折强度自动地记录在计算机里,同时自动生成彩色的路基路面的压实度剖面、含水量剖面、抗折强度剖面,并自动地指出检测不合格点位置和显示出相关数据。

地质雷达作为一种重要的环境地球物理探测方法,研究高频电磁波在地下介质中的传播、反射和绕射等波动现象和规律,能提供近地表介质特性和结构的高分辨率信息。十多年来,地质雷达在地质、环境、水文、灾害、工程和考古等领域得到了广泛应用。

研究表明,在高频和低电导率条件下,介质中位移电流占主导地位,传导电流可忽略不计。此时,声波方程可以近似地代替电磁波方程(B.Ursin,1983)。十多年来,地质雷达的应用几乎都是在假设传导电流忽略不计的条件下进行的。因此,石油地震勘探中发展起来的一系列数据处理方法都直接应用于地质雷达资料的处理,特别是由声波方程推导出的偏移处理方法。Lee等将单程声波方程的有限差分法,Fisher等将分裂傅立叶偏移法(E.Fisher等,1992)应用于单偏移距数据的偏移处理。Fisher等将逆时偏移法应用于多偏移数据叠后剖面的偏移处理(E.Fisher等,1992)。邓世坤等用克希霍夫偏移方法(邓世坤等,1993),Grasmuck用相移法(M.Grasmuck,1996)对共偏移距地质雷达数据作了偏移。Lehmann等(F.Lehmann等,2000)则将克希霍夫积分偏移方法应用于起伏地表接收到的共偏移距数据的波场外推中。所有这些偏移方法都是由声波方程推导出来的,而并非电磁波方程。

然而,在地质雷达的许多实际应用中人们发现,电磁波在地下介质中衰减得十分迅速,并有明显的频散现象(S.A.Arcone等,1998)。这表明,电磁波在地下介质中传播时服从的是有传导电流的麦克斯韦方程,而不是声波方程。因此,用更符合实际介质中电磁波传播的含传导电流项的麦克斯韦方程来处理地质雷达数据是必然趋势。最近几年来,直接用麦克斯韦方程正演模拟和处理地质雷达数据的研究有所增加(R.J.Greaves,D.A.Casper,A.Bitri等)。Bitri等改进了地震数据的频率波数域偏移法,使之适用于中等不均匀频散介质的共偏移距地质雷达数据的偏移成像(A.Bitri,1998)。底青云等则研究了自激自收(零偏移距)衰减雷达波的有限元素法逆时偏移方法(底青云等,2000)。就数据采集方式而言,在地质雷达探测时,通常固定发射天线和接收天线间距,两个天线沿测线同时移动,采集得到的是共(单)偏移距数据。虽然这种采集方式能快速地获取雷达资料,但在较多的雷达探测中却无能为力。因为在地质雷达数据中存在着各种各样的噪音,既有外界的随机噪音,又有地面和地上物体反射引起的规则干扰,还有仪器本身的噪音。仪器的噪音在单偏移距剖面上表现为与直达波同相轴平行的周期性出现的同相轴,掩盖了有效的弱信号,给资料处理和说明带来极大的困难(Y.Nakashima等,1999)。多次覆盖技术能压制随机噪音倍n(n为覆盖次数),对规则干扰也有显著的压制作用,仪器的噪音在多偏移距剖面上也并不明显(Y.Nakashima,1999)。多次覆盖技术还有一个重要的优点,它能可靠地探测复杂的地质构造。鉴于多次

覆盖技术的诸多优点,多次覆盖观测方式被应用于地质雷达资料的采集,获得多偏移距数据,经处理后得到叠加剖面。叠加剖面比常规的共偏移距剖面图像清晰、信噪比高、明显改善较深部图像的质量,在一定程度上提高了探测深度和精度。同时,多偏移距资料能为叠后偏移和进一步的分析说明提供二维速度结构。

在目前的实际地质雷达数据的处理中,绝大多采用现成的石油地震勘探上的处理方法和App的状况应加以改变。实际上,石油地震勘探中发展起来的数据处理方法有其独特的应用前提,在处理地质雷达数据时,有时不满足其使用的条件,例如速度分析和动校正。因为速度分析和动校正都是在小偏移距(偏移距与反射体的深度之比<0.5)的假设条件下进行的。对石油地震勘探来说,这种假设是成立的,因为其勘探目的体为深部的油气藏。在地质雷达的探测中则不同,探测目标比较浅,小偏移距的假设通常不再成立,速度分析和动校正都存在很大的误差,影响雷达的探测精度。地质雷达数据处理将来的发展趋势是,在吸取其它勘探地球物理领域中尤其是石油地震勘探中优秀的处理理论、方法和手段的同时,逐步研究和开发适合于地质雷达自身特点的处理理论和方法。随着研究的不断深入,地质雷达资料处理和说明将向定量化的方向发展。

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