地质雷达检测目标体波相识别

2017-11-02王兴舟关长禄王大为

城市道桥与防洪 2017年10期

关键词：同相轴振幅介质

王兴舟，关长禄，王大为

（吉林省交通基本建设质量监督站，吉林长春 130021）

地质雷达检测目标体波相识别

王兴舟，关长禄，王大为

（吉林省交通基本建设质量监督站，吉林长春 130021）

目前地质雷探测技术已经在各个行业得到广泛应用，为了获得地质雷达探测的结果，需要对雷达记录进行处理与判读。雷达记录的波相识别需要坚实的理论基础和丰富的实践经验，需要综合分析目标体反射波的振幅与相位、频谱、同相轴形态等特征。通过工程实例介绍了地质雷达检测隧道、路面典型目标体波相特征及识别分析方法。

地质雷达；检测；波相；识别

0 引言

地质雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)探测是利用高频脉冲电磁波的反射回波探测目标体的分布形态与特征的一种技术，是对探测体内不可见的目标体或界面进行探测的电磁技术。地质雷达具有探测速度快、探测过程连续、操作方便灵活、无损坏等特点。目前地质雷探测技术已经在各个行业，如在公路、铁路、建筑、水利、采矿、考古、市政建设等领域得到广泛应用。

1 地质雷达的原理

地质雷达发射电磁波，电磁波在介质中传播，随着所通过介质的介电性质和几何形体等的变化而变化，在介质特性发生变化的界面上发生反射，通过天线将反射波接收，根据反射波特性参数，解译出所测目标体。

2 地质雷达波相识别

为了获得雷达探测的结果，需要对雷达记录进行处理与判读。雷达记录的判读也叫雷达记录的波相识别或波相分析，它是解释资料的基础，是理论与实践相结合的综合分析，需要坚实的理论基础和丰富的实践经验。笔者多年来一直使用地质雷达进行公路路基、路面、桥涵、隧道质量检测，进行了大量的雷达记录分析整理，总结了一些经验，介绍给大家，共同研究探讨。

2.1 反射波的振幅与相位

电磁波在介质界面的反射特征由反射系数R表示，对于非磁性物质，当电磁波垂直入射时，反射系数式中：ε1、ε2分别为上下介质的介电常数。从反射系数的公式可以看出两点：第一点，界面两侧介质的电磁学性质差别越大，反射波越强。从反射振幅上大致可以判定两侧介质的性质；第二点，电磁波从介电常数小的介质进入介电常数大的介质时，即从高速介质进入低速介质，反射系数为负，即反射波振幅反相。反之，从低速介质进入高速介质，反射波振幅与入射波振幅同相。这是判定界面两侧介质性质与属性的有利依据；如从空气进入土层或混凝土反射振幅反向。从混凝土后边的脱空区再反射回来时，放射波不反相，脱空区的反射与混凝土表面的反射相位正好相反。如果脱空区充水，波从该界面的反射也发生反相，与表面反射波同相，而且反射振幅较大。混凝土中的钢筋，波速近乎为0，反射自然反相，而且反射振幅特别强，因而反射波的振幅和方向特征是雷达波判别的最重要依据。

2.2 反射波的频谱特征

不同的介质有不同的结构特征，内部反射波的高、低频率特征明显不同，这可以作为区分不同物质界面的重要依据。岩石内部结构复杂，因而岩石内反射波明显，特别是高频波丰富，混凝土与岩层相比，结构相对比较均匀，因而混凝土内部反射相对较少，只是有缺陷的地方有反射。又如，表面松散土电磁性质比较均匀，反射波较弱；强风化层中矿物按深度分布，垂向电磁参数差异较大，呈现低频大振幅连续反射；其下新鲜基岩中呈现高频弱振幅反射，从频率特性中可以清楚的将各层分开。如隧道围岩中的含水带也表现出低频高振幅的反射特征，易于识别。节理带、断裂带结构破碎，内部反射较多，在相应的走时位置表现出高频反射。但由于破碎带的散射和吸收作用，从更远的部位反射回来的后续波能量变弱，信号表现为平静。

2.3 反射波的同相轴形态特征

雷达记录中，同一连续界面的反射信号形成同相轴，根据同相轴的时间、形态、强弱、方向反正等进行解释判断是地质解释的重要基础。同相轴的形态与地下介质界面的形态并非完全一致，特别是边缘的绕射效应，使得边缘形态有较大的差异。对于孤立的埋设物，其反射的同相轴为向下开口的抛物线。有限平板界面反射的同相轴中部为水平，两端为半支向下开口的抛物线[2]。

3 工程检测中典型雷达记录分析

3.1 隧道二次衬砌后空洞与脱空区波相特征

如果脱空体内为空气，由于混凝土和空气的电性差异较大，当电磁波在混凝土与空气、空气与围岩之间传播时，上下两个界面会产生两次强反射，雷达剖面上会出现双曲线形态的强反射波，其同相轴与相邻道发生错位，依此特征可确定出空洞的位置、分布范围，并计算出空洞距衬砌外表面间的距离。但有时脱空所形成的异常与围岩表面局部的凸起形成的异常相近，因此在确认是否为脱空时要对异常形态加以细致的分析和确认。图空区域的雷达检测剖面主要呈现如下特征：第一个鲜明的特征就是反射波特别强且频率高，因为空气与围岩、混凝土介质的介电常数差异明显，反射系数大致在0.4～0.5之间；第二个特点就是多次波比较发育，接收到的反射波持续时间很长；第三个特点是空洞最先到的反射振相与表面反射相位相反，因为电磁波是从低速介质进入高速介质，而在表面是从高速介质进入低速介质。空洞与脱空地质雷达处理最有效的办法是采用反差大的能量显示模板，在这个显示模板下中等和较小的反射被忽略，只显示最强的信号，空洞在大面积平淡的背景下容易识别。图1为一隧道衬砌检测中实例。

图1 隧道衬砌与围岩间的脱空雷达图像

3.2 隧道二衬后富水区波相特征

衬砌背后的围岩一旦富水其介电常数积聚增大，与周围区域形成一个明显的差异，反映到雷达剖面上：第一个鲜明的特征就是反射波振幅强频率低，形成一个明显的强振幅区；第二个特点就是多次波比较发育，接收到的反射波持续时间很长，一般呈现为水平强振幅，而不是类似钢筋的双曲强振幅；第三个特点是渗水部位最先到的反射振相与表面反射相位同相，因为电磁波是从高速介质进入低速介质。富水区域异常识别最有效的办法是采用反差大的能量显示模板，在这个显示模板下中等和较小的反射被忽略，只显示最强的信号，富水区域大面积的水平强振幅在平淡的背景下容易识别。用灰度图同样可以识别。图2某隧道衬砌检测中实例。

图2 某隧道衬砌400 MHz天线探地雷达检测剖面

3.3 隧道初支内钢架（钢支撑）波相特征

钢支撑是良导体，电磁波波速为零，电磁波的能量几乎全部反射回来，反射系数近乎为1，反射极强。在雷达记录中的表现是一系列的强反射弧，形如半开的伞状，第一反射振相与表面反射波同相，并且多次反射波比较严重，识别起来比较容易，从雷达的原始剖面上就可以直接进行判读。图3为实测隧道初支内钢架雷达检测记录图像。

图3 某隧道衬砌400 MHz天线探地雷达检测剖面

3.4 隧道初衬混凝土与围岩分界面波相特征

隧道衬砌检测中，隧道初衬与围岩之间的界面是弱反射界面，衬砌质量越好、衬砌与围岩间接触越密实，反射越弱。对这些层面的辨认与追踪是困难的工作。为了便于这些层面的追踪，最好使用能量显示方式，选取合适的显示模板。估计界面的位置，通过增益调节减小两侧信号的强度，突出界面信号的强度，合理设置色差，达到正确追踪的目的。在层位追踪中最重要的是层位识别准确，关键的问题是掌握界面的特征。围岩与初衬之间界面最明显的特征有两个：第一是波的频谱特征差异大，第二是延界面有断续的强反射波。衬砌中因介质较均匀，杂乱反射较少，多为低频弱反射波，频谱以低频为主；围岩中岩体结构复杂，杂乱反射很多，多为高频不连续波，频谱以高频为主。衬砌与围岩之间会存在一些缝隙，缝隙部位的反射波是很强的，因而界面的反射波会呈现一段强一段弱的特点。图4为某隧道衬砌厚度检测雷达记录图像。