不同頻率探地雷達在渠道填方質量檢測中的應用

郭 洪 娟

(吉林精誠工程檢測有限公司，吉林 長春 130033)

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不同頻率探地雷達在渠道填方質量檢測中的應用

郭 洪 娟

(吉林精誠工程檢測有限公司，吉林 長春 130033)

介紹了探地雷達的基本原理，將不同頻率探地雷達應用于同一段渠道填方質量檢測中，并對檢測結果作了對比分析，指出中頻屏蔽天線能夠很好的兼顧到精度和反射波強度的要求，可作為常規手段進行檢測。

探地雷達，渠道填方，質量檢測，頻率

0 引言

20世紀以來，隨著計算機科學的高速發展，工程地球物理的方法和理論得到不斷的深入開發，廣泛的應用于各個領域。作為一種具有高效率的淺層地球物理探測技術，通過探地雷達向地下發射高頻電磁脈沖波，根據地下介質介電常數的不同，通過對回波的波形，振動頻率和幅度等動力學及運動學特征進行分析和推斷，得出地下介質的結構和物性特征。通過對探地雷達和傳統地球物理方法進行比較，探地雷達具有檢測速度快、目標連續、分辨率和精度高、檢測簡單、檢測結果直觀、數據處理快等特點，在工程物探界得到廣泛應用。

渠道高填方土體填筑質量的優劣，直接關系到工程的安全運行及其功能的正常發揮，以往采用常規手段進行質量檢測時，不僅耗費大量時間，而且也會破壞渠道完整性，檢測也僅局限于小范圍，無法進行渠道整體排查。基于此，本文將不同頻率探地雷達應用于同一段渠道填方質量檢測中，通過對檢測結果的對比分析，確定最優的檢測方式及頻率。

1 基本原理

探地雷達以電磁波理論為原理基礎，并利用寬頻帶時域發射天線，向待檢測區域發射1 MHz～10 GHz的高頻短脈沖電磁波。根據電磁波傳播原理，高頻短脈沖電磁波在不同介電常數的介質分界面產生反射，且在不同介質中傳播也會隨著介電常數的不同產生不同的衰減。基于此，通過探地雷達接收天線接收的被檢測區域電磁波的反射及衰減程度，運用處理軟件對接收到的電磁波進行頻率、振幅及相位處理，更加直觀的反映待檢區域結構及物性特征，以達到檢測的目的。可以看出，探地雷達的檢測手段具有工作效率高、檢測結果精確、無損失破壞和結果直觀等優點。其工作原理如圖1所示。

探地雷達所發射的電磁波在介質中傳播滿足麥克斯韋方程，探地雷達與通信雷達技術相似，都是依據不同頻率的探地雷達天線向待檢測區域發射電磁波來確定待檢區域結構及物性特征，并且其傳播理論與地震反射波法彈性波相似，也遵循著相同形式的波動方程，基于此探地雷達的解釋與地震反射波法的解釋很類似。

探地雷達發射的高頻電磁波傳播速度主要與傳播介質的介電常數有關。電磁波在某種介質中傳播時，遇到不同的界面(如混凝土的脫空、巖體的溶洞、土體的滲流通道等)將會產生不同程度反射和折射。由于探地雷達發射和接收的是高頻電磁波，根據高頻電磁波傳播理論，電磁波在介質中傳播的特性取決于介質的波阻抗，而波阻抗又與介質的相對介電常數成比例對應關系。當相鄰兩層介質的介電常數存在差異時，也就是兩介質的波阻抗有差異時，入射到兩結構層分界面上的電磁波將會產生反射，形成反射波，探地雷達接收反射波，經過處理使該結構層分界面被直觀的辨別出來，如圖2所示。這種介質上的波阻抗差異可用反射系數表示，也可以用功率反射系數表示。反射系數可直接反映出介質的介電常數的差異性。綜上所述，檢測時待檢測區域若存在相對介電常數差異較大的介質，則其可接收到的反射波信號越強，因而該反射界面也可直觀的辨別出來。

2 檢測方案

2.1 檢測設備

為了確定最優檢測方案，本次研究采用兩種雷達進行比對檢測，一種雷達為美國GSSI公司生產，勞雷公司銷售的SIR-3000型地質雷達儀，匹配20 MHz低頻組合天線沿測線和100 MHz屏蔽天線，如圖3所示，另一種為瑞典MALA公司生產的ProEx型地質雷達儀，匹配RTA50超強地面耦合天線，如圖4所示。之所以采用不同頻率的設備進行檢測，是因為探地雷達所能探測的深度和分辨率是相互制約的，20 MHz低頻組合天線雖然探測較深，但是其存在抗干擾能力較差，分辨率較低，難于探測小尺寸的缺陷，而100 MHz屏蔽天線分辨率較高，但其探測深度較淺，而RTA50超強地面耦合天線可兼顧深度和精度。

2.2 檢測測線布置

本次研究對象為某引水工程高填方渠道風險監控段，該段總長150 m，寬4 m，測線根據雷達天線寬度進行邊緣疊加布置，共布置2條平行測線。

2.3 檢測數據處理

主要的數據處理有：

1)距離歸一化，目的是確定目標的樁號位置。

2)一維頻率濾波，用來消除低頻干擾。

3)反褶積處理，用來消除采集信號的多次波干擾。

4)空間域濾波，用來消除空間瞬態干擾和水平同相軸。

5)增益調整與色階變換，用來增強不同深度探測的信號幅度，增強目標層位的圖像反饋。

3 檢測結果分析

相位、振幅和頻率是探地雷達判斷異常的三要素。對電磁性質變化相對較小的介質來說，同向軸是判斷介質均勻性的重要依據。一般來說，介質均勻時，同向軸比較整齊，相對穩定，無明顯反射，而介質不均勻時，同向軸則表現為錯段或繞射，此外，當介質含水或不密實時，低頻信號表現為一定的優勢頻率，電磁波有明顯衰減。

采用SIR-3000型地質雷達儀配備20 MHz低頻組合天線檢測結果表明，在樁號30 m～40 m(埋深8.5 m)段，90 m～120 m(埋深7.5 m)段，頻率較低，且異常部位埋深較深，推測含水量較大，可能存在滲漏通道，雷達結果示意圖如圖5所示。

采用SIR-3000型地質雷達儀配備100 MHz屏蔽天線檢測結果表明，在樁號26 m～44 m(埋深8 m)，43 m～50 m(埋深4 m)段，雷達圖像顯示該段出現雙曲線異常，推測存在松散空洞，可能在雨季形成滲漏通道，雷達結果示意圖如圖6所示。

采用ProEx型地質雷達儀配備RTA50超強地面耦合天線檢測結果表明，在樁號30 m～40 m(埋深8.5 m)段、90 m～115 m(埋深7.5 m)段電磁波信號紊亂，存在異常，推測為填料不密實不均勻，雷達結果示意圖如圖7所示。

4 結語

本次研究主要運用了兩種雷達、三種頻率對渠道高填方土體進行質量檢測，檢測結果表明低頻率天線雖然理論探測深度較大，但子波波長較長，且目前無屏蔽天線，使得檢測結果誤差較大，分辨率不高，可作為普查手段進行檢測。高頻率屏蔽天線分辨率較高，但是衰減較快，異常區域分界面不清晰，可作為淺層詳查手段進行檢測。而中頻屏蔽天線能夠很好的兼顧到精度和反射波強度的要求，可作為常規手段進行檢測。

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The application of different frequency GPR in channels fill quality inspection

Guo Hongjuan

(JilinJingchengEngineeringInspectionLimitedCompany,Changchun130033,China)

This paper introduced the basic principle of GPR, applied different frequency GPR in same channel fill quality detection, and analyzed and compared the detection results, pointed out the intermediate frequency screened aerial could be very good to both the accuracy and reflection strength requirements, could be used as routine method to detection.

GPR, channel fill, quality inspection, frequency

1009-6825(2016)31-0085-02

2016-08-26

郭洪娟(1980- )，女，工程師

P624

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