地質雷達檢測目標體波相識別

王興舟，關長祿，王大為

（吉林省交通基本建設質量監督站，吉林 長春 130021）

地質雷達檢測目標體波相識別

王興舟，關長祿，王大為

（吉林省交通基本建設質量監督站，吉林 長春 130021）

目前地質雷探測技術已經在各個行業得到廣泛應用，為了獲得地質雷達探測的結果，需要對雷達記錄進行處理與判讀。雷達記錄的波相識別需要堅實的理論基礎和豐富的實踐經驗，需要綜合分析目標體反射波的振幅與相位、頻譜、同相軸形態等特征。通過工程實例介紹了地質雷達檢測隧道、路面典型目標體波相特征及識別分析方法。

地質雷達；檢測；波相；識別

0 引言

地質雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)探測是利用高頻脈沖電磁波的反射回波探測目標體的分布形態與特征的一種技術，是對探測體內不可見的目標體或界面進行探測的電磁技術。地質雷達具有探測速度快、探測過程連續、操作方便靈活、無損壞等特點。目前地質雷探測技術已經在各個行業，如在公路、鐵路、建筑、水利、采礦、考古、市政建設等領域得到廣泛應用。

1 地質雷達的原理

地質雷達發射電磁波，電磁波在介質中傳播，隨著所通過介質的介電性質和幾何形體等的變化而變化，在介質特性發生變化的界面上發生反射，通過天線將反射波接收，根據反射波特性參數，解譯出所測目標體。

2 地質雷達波相識別

為了獲得雷達探測的結果，需要對雷達記錄進行處理與判讀。雷達記錄的判讀也叫雷達記錄的波相識別或波相分析，它是解釋資料的基礎，是理論與實踐相結合的綜合分析，需要堅實的理論基礎和豐富的實踐經驗。筆者多年來一直使用地質雷達進行公路路基、路面、橋涵、隧道質量檢測，進行了大量的雷達記錄分析整理，總結了一些經驗，介紹給大家，共同研究探討。

2.1 反射波的振幅與相位

電磁波在介質界面的反射特征由反射系數R表示，對于非磁性物質，當電磁波垂直入射時，反射系數式中：ε1、ε2分別為上下介質的介電常數。從反射系數的公式可以看出兩點：第一點，界面兩側介質的電磁學性質差別越大，反射波越強。從反射振幅上大致可以判定兩側介質的性質；第二點，電磁波從介電常數小的介質進入介電常數大的介質時，即從高速介質進入低速介質，反射系數為負，即反射波振幅反相。反之，從低速介質進入高速介質，反射波振幅與入射波振幅同相。這是判定界面兩側介質性質與屬性的有利依據；如從空氣進入土層或混凝土反射振幅反向。從混凝土后邊的脫空區再反射回來時，放射波不反相，脫空區的反射與混凝土表面的反射相位正好相反。如果脫空區充水，波從該界面的反射也發生反相，與表面反射波同相，而且反射振幅較大。混凝土中的鋼筋，波速近乎為0，反射自然反相，而且反射振幅特別強，因而反射波的振幅和方向特征是雷達波判別的最重要依據。

2.2 反射波的頻譜特征

不同的介質有不同的結構特征，內部反射波的高、低頻率特征明顯不同，這可以作為區分不同物質界面的重要依據。巖石內部結構復雜，因而巖石內反射波明顯，特別是高頻波豐富，混凝土與巖層相比，結構相對比較均勻，因而混凝土內部反射相對較少，只是有缺陷的地方有反射。又如，表面松散土電磁性質比較均勻，反射波較弱；強風化層中礦物按深度分布，垂向電磁參數差異較大，呈現低頻大振幅連續反射；其下新鮮基巖中呈現高頻弱振幅反射，從頻率特性中可以清楚的將各層分開。如隧道圍巖中的含水帶也表現出低頻高振幅的反射特征，易于識別。節理帶、斷裂帶結構破碎，內部反射較多，在相應的走時位置表現出高頻反射。但由于破碎帶的散射和吸收作用，從更遠的部位反射回來的后續波能量變弱，信號表現為平靜。

2.3 反射波的同相軸形態特征

雷達記錄中，同一連續界面的反射信號形成同相軸，根據同相軸的時間、形態、強弱、方向反正等進行解釋判斷是地質解釋的重要基礎。同相軸的形態與地下介質界面的形態并非完全一致，特別是邊緣的繞射效應，使得邊緣形態有較大的差異。對于孤立的埋設物，其反射的同相軸為向下開口的拋物線。有限平板界面反射的同相軸中部為水平，兩端為半支向下開口的拋物線[2]。

3 工程檢測中典型雷達記錄分析

3.1 隧道二次襯砌后空洞與脫空區波相特征

如果脫空體內為空氣，由于混凝土和空氣的電性差異較大，當電磁波在混凝土與空氣、空氣與圍巖之間傳播時，上下兩個界面會產生兩次強反射，雷達剖面上會出現雙曲線形態的強反射波，其同相軸與相鄰道發生錯位，依此特征可確定出空洞的位置、分布范圍，并計算出空洞距襯砌外表面間的距離。但有時脫空所形成的異常與圍巖表面局部的凸起形成的異常相近，因此在確認是否為脫空時要對異常形態加以細致的分析和確認。圖空區域的雷達檢測剖面主要呈現如下特征：第一個鮮明的特征就是反射波特別強且頻率高，因為空氣與圍巖、混凝土介質的介電常數差異明顯，反射系數大致在0.4～0.5之間；第二個特點就是多次波比較發育，接收到的反射波持續時間很長；第三個特點是空洞最先到的反射振相與表面反射相位相反，因為電磁波是從低速介質進入高速介質，而在表面是從高速介質進入低速介質。空洞與脫空地質雷達處理最有效的辦法是采用反差大的能量顯示模板，在這個顯示模板下中等和較小的反射被忽略，只顯示最強的信號，空洞在大面積平淡的背景下容易識別。圖1為一隧道襯砌檢測中實例。

圖1 隧道襯砌與圍巖間的脫空雷達圖像

3.2 隧道二襯后富水區波相特征

襯砌背后的圍巖一旦富水其介電常數積聚增大，與周圍區域形成一個明顯的差異，反映到雷達剖面上：第一個鮮明的特征就是反射波振幅強頻率低，形成一個明顯的強振幅區；第二個特點就是多次波比較發育，接收到的反射波持續時間很長，一般呈現為水平強振幅，而不是類似鋼筋的雙曲強振幅；第三個特點是滲水部位最先到的反射振相與表面反射相位同相，因為電磁波是從高速介質進入低速介質。富水區域異常識別最有效的辦法是采用反差大的能量顯示模板，在這個顯示模板下中等和較小的反射被忽略，只顯示最強的信號，富水區域大面積的水平強振幅在平淡的背景下容易識別。用灰度圖同樣可以識別。圖2某隧道襯砌檢測中實例。

圖2 某隧道襯砌400 MHz天線探地雷達檢測剖面

3.3 隧道初支內鋼架（鋼支撐）波相特征

鋼支撐是良導體，電磁波波速為零，電磁波的能量幾乎全部反射回來，反射系數近乎為1，反射極強。在雷達記錄中的表現是一系列的強反射弧，形如半開的傘狀，第一反射振相與表面反射波同相，并且多次反射波比較嚴重，識別起來比較容易，從雷達的原始剖面上就可以直接進行判讀。圖3為實測隧道初支內鋼架雷達檢測記錄圖像。

圖3 某隧道襯砌400 MHz天線探地雷達檢測剖面

3.4 隧道初襯混凝土與圍巖分界面波相特征

隧道襯砌檢測中，隧道初襯與圍巖之間的界面是弱反射界面，襯砌質量越好、襯砌與圍巖間接觸越密實，反射越弱。對這些層面的辨認與追蹤是困難的工作。為了便于這些層面的追蹤，最好使用能量顯示方式，選取合適的顯示模板。估計界面的位置，通過增益調節減小兩側信號的強度，突出界面信號的強度，合理設置色差，達到正確追蹤的目的。在層位追蹤中最重要的是層位識別準確，關鍵的問題是掌握界面的特征。圍巖與初襯之間界面最明顯的特征有兩個：第一是波的頻譜特征差異大，第二是延界面有斷續的強反射波。襯砌中因介質較均勻，雜亂反射較少，多為低頻弱反射波，頻譜以低頻為主；圍巖中巖體結構復雜，雜亂反射很多，多為高頻不連續波，頻譜以高頻為主。襯砌與圍巖之間會存在一些縫隙，縫隙部位的反射波是很強的，因而界面的反射波會呈現一段強一段弱的特點。圖4為某隧道襯砌厚度檢測雷達記錄圖像。

圖4 某隧道襯砌厚度400 MHz天線探地雷達檢測剖面

3.5 水泥混凝土路面厚度檢測中波相特征

混凝土路面與基層的介電常數差異明顯，反射波清晰，選擇適當的能量顯示模板就可清晰的進行層位追蹤。圖5為某一段路面厚度的實測雷達記錄圖像，從圖像上容易看，面層與基層、基層與底基層分界面的反射信號形成同相軸，并且連續性強，反射強烈，說明用900 MHz天線很容易檢測水泥混凝土路面厚度。

圖5 900 MHz天線路面厚度檢測剖面

4 結語

（1）地質雷達波相分析是資料解釋的基礎工作，是準確獲得探測結果的關鍵，做好這項工作需要堅實的理論基礎和豐富的實踐經驗，需要在實踐中不斷分析和總結。

（2）要獲得準確的地質雷達探測結果，必須綜合分析目標體反射波的振幅與相位、頻譜、同相軸形態等特征，同時應適當進行濾波等數據處理及合理選擇雷達圖像的顯示方式。

（3）目前很多地方和單位用地質雷達進行公路路基、路面、橋涵、隧道質量檢測，取得了一定效果，積累了一些經驗，但地質雷達探測作為新的檢測技術，準確度和精度有時不盡人意，需進一步研究和改善。

[1]袁明德.公路地質雷達應用實例分析[J].地質裝備,2010(12):30-37.

[2]范占鋒,李天斌,孟陸波,等.地質雷達在公路隧道中的應用[J].公路,2010,(2):209-213.

[3]譚春森.地質雷達檢測技術在公路工程檢測中的應用[J].江西建材,2017(1):160.

[4]王康,高永濤.基于地質雷達的隧道超前地質預報和襯砌質量檢測[J].現代礦業,2017(1):166-170.

[5]譚春森.地質雷達檢測技術在公路工程檢測中的應用[J].養護與管理,2017(1):4.

[6]銀卓.地質雷達檢測瀝青面層厚度的影響因素分析[J].公路與汽運,2017(1):133-135.

P631.3

B

1009-7716（2017）10-0180-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.055

2017-05-16

王興舟（1975-），男，吉林洮南人，工程師，從事交通基本建設質量監督無損檢測工作。