地质雷达课件(内部参考).pdf

第一讲 地质雷达的应用领域 探地雷达(Ground Penetrating Radar ，简称 GPR) ，又称地质雷达，是近些年 发展起来的高效的浅层地球物理探测新技术， 它利用主频为数十兆赫至千兆赫兹 波段的电磁波， 以宽频带短脉冲的形式， 由地面通过天线发射器发送至地下， 经 地下目的体或地层的界面反射后返回地面， 为雷达天线接受器所接受， 通过对所 接受的雷达信号进行处理和图像解译， 达到探测前方目的体的目的 与传统的地 球物理方法相比， 探地雷达最大的优点就是具有快速便捷、 探测精度高以及对原 物体无破坏作用 因此， 探地雷达在道路建设和公路质量检测领域已逐渐被认识 到并广泛应用起来 地质雷达自上世纪 80 年代中期开始应用至今将近 20 年了，其应用领域逐 渐扩大， 在考古、 建筑、 铁路、 公路、 水利、 电力、 采矿、 航空各领域都有重要 的应用， 解决场地勘查、 线路选择、 工程质量检测、 病害诊断、 超前预报、 地质 构造等问题 1.1 工程场地勘察 地质雷达最早用于工程场地勘查，解决松散层厚度分布，基岩风化层分布， 以及节理带断裂带等问题 有时也用于研究地下水分布， 普查地下溶洞、 人工洞 室等。

在粘土补发育的地区，探查深度可达 20m 以上，效果很好 1.2 埋设物与考古探察 考古是地质雷达应较早的领域，在欧洲有成功的实例，如意大利罗马遗址考 古、 中国长江三峡库区考古等项目都应用了雷达技术 利用雷达探测古建筑基础、 地下洞室、 金属物品等 在现今城市改造中， 有时也需要了解地下管网， 如电力管线、 热力管线、 上下水管线、 输气管线、 通信电缆等， 这对于地质雷实是很容 易的目前地质雷达为地下管线探测发展了高分辨 3D 探测系统及软件，如 PATHFINDER 雷达、R RI IS S- -2 2K K/ /S S 等 等 雷达都可以胜任这类工作， 不但可探测到水平 位置分布，还可以确定其深度，得到三维分布图 雷达考古 雷达探测管道 1.3 工程质量检测 工程检测近年应用领域急速扩大， 特别是在中国的重要工程项目中， 质量检 测广泛采用雷达技术 铁路公路隧道衬砌、 高速公路路面、 机场跑道等工程结构 普遍采用地质雷达检测用于检测衬砌厚度、脱空和空洞、渗漏带、回填欠实、 围岩扰动等问题检测厚度精度可达厘米级 衬砌厚度检测 衬砌脱空区 检测 1.4 金属矿化带勘查 对于浅表的金属矿化带、 断层蚀变带以及掌子面附近的金属矿化带， 可以用 地质雷达探测。

矿化带金属及氧化物、 硫化物富集， 电磁性质差异明显， 电磁波 反射清晰， 可为找矿体供参考 以下是山东界诃金矿寻找断裂蚀变带金矿的例子 地质雷达探测金属矿化带 1.5 隧道超前预报 随着西部大开发进程的加快，西部的公路、铁路、水电等建设项目增多， 大部分建设在高山峡谷地区， 隧道工程数量巨大 为保证隧道施工中的人员、 设 备安全， 保证工期和质量， 节约经济投资， 需要进行隧道地质超前预报 目前的 超前预报是采用地震、雷达探测与地质研究相结合的办法地震预报掌子面前 100m 左右，地质雷达预报 20-30m 范围内目前阶段预报的准确率不等，很大 程度上依赖于经验下边是公路隧道掌子面上地质雷达的探测预报纪录 隧道超前预报探到的富水区 1.6 电磁波 CT 地质雷达通常是工作反射方式下，如果选用发射与接收分离的天线，就可以 工作在透射方式下，进行电磁波 CT 成像跨孔天线、100MHz 加强形天线、低 频杆式天线都可以这样使用 用雷达记录电磁波的时程， 包含了电磁波的走时和 振幅值， 可以同时进行电磁波速与衰减成像 这种方法对于探查断裂带、 密集节 理带、 含水带、 金属含矿带、 溶洞空洞都非常有效。

下边是在金川龙首矿的一个 电磁波探测实例 电磁 波衰减 CT 成像 电磁波速度 CT 成像 第二讲 国内外地质雷达技术发展状况（历史与现状） 探地雷达的历史最早可追溯到 20世纪初，1904年，德国人 Hulsmeyer 首次 将电磁波信号应用与地下金属体的探测1910 年 Leimback 和 Lowy 以专利形式 在 1910 年的专利，他们用埋设在一组钻孔里的偶极子天线探测地下相对高的导 电性质的区域，并正式提出了探地雷达的概念1926 年 Hulsenbeck 第一个提出 应用脉冲技术确定地下结构的思路， 指出只要介电常数发生变化就会在交界面会 产生电磁波反射，而且该方法易于实现，优于地震方法[1,2]但由于地下介质具 有比空气强得多的电磁衰减特性，加之地下介质情况的多样性，电磁波在地下的 传播比空气中复杂的多，使得探地雷达技术和应用受到了很多的限制，初期的探 测仅限于对波吸收很弱的冰层厚度（1951，B.O.Steenson，1963，S.Evans）和岩 石和煤矿的调查（J.C.Cook）等随着电子技术的发展，直到 70 探地雷达技术 才重新得到人们的重视，同时美国阿波罗月球表面探测实验的需要，更加速了对 探地雷达技术的发展，其发展过程大体可分为三个阶段： 第一阶段，称为试验阶段，从 20 世纪 70 年代初期到 70 年代中期，在此期 间美国，日本、加拿大等国都在大力研究，英国、德国也相继发表了论文和研究 报告，首家生产和销售商用 GPR 的公司问世，即 Rex Morey和 Art Drake成立的 美国地球物理测量系统公司（GSSI） ，日本电器设备大学也研制出小功率的基带 脉冲雷达系统。

此期间探地雷达的进展主要表现在，人们对地表附近偶极天线的 辐射场以及电磁波与各种地质材料相互作用的关系有了深刻的认识， 但这些设备 的探测精度、地下杂乱回波中目标体的识别、分别率等方面依然存在许多问题 第二阶段，也称为实用化阶段，从 20 世纪 70 年代中后其到 80 年代，在次 期间技术不段发展，美国、日本、加拿大等国相继推出定型的探地雷达系统，在 国际市场，主要有美国的地球物理探测设备公司（GSSI）的 SIR 系统，日本应 用地质株式社会（OYO）的 YL－R2 地质雷达，英国的煤气公司的 GP 管道公司 雷达，在 70 年代末，加拿大 A－Cube 公司的 Annan 和 Davis 等人于 1998 年创 建了探头及软件公司（SSI） ，针 对 SIR系统的局限性以及野外实际探测的具体要 求，在系统结构和探测方式上做了重大的改进，大胆采用了微型计算机控制、数 字信号处理以及光缆传输高新技术，发展成了 EKKO Ground Penetrating Radar 系列产品，简称 EKKO GPR 系列瑞典地质公司（SGAB）也生产出 RAMAC 钻孔雷达系统，此外，英国 ERA 公司、SPPSCAN 公司，意大利 IDS 公司、瑞 典及丹麦也都在生产和研制各种不同型号的雷达。

80年代全数字化的 GPR问世， 具有划时代的意义，数字化 GPR 不仅提供了大量数据存储的解决方案，增强了 实时和现场数据处理的能力， 为数据的深层次后处理带来方便， 更重要的是 GPR 因此显露出更大的潜力，应用领域得以向纵身拓展 第三阶段，从上个世纪 80 年代至今，可称为完善和提高阶段在此期间， GPR 技术突飞猛进，更多的国家开始关注探地雷达技术，出现了很多探地雷达 的研究机构， 如荷兰的应用科学研究组织和代尔夫大学， 法国_德国的 Saint-Louis 研究所（ISL） ，英国的 DERA，瑞典的 FOA，娜威科技大学和地质研究所，比 利时的 RMA，南非的开普敦大学，澳大利亚昆士兰大学，美国的林肯实验室和 Lawrence Livermore国家实验室以及日本的一些研究机构等等同时，探地雷达 也得到了地球物理和电子工程界的更多关注，对天线的改进、信号的处理、地下 目标的成像等方面提出了许多新的见解 GSSI 公司在商业上取得了极大的成功，并在 1990 年被 OYO 公司收购，Pulse Radar 公司、Panetradar 公司以及加拿大 的 SSI 公司也在此时迅速发展壮大。

进入 21 世纪以后，探地雷达逐渐的象更多 的领域拓展，在矿产调查、考古、地质勘探、铁路、公路、水文、农业、环境工 程、土木工程、市政设施维护以及刑事勘察等各领域都有重要的应用，用以解决 地质构造、场地勘察、线路选择、工程质量检测、病害诊断、超前预报、垃圾填 埋场环境污染研究等问题 我国探地雷达的研制工作起步较晚，于上个世纪 70 年代中期，由煤炭科学 研究总院重庆分院高克德教授为首的探地雷达专题小组， 针对煤矿生产特点研制 开发出了一套探地雷达系列产品——KDL 系列矿井防爆雷达仪，开创了我国自 主研制地质雷达的先河直到 80年代末 90年代初，随着国内探地雷达仪器研制 水平的提高及国外先进的仪器引进， 国内不少高校和科研单位开展过地下目标探 测方面的工作，其中电子科技大学、西安交通大学、二十二所、五十所、长春物 理所、北京遥感设备研究所、北京理工大学、清华大学、西南交通大学、北京爱 迪尔公司等单位先后研制过探地雷达试验系统， 并在其中某些技术上取得一些成 果90 年代末和本世纪初，中国矿业大学（北京）彭苏萍教授根据国内煤炭发 展需要，成立仪器项目开发项目组，开始着手地质雷达的研制与开发，并于 2004 年开发出具有自主知识产权的地质雷达产品。

近几年来，探地雷达在硬件方面的发展已趋于平稳，仪器生产厂家把重点放 在了数据采集速率和信噪比的提高，以及数据处理和解释软件的智能化方面 1.2.2 探地雷达信号处理与解释的发展现状 雷达波在地下的传播过程十分复杂，各种噪声和杂波的干扰非常严重，正确 识别各种杂波和噪声，提取有用信息是探地雷达记录解释的重要环节，关键技术 是对雷达记录进行各种数据处理 由于电磁波在地下的传播形式与地震波十分相 似，而且探地雷达数据剖面也类似于反射地震数据剖面，因此反射地震数据处理 的许多有效技术均可用于探地雷达数据处理， 但由于雷达波和地震波存在着动力 学差异如强衰减性， 所以单一地移植、 借鉴地震资料处理技术是不够的， 文献[20] 对反射地震与探地雷达进行了详细的比较， 指出雷达波在湿的地层中衰减比在干 的情况下要大，而地震波却恰好相反，探地雷达的穿透深度比地震波要浅得多 雷达信号常规的处理方法主要有：多次叠加来压制随即噪声；单道测量记录 减去各道平均值来压制相干噪声； 时变增益来校正由波前扩展及介质吸收引起的 信号损失；低频、高通、带通等频率域滤波消除不必要的干扰频率；反褶积处理 把雷达记录变成反射系数序列以达到消除大地干扰、分辨薄层的目的；偏移处理 则是把雷达记录中的每个反射点移到其本来位置， 从而获得反映地下介质的真实 图像，偏移处理对消除直立体的绕射、散射产生的相干干扰能起到很大的作用。

随着数字信号处理技术的发展，又产生了许多新的雷达信号处理方法，如利 用小波变换的调焦功能和频域－时域双重局部性来压制噪声； 将小波和神经网络 相结合实现雷达信号去噪目的；根据雷达有效信号和干扰信号在视速度上的差 异，在频率－波数域上进行二维滤波达到去噪目的；通过分形技术、 Hilbert变换 等方法来提取雷达波的有效信息来提高分辨率； 利用水平预测技术实现雷达信号 水平噪声的干扰；利用雷达信号的统计学特征来实现去噪的目的等等总之，雷 达信号处理的方法类型很多，不同的方法用在不同的实际情况又不同的应用效 果 探地雷达解释模型主要包括正演模型和反演模型在数值模拟正演技术方 面， 众多的研究成果在上世纪九十年代得到详尽地报道 其中有代表性的文献有：。