ris-地质雷达.doc

1RISRIS 探地雷达探地雷达一、概述博泰克 RIS 探地雷达在兼具了传统探地雷达各项优点的同时，增添了高灵敏度、高分 辨率的天线阵，使浅层和深层探测一次完成，实现了三维立体探测，大大提高了工作效率， 具有数据采集完整、快速、低误差等特点适用于公路路面、隧道衬砌质量的检测、桥梁 结构检测、路基检测、管线探测、岩性分析和条件恶劣场地的应用 使用博泰克 RIS 天线阵雷达进行公路和隧道检测如图 8-1 所示图 8-1 RIS 探地雷达二、二、RISRIS K2K2 主机技术参数主机技术参数 1、扫描速度： 850 扫/秒 2、脉冲重复频率：400KHz 3、时 窗： 9999 nsec 4、采样点数： 128-8192 5、叠 加 数： 1-32768 6、分 辨 率： 5psec 7、工作温度： －10～50℃ 8、A/D 转换 ： 16bit 9、工作环境标准： IP65 10、动态范围： >160dB 11、信 噪 比： >160dB 12、可连接 8 对天线同时测量 13、尺寸：22x17x5.5cm，重量：1.2kg现场测量开始前应该对雷达的采集参数进行设定，这一工作最好在进入现 场前在室内完成，进入现场后可根据情况略加调整。

参数设定的内容包括时间 窗口大小、扫描样点数、每秒扫描数、Ａ／Ｄ转换位数、增益点数等内容参 数设置的是否合理影响到记录数据的质量，至关重要★探测深度与时窗长度探测深度的选取是头等重要的，既不要选得太小丢掉重要数据，也不要选 得太大降低垂向分辨率一般选取探测深度 H 为目标深度的 1.5 倍根据探测 深度 H 和介电常数 ε 确定采样时窗长度（Range/ns）：2Range= 2H(ε)1/2/0.3(ns)= 6.6 H(ε)1/2(ns)例如对于地层岩性为含水砂层时，介电常数为 25，探测深度为 3m 时，时 窗长度应 选为 100ns，时窗选择略有富余，宁大勿小★ A/D 采样分辨率： 雷达的 A/D 转换有 8Bit、16Bit、24Bit 可供选用选择 24Bit 动态大，强 弱反射 信号都能记录下来，探测深度大、时窗长时采用16Bit，动态中等，中高频天 线、探测 2-5m 时采用；选择 8Bit 动态小，采集速度快，探测深度小于 1m、时 窗小时采用；★ 扫描样点数 扫描样点数 Samples/Scan 有 128、256、512、1024、2048/scan 可供选用， 为保证 高的垂向分辨，在容许的情况下尽量选大。

对于不同的天线频率 Fa、不同的时 窗长度 Range，选择样点数 Samples 应满足下列关系： Samples≧10-8*Range*Fa该关系保证在使用的频率下一个波形有 10 个采样点例如对于 900MHZ 天线， 40ns 采样长度的时窗，要求每扫描道样点数大于 360Sanples/Scan，可以选择 接近的值 512对于 100MHZ 天线，500ns 采样长度，样点数应大于 500Sanples/ Scan,可以取 512 或 1024样点数大对提高资料的质量有利，但 耗时较大，影响前进速度★ 扫描速率 Scans/S： 扫描速率是定义每秒钟雷达采集多少扫描线记录，扫描速率大时采集密集， 天线的 移动速度可增大，因而可以尽可能的选大但是它受仪器能力的限制对于一 种类型的雷达，他的 A/D 采样位数、扫描样点数和扫描速度三者的乘积应为常 数当扫描速率 Scans/s 决定后，要认真估算天线移动速度 TV估算移动速度 的原则是要保证最小探测目标（SOB）内只少有 20 条扫描线记录：TV≦Scans*SOB/20采集速度采集速度=（（1/天线数量）天线数量）*道间距道间距/（脉冲间隔时间（脉冲间隔时间+采样点数采样点数/A/D 转换速转换速 度）度）在上式中，天线数量一般为连接的天线数量，Fastwave 的脉冲间隔时间为 100 毫秒，K2 和 SRS 的脉冲间隔时间为 270 毫秒。

A/D 转换速度为采集电子的3速度， Fastwave 主机的为 400KHz，SRS 为 200KHz，K2 为 133KHz例如探测目标最小尺度为 10cm、扫描速率 64Scans/s 时,推算天线运动速度应 小于 32cm/s，相当于 0.5cm/scan如果最小目标为 0.5m,则天线移动速度可达 1.5m/s★ 增益点数的选择： 增益点的作用是使记录线上不同时段有不同放大倍数，使各段的信号都能 清楚的显 现出来，增益点的位置最好是在反射信号出现的时段附近SIR 型雷达设计的 增益点从 2 到 8 个，时窗短时选 2 点增益，时窗长时选 4 或 5 足以点之间的 增益是线性变化的，增益的变化是平滑的增益大小的调节是使多数反射信号 强度达到满度的 60%-70%，增益太大将造成削顶，增益太小将丢失弱小信号★ 滤波设置： 滤波设置是为了改善记录质量滤波分垂向滤波和水平滤波垂向滤波分 高通和低通，高通频率选为天线频率的 1/6，高于这个频率的信号顺利通过， 相当于带通滤波器里的低截频率垂向低通频率选为天线频率的 2 倍，低于该 频率的波顺利通过，相当于带通滤波器里的高截频率 水平滤波分水平平滑和背景剔除，目的是消除仪器和环境的背景干扰。

水 平平滑通常取 3 道平滑，背景剔除功能只在回放时起作用★选择合适的采集方式： 雷达的采集方式有多种，对 RIS 仪器有连续采集、逐点采集、控制轮采集 连续采集是最常用的采集方式，具有工作效率高的特点，便于界面连续追踪 逐点采集一般在表面起伏变化大的情况下采用，或是使用低频拉杆天线时采用 控制轮采集是通过控制论行走为记录打标记，资料位置标记均匀准确，一般在 表面平整的机场跑道、高速公路路面等场合采用★选择适宜的显示方式： 雷达显示是现场观察探测结果的只管展示，仪器预设了几个可供选择的彩 色显示方式，可以根据不同对象选用，通过比较选择效果最好的方案显示方 案的振幅分成 16 等级，正幅值 8 级，负值 8 级对 16 级的不同分法形成了三 种显示方案第一种方案是线性分割，第二种方案是平方根分割，第三种方案 是按平方分割第一种方案在大多数情况下采用，第二种方案在要求突出弱信 号时采用，第三种方案在需要反映主要强反射界面时采用★正常数据采集工作程序 正常数据采集工作中并非每次都需要对所有仪器参数进行重新设置雷达 仪器有记忆，上次设定的采集参数仍在起作用同时硬盘上存有不同天线对应 的参数文件，可以根据需要调用。

如果某些参数需要修改，可以调出来修改 应该特别注意下列几点： a 核定采样窗口长度；4b.核定增益点设置； c.确定采集时硬盘写打开； d.选择显示效果；三、结构及工作原理三、结构及工作原理 RIS 探地雷达系统分三部分：主机、天线、后分析软件1、结构1 1）） 主机：如图主机：如图 8-2 所示雷达主机是对采集信号进行控制和处理中心，它通过网络和笔记本电脑连接，具先进 的设备状态诊断功能，在现场的使用极为方便； 博泰克 RIS 雷达有单通道和多通道型号 主机，使用时可依照自己的工作需要进行选择加上其不间断供电系统，一次可以完成几 百公里长度的探测主机自带的现场采集软件可以自动调节雷达波形、增益等参数（也可 选择手动调节） ，使探测工作最大程度的减少了人为影响图 8-2 主机 主机特点： 1、 全中文界面，主机操作简单 2、 现场准确定位各种缺陷位置 3、 极高的扫描速度和脉冲重复频率 4、 主机体积小、重量轻，坚固耐用 5、 高信噪比、高精度、高分辨率 6、 可以兼容所有 RIS 系列的天线和天线阵2）天线：如图）天线：如图 8-3 所示天线是用来发射和接收高频电磁波信号的装置，RIS 雷达天线的中心频率从 10MHz~2.5GHz 不等；天线频率的不同，其探测深度和分辨率相应改变。

高质量的天线保 证了高分辨率的探测精度，由于博泰克 RIS 雷达天线采用了目前国际上领先的屏蔽技术， 尽可能避免了其它干扰信号，得到清晰的雷达波形图，使微弱的细号和深部信号不再 被强烈的干扰信号所压制，从而提高了探测灵敏度天线包括以下四种类型： 屏蔽天线：具有目前世界上最低频率的屏蔽天线(80 MHz)，在市区等要求抗干扰能力5很强的地方，需要进行深部探测时，具有无可比拟的优势 非屏蔽天线：频率有 10 MHz，25 MHz，40 MHz 等，用于地质、水文等方面 天线阵系列：RIS 雷达具有世界领先的天线阵技术，即把相同或不同频率的天线，通 过特定的组合方式排成阵列形式其优点是：增加了探测角度，提高探测概率，探测速度 快 井中天线：可深入井中数百米，用于井间 CT 扫描天线特点： 1、 同频率体积小、重量轻 2、 探测精度高、屏蔽性能好 3、 先进的天线阵技术大大提高了探测精度与效率图 8-3 各种天线3 3）后分析软件）后分析软件后分析软件是将主机处理和存储的雷达信号，根据不同特点进行各种处理，如去除干 扰信号、对被测物体进行切片、信号再处理等，并将探测数据链接到 CAD 制图，对被测物 体进行三维立体显示，自动绘制路面、隧道衬砌分层图、公路、铁路路基图、管线三维立 体分布图、岩性分层图、分类图等，可自动或手动分析得出各层的实际厚度，在雷达图上 加注钻孔取芯实际效果，对不同介质的分层设置不同的雷达波速，从而得到更精确的分层 厚度，并可以直接把探测结果导入地理信息系统，方便实现查询、统计、输出等功能，从 而更精确、更方便的进行管线探测和数据管理。

软件安装在 windows 界面下，友好的人机 对话，对非雷达专业的探测者，提供了最大的帮助 如图 8-4 所示6图 8-4 后分析软件RISRIS 软件的特点：软件的特点：①立体结构综合分析软件能够把处理过的雷达数据存储在数据库中，通过 CAD 自动链接软件 IDSGEOMAP，把处理过的雷达信息导入到 CAD 中，自动绘制三维图形②数据分析及分层绘图软件具有以下特点：a .自动或手动精确划分不同材料组成的层面b .自动添加图符说明（该功能能为用户提供报告很有帮助）c .在雷达图上显示实际钻孔取芯的结果，并可据此调整雷达波的波速，同时自动进行速度评估③岩性分析软件是目前世界上唯一一个能够进行土壤识别的软件，包含先进的“样品识别”算法，内部包含一个完全的土壤样品的数据库，能够自动对雷达图进行处理和识别，然后和数据库相比，以得到准确的分类结果；能够同时显示普通的雷达截面图，水平切片图、分层图、土壤识别彩色图等应用于路基检测、非开挖技术、地质分析等领域2、工作原理工作原理探地雷达作为无损检测的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点根据电磁波在有耗介质中的传播特性，探地雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波(几 MHz-几 GHz)，当其遇到不均匀体(界面)时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定，通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的(见图 8-5)。

7图图 8-58-5 探地雷达工作原理示意图探地雷达工作原理示意图电磁波在特定介质中的传播速度 V 是不变的 ，因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差ΔT，即可据下式算出地下异常的埋藏深度 H：（ 8-----1）HVT2式中，H 即为目标层厚度；V 是电磁波在地下介质中的传播速度，其大小由下式表示：(8-----2)VC式中，C 是电磁波在大气中的传播速度，约为 3×108m/s；ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数 r 可表示为：(8-----3)2121  r式中，ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大。