浅析地质雷达技术在我国的发展及应用

李 华,焦彦杰,杨俊波

(中国地质调查局 成都地质调查中心,四川成都 610082)

0 前言

地质雷达(ground penetrating radar,简称GPR)是一种快速无损的地球物理探测技术。在1910年,德国科学家G·Leimbach和H·Lowy等[1]首先提出了利用电磁波探测地下目标体分布特征的理论。自从1970年美国地球物理探测仪器公司生产出第一台商业性质的地质雷达后,岩土工程地质勘察的某些领域才逐步开始实现真正的无损、快速地质雷达探测。上世纪八十年代中后期,世界上掀起了研制地质雷达的高潮,如德国、英国、瑞典、意大利、日本、俄罗斯、挪威和加拿大等国纷纷开始研制地质雷达。

随后十几年间,地质雷达不断得到发展和完善,并以其高分辨率,工作频率高达5 000 MHz,分辨率可达厘米级,无损性,高效率,设备轻便,操作简单,从数据采集到图像处理实现一体化,可实时输出现场剖面记录图,以及抗干扰能力强,可在各种噪声环境下工作等优势,在各种地球物理方法中脱颖而出,很快成为岩土工程勘探和监测的主要手段,并广泛地应用于公路、铁路质量检测,城市基础设施探测,隧道检测,堤坝、库岸等水利水电工程探测,考古探测,环境检测等领域。

1 我国地质雷达技术的发展状况

通常所说的地质雷达,包括地面地质雷达和钻孔地质雷达。

(1)地面地质雷达的使用由于受介质介电常数的影响,穿透深度只能达到几米到几十米范围内,所以探测范围仅局限于浅层地表,不适于进行深部探测。

(2)孔中雷达不存在此问题,它可以通过钻孔直接进入地下深部进行探测,探测深度可达数百米甚至上千米,是地面雷达的有效补充。

1.1 地面地质雷达

我国自二十世纪八十年代后才开始引进国外的地质雷达技术,并进行了一些探测性能的初步试验工作。九十年代,我国开始了地质雷达的应用研究。1990年,中国地质大学(武汉)在中国首次引进加拿大EKKO- IV型地质雷达,并且进行了从探测理论、探测方法,到图像资料解释等较为系统的应用基础研究;上海同济大学采用地质雷达探测地下管线、旧建筑混凝土桩、古河道、暗河等,取得良好效果;交通部门引进了多台SI R-10H地质雷达仪,用于公路路面检测。九十年代国内多家单位从日本JRC公司引进了JEJ-60BF雷达仪,用于探测钢筋混凝土结构内部钢筋和缺陷的分布。

本世纪初,国内在地质雷达设备的研制方面已经取得了很大的进展。在2005年,中国电波传播研究所研制出LTD系列地质雷达,其中LTD-2000型地质雷达可配套25 MHz～1 000 MHz等多种屏蔽天线;国防科技大学电子科学与工程学院研制成功高分辨率GPR系RadarEye。2008年推出的LTD-2100/2200便携式雷达,基本上代表了国产商业地质雷达设备的水平。

1.2 钻孔地质雷达

在我国,钻孔地质雷达的发展却显得相对缓慢。1998年,中国矿业大学的黄家会等人[2]应用跨孔层析成像技术研究深部岩层特性,才填补了我国钻孔雷达技术应用的空白;2003年,吉林大学的刘四新教授等人[3]利用时域有限差分法(FDTD),对井中雷达进行了数值模拟研究,孔祥春老师[4]将钻孔雷达用于对裂隙和溶洞的探测;2005年王驹等人[5]利用钻孔雷达技术,对高放废物处置库场进行了评价;2006年吉林大学的刘四新教授等人[6]利用钻孔雷达探测地下含水裂缝,并取得不错效果。目前,钻孔雷达在我国的应用和研究还是相对较少。

总的来说,无论是在硬件还是软件方面,国内地质雷达的发展水平都要落后于国外,目前市场上所用的雷达设备主要还是以引进为主。

表1列举了目前使用较多的几种典型雷达,以及我国LTD-2100/2200便携式雷达的一些技术指标。

2 地质雷达工作原理

2.1 电磁波的传播

电磁波的传播规律,可以用麦克斯韦方程组来描述。电磁波在均匀介质传播过程中,远场的电磁波振幅可以用式(1)表达:其中 Ar为距离场源r处的电磁波振幅;A0为初始振幅;α为衰减系数;ω为角速度;t为传播时间;β为相位系数。

在无散射和低损耗的介质中,α和β又可表示为:

式中 ε0为介电常数;εr为相对介电常数;c0为电磁波在真空中的传播速度;σ为磁导率。

表1 几种典型雷达的技术指标Tab.1 The technique parameters of some typical ground penetrating radars

另外,电磁波的传播速度v和它的相位系数,还存在着如下关系:

结合式(2)和式(3),我们可以得到用电磁波速度和衰减系数来表达的相对介电常数和磁导率:

从上述式(1)～式(4)可知,电磁波在传播过程中,振幅呈指数衰减,电导率对衰减系数的影响最大(Theimer et al[7])。一般在岩石或土壤中等介质中,介电常数越低,电磁波速度越大;电导率越小,衰减系数越小,电磁波衰减越慢。

表2统计了一些普通介质的传播参数(van Overmeeren[8～10];Neal and Roberts[11])。

2.2 地面雷达工作原理

地面地质雷达是基于不同介质的电性差异,利用高频电磁波,探测隐蔽介质分布和目标体的一种高新地球物理方法[1]。当发射天线T以宽频带、短脉冲方式向地下发射电磁波时,遇到具有不同介电特性的介质时(如空洞、分层面),就会有部份电磁波能量反射(回波)。接收天线接收反射回波,并记录反射时间,如图1所示。

对于反射波,我们可以用下面的反射波旅行时间计算公式:

雷达反射波的旅行时间,会随被测介质的厚度和介电常数的差异而变化。于是,把发射与接收天线在被测介质表面同步移动,便可将反射界面的反射波依次排列成二维雷达图像。根据雷达图像,我们就可以判读出探测目标体的状况。

图1 雷达记录示意图Fig.1 Schematic diagram of GPR records

2.3 钻孔雷达工作原理

钻孔地质雷达有单孔反射和跨孔层析成像二种工作方式。单孔发射的工作原理与地面地质雷达的工作原理是一样的,对于跨孔层析成像,主要是根据从发射孔到接收孔之间的直达波走时信息,来推算二孔之间平面区域的速度分布,一般也叫慢度(速度的倒数)分布。虽然也有学者尝试使用全波的形式来进行慢度层析成像研究,然而对数据采集的要求和雷达天线的局限性,阻碍了它的进一步发展(Alumbaugh and Newman[12];Becht et al.[13])。

表2 电磁波在一些普通介质中的传播参数Tab.2 Examples of the electrical properties of some common geologic materials

现在,大量的慢度层析技术都是采用有限的直达波射线来覆盖测量区域进行慢度反演的,这些技术都必须首先明确电磁波传播路径的几何分布形态。在非均匀介质中,介电常数的差异大小是影响电磁波传播路径的重要因素。通常地,我们用射线近似地表示电磁波的传播路径。这样的话,一个子波从发射孔到接收孔的走时,可近似地看作与慢度成正比。

3 数据处理技术的发展

随着地质雷达应用领域的不断扩展,世界上大批数学、地球物理、电子工程及其相关专业的优秀人才,也开始投身于地质雷达的数据处理研究中。

在地质雷达应用初期,数据处理的方法主要包括:多次叠加法压制随机干扰;单道测量记录减去各道平均值压制相干噪声;用低频、高通、带通等频率域滤波消除不必要的干扰频率;用自动时变增益校正由波前扩展及介质吸收引起的信号损失等(Dolphin et al[14])。但这些方法有许多不足:

(1)多次叠加及单道测量记录减去各道平均值法处理后的结果,失去了原有的真实性。

(2)频率域滤波则会损失掉有用信息。

当探测目标体较小时,反射波强度弱、信噪比小,用上述简单方法对数据进行滤波处理则有可能会漏掉有用的信息,以至难以达到探测目的。

上世纪八十～九十年代,随着应用研究的不断深入,数值方法及计算技术的不断提高,地质雷达的数据处理技术也有了很大的提高,广泛应用于地震勘探中的反褶积和偏移处理技术被移植到地质雷达数据处理中[15、16]。但是,由于受地下介质的复杂性和噪声影响,反褶积的处理效果较之原始数据并没有多大的提高。从原理上说,三维偏移处理理论上可以确定异常体的空间位置,但由于地下条件的复杂性,加上观测数据资料的不足,三维偏移处理仍难以得到满意的结果。目前,比较实用的仍然是二维偏移处理方法。现有的偏移处理算法主要包括:Kirchhoff偏移(戴前伟等[17]);Stolt偏移(F-K)(Skelly et al.[18]);波动方程偏移(张剑锋等[19];冯德山等[20])等。

上世纪九十年代中后期,小波技术被引入到地质雷达的数据处理中。由于小波具有时频同时局部化特性,使得它在数据处理方面显得比其它方法更有优势。用多尺度分析方法可以根据不同的环境条件,对数据进行不同程度的处理,从而达到不同分辨率的目的(李才明等[21])。更重要的是,小波分析不仅可以压制噪声干扰,同时还保留了数据中的有效成份。到目前为止,小波分析在地质雷达数据处理中,已经取得了不少的研究成果(韦宏鸽[22、23]),为地质雷达的应用领域的进一步扩展打下了坚实的基础。

4 地质雷达在我国的应用状况

由于雷达波对物体的电磁特性敏感,因此其主要用途在于探测介电常数与周围介质有明显差异的目标体。现阶段地质雷达在我国的应用领域可综合概括为以下几个方面:

(1)路基路面质量检测[24]。

(2)城市基础设施探测[25]。

(3)隧道工程[26]。

(4)地质调查[27]。

(5)水利水电勘察[28、29]。

(6)地质灾害与环境工程[30]。

(7)考古[31、32]。

(8)矿产探测等。

表3(见下页)统计了地质雷达技术在我国各个领域中的应用情况(截止到2009年3月)。从表3中我们可以从侧面看出,雷达技术在我国的路面路基检测,隧道工程和城市基础设施这三个领域的应用最为普遍,也最为成熟。

下面,我们对每个领域的具体应用情况,作进一步的详细说明,同时列举出一些比较典型的雷达探测图像供大家讨论。

4.1 路基路面质量检测

路基路面质量检测包括公路沥青层或混凝土厚度检测,公路基层、垫层和路基质量检测,路基下沉、孔洞、软弱体、裂缝等检测及桥梁结构检测;铁路的路基各层质量检测,路基中岩溶或采空区探测,路基冻土层分布范围探测等方面。公路的沥青层、混凝土层、垫层、基岩各层之间,都有非常明显的物性差异,这为雷达技术的应用提供了很好的物性前提,所以地质雷达技术在这个领域能取得很好的预期效果,图2(见下页)就是一个比较典型的路面分层图。目前的REFLEX处理软件,还可以直接生成各层的厚度报告。

表3 GPR技术在我国地球物理学中主要期刊应用的论文数Tab.3 Number of papers related to GPR technology published on domestic geophysicalmagazines

4.2 在城市基础设施探测中的应用

随着市政建设的发展,开挖施工愈来愈多,地质雷达可迅速地查清施工前方的暗河、管线(包括各种金属和非金属管线)、旧基础等地下障碍物的分布,对市政建设具有重要意义。这是因为在施工中打断管线,会造成停水、断电、污水横流等事故,而大量的旧基础会造成施工中断,延误工期。

在地质雷达技术刚开始涉及这个领域时,由于城市里各种干扰源比较多,常常给解释带来很大困难。但近段时间以来,各国学者在这方面的研究倾注了很大的热情,并取得了重大突破。如目前市场上已经推出了比较成熟的三维数据采集雷达系统～雷达天线阵W itten。图3(见下页)是用W itten做的不同深度的切片,所探测的金属管、煤气管等都可轻松判别,效果相当逼真,完全可达到探测要求,图像解释也变得简单了。

4.3 在隧道工程中的应用

实际上,地质雷达技术可以用于隧道建设的全过程。从隧道路线设计时的地质条件调查,到隧道开挖前的超前地质灾害预报,再到隧道竣工后的隧道衬砌结构密实度、厚度,以及钢筋布置情况的质量检测[36]和隧道路面厚度的质量检测,都可以用到地质雷达。由于这十几年来我国经济的飞速发展,全国到处都在修建高速公路,大量的公路隧道为地质雷达技术的发挥提供了一个广阔的舞台,致使雷达技术在这方面的应用也相当成熟了。

图4(见下页)是一个钢筋与混凝土结合密实程度对比验证的实例,左边的钢筋混凝土结合的较好,发射界面较弱;右边钢筋与混凝土密实度较差,存在明显的反射界面,反射就较强。

4.4 在地质勘查中的应用

在工程地质勘查中,由于不同的地层介电常数不同,对雷达波反射强度也不同,因而具有各自的雷达波形特征,以利用雷达波探测地层分类,了解地下基岩等持力层的位置。特别是在基岩面起伏剧烈,破碎带又相对发育的地区,单纯依靠工程钻探显然不能满足工程设计的要求。结合钻地质雷达,可完成地层划分,地下断层和断裂查找,地基调查,水文地质勘察,地下采空区范围探测,岩溶地质调查[37]以及滑坡勘察等地质勘探工作。

图5(见下页)为一沉积岩基岩面探测结果,从图5中可以看出基岩面有很好的显示。

4.5 在水电大坝勘察中的应用

地质雷达在大坝勘察中的应用,包括前期的工程勘察,中后期的工程施工阶段质量控制,堤坝隐患探测和水利工程质量检测等。堤坝的隐患无损探测,则可通过现在逐步发展成熟的钻孔地质雷达来完成。

图2 公路路基分层图Fig.2 The layering section of road bed

图3 用W itten做的不同深度的水平切片Fig.3 The horizontal section of different depth byW itten

图4 隧道钢筋雷达扫描图Fig.4 The surface-penetrating radar scanning of steelbar in tunnel

图6(见下页)为MALA公司的钻孔雷达在某一大坝的探测实例,图6中的深色区域表示速度较慢,可能为渗漏通道。

图5 基岩面的雷达探测图Fig.5 The survey of rock surface

4.6 在地质灾害与环境工程中的应用

常见的地质灾害主要有:滑坡、崩塌、泥石流、地面沉陷、水土流失和特殊土灾害等。发生地质灾害地区的地质结构变化很大,存在明显的物性界面。在滑坡调查中,中国地质大学李大心教授在滑体结构、滑动面(包括残积土滑体的滑动面特征、碎石类滑体的滑动带特征以及软土中工程滑坡的滑动面特征)、滑体形态等方面,作了大量的理论研究和实践工作,并在实践中取得显著效果。

图6 速度层析成像图Fig.6 The result of velocity tomography

图7是一典型的滑坡滑动面。

图7 滑坡面的雷达探测图Fig.7 The radar scan of landslide surface

在环境检测中,可应用①地下水位埋深探测;②地下排污管道破碎泄漏污染探测;③垃圾填埋场污染物扩散范围探测等。我国雷达技术在这方面的应用研究还比较少,这将是未来发展的一个重要方向。

4.7 在考古探测中的应用

包括古文化层埋深调查,古遗址探测,地下埋藏物探测,地下墓穴探测,古建筑结构和古代壁画空鼓区域调查等。虽然我国在这方面的探测工作起步比较晚,但这些年来在这方面的应用研究工作也相对较多了[31～35]。

4.8 在矿产探测中的应用

对于浅层地表的金属矿化带、断层蚀变带,可以利用地面地质雷达进行探测,矿化带金属及氧化物、硫化物富集,电磁性质差异明显,电磁波反射明显,可以为寻找隐伏矿体提供参考。对于深部的矿化带及断层蚀变带,则可通过钻孔地质雷达来探测。我国雷达技术在这方面的应用研究也相对较少,尤其是钻孔雷达可以在这一领域发挥重要作用。

5 结论与展望

综上所述我们可以看出,虽然我国雷达技术发展的比较晚,在雷达设备研制上还明显落后于发达国家,但是我们在地面地质雷达技术的应用上已经趋于成熟,特别是在路基路面质量检测,城市基础设施探测,隧道工程检测这几个方面,都取得了很好的实际应用成果。

但是,我国在钻孔地质雷达技术的发展还比较缓慢,究其原因,一是孔中天线太昂贵,二是钻孔雷达技术在我国的介绍和应用相对较少。其实这一技术在国外已经用的很广泛,且在很多领域都取得了不错的效果,这也将会是我国雷达技术未来应用发展的一个重要方向。

所以,我们有理由相信,在不久的将来,随着我国西部大开发战略的实施和基础设施建设规模的扩大,计算机处理器的快速提升,雷达数据处理技术的进一步发展,地质雷达技术将会发挥更大的作用,它的应用领域也将进一步向纵深方向发展。

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