大深度探地雷达在矿区污水调节库大坝无损检测中的应用

杨承志

（江西省核工业地质调查院，江西 南昌 330038）

1 探地雷达的原理

探地雷达法（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是一种利用频率介于106Hz～109Hz的无线电磁波确定地下介质分布的一种勘探方法。由于采取的是高频、短脉冲、宽频带和高速采样技术，所以它探测精度高于其他普通的地球物理勘探手段[1]。

该方法是利用发射天线向地下的媒质发射广谱、高频电磁波，由于发射天线发射出来的电磁波在地下传播过程中由于介质介电常数存在的差异从而在分界面处发生反射并被接收天线接收。采用的仪器通过对接收的数据，包括接收电磁波的振幅、相位、波形及双旅程时等其他参数来进行处理分析，然后结合工程地质情况再确定地面下目标体的结构、位置及形态等特征[2]。

如图1所示，电磁波在地面下介质特性(电特性)不同的界面上经过反射而返回地面。电磁波在传播过程中，由于它的路径、电磁场强度和波形特征将随所通过介质的电质性质及几何形态的变化，而产生不同程度的变化，根据回波信号的形状、时延和频谱特性等参数，来解译出目标体的深度、性质及介质结构。对于，在数据处理方面，我们通过应用数字图像的恢复及重建技术，对目标体进行成像处理，来达到对地下目标体的真实及直观的再现过程。一般情况，电介质的电性差异的及电磁波在不同介质中的衰减变化程度，决定了所采取探地雷达方法的有效性。如图1所示，R是接收天线，T是发射天线，X为天线之间的距离，V是电磁波在不同介质中的传播速度，H是反射面到地面上的深度，由它们的几何关系我们可以 得到电磁波的双旅程时间。

图1 探地雷达检测原理示意图

因此,只要估计地下介质合理的相对介电常数，或通过已知深度目标体求得电磁波在地下的传播速度，并结合探地雷达获得电磁波从发射到接收的双程旅行时间，就可以进行转换，获得反射界面或是探测目标体的深度。

常见的地下相对介电常数和电磁波在不同介质中的传播速度如下表1所示。

表1 介质的相对介电常数和电磁波波速

探地雷达法数据采集的方式主要包括两种：剖面法（CDP）和宽角法（WARR）。剖面法是将接收天线和发射天线以固定的间隔距离沿着一根测线同步移动的测量方法，在此过程中，获取与地表测线相一致的地下剖面的图像，它是一种最常用的探测方法，也是本次检测中采用的测量方法。宽角法是采用一个天线固定，而另一天线不停地移动的方式，或是两天线陡同时沿着其中心点向两侧地反向相同距离地移动，在这个过程中，仪器记录地下不同层面地反射电磁波双旅程时间，这种方法主要是用来获得地下介质的电磁波速度和反射面的深度。

并且，在运用的理论中由于电磁波会向地下介质传播的特性，传播中的能量会逐渐衰减从而使得获得的反射信号不断会减弱，电磁波频率越高能量衰减越快，同时我们将电磁波能量衰减至原来的1/e时，所获得的深度称为有效深度。由于各种干扰波、地表不平和地下介质结构的复杂性等因素，结合不同频率探地雷达天线的特点及查阅相关文献，总结出如下不同频率雷达天线的勘探深度。

2 仪器设备

针对大坝检测干扰大、精度要求高的特点，本文采用加拿大sensors & software公司（SSI）于2018年最新研制开发的新型Ultra pulseEKKO系列大深度探地雷达系统，该套探地雷达具有发射功率高（最高电压1000V）、勘探深度大（最大深度100m）、叠加次数高（最大叠加次数65536）、抗干扰能力强、收发分离扩展功能多等特点。同时可以根据场地施工需求选择搭载50MHz、100MHz、200MHz非屏蔽收发分离式天线，如下图2所示。

图2 Ultra pulseEKKO系列大深度探地雷达系统

Ultra pulseEKKO系列大深度探地雷达系统是目前全球有效勘探深度最大，叠加次数最高，应用范围最广泛的探地雷达之一。

3 数据处理

受各种干扰波、地表不平和地下介质结构的复杂性等因素使得由地下管线空洞、塌陷、松散引起的有效信号与干扰信号混杂在一起，造成记录的图像会难于解释，所以我们应首先对GPR法采集获得的数据进行处理，处理的手段主要有：频率域滤波、信号预处理、频率域滤波、空间域滤波和二维滤波、调整成图参数和信号增强处理等；在此过程中，根据判读波形和追踪反射波组的同相轴，并通过合理地解译来恢复真实的地下结构的构造，数据处理流程图如图3。

图3 数据处理流程图

3.1 信号预处理

信号预处理主要包含两个环节：①根据班报记录对原始数据进行必要的数据拼接和测线方向反转，并根据综合测线进行统一的桩号修正；②进行信号的去直流漂移及去低频漂移处理（图4）。

图4 去信号漂移的前后对比图

3.2 频率域滤波

频率域滤波主要包括高通滤波、低通滤波及带通滤波，其滤波参数的选取依据为信号经傅里叶变换后的频谱图。其中高通滤波可压制低频噪声，低通滤波可压制高频噪声。在各类环境噪声中，由于低频噪声比高频噪声衰减更慢、影响区域更大，因此对于主频大于100MHz天线的数据应主要考虑高通滤波压制低频噪声，而对于本次可能采用的50MHz低频天线应主要考虑使用带通滤波同时压制低频和极低频噪声[3]。

带通滤波器的设计包括高截、高通、低通、低截共四个参数，其参考值分别为天线主频的40%、80%、120%、160%。

3.3 空间域滤波

常见的空间域滤波算法包括：平滑滤波、背景水平道消除、反卷积等。在进行地质分层等层状介质模型的数据处理中可适当采用矩形窗平滑滤波，以保证波形同相轴的连续可追踪性。当出现明显水平道干扰时应采用背景消除，若同时需进行地质层面解译时，其滤波窗口长度应设置为“全通”。当反射信号弱、数据信噪比低时，不宜对数据进行反卷积[4]。

3.4 二维滤波

二维滤波即采用FK或克希霍夫算法对数据进行偏移归位处理，主要应用于压制极强的空间电磁干扰（如高压线等）的绕射波。其拟合速度可通过拾取干扰波的绕射弧获取[5]。

3.5 调整图像显示参数

雷达图像的显示参数包括增益调整、时深转换、图像属性编辑及输出等。其中增益调整通过设置起始增益值、最大增益值及衰减度来控制，衰减度变量严格按照指数规律设置，从而确保的增益后信号的真实性[6]。时深转换根据工作区钻孔资料及其他先验资料进行速度标定，再利用该速度对测区其余测线进行时深转换[7]。

4 应用实例

本文选用永平某矿区污水调节库大坝进行实验探测，该坝主要为土坝结构，坝顶及坝侧面采用石块进行堆砌。据现场了解，该坝存在渗漏情况，需要查明坝体渗漏的位置及情况。

4.1 不同频率天线对比

本次大坝探测采用了50MHZ和100MHZ两种天线进行对比探测，见图5、图6，从两种不同天线采集的数据分析，可以看出，两天线的图件形态基本一致，都大致反应了大坝的分层情况。从50MHZ图可以看出，10m以浅的信号相对于100MHZ天线，信号更弱，相对而言，高频天线采集的浅部信息更加丰富。

图5 50MHZ天线

图6 100MHZ天线

4.2 坝体解译

根据钻孔资料及探地雷达物探成果图7，可推测此剖面的覆盖层厚2.1m～4.8m，全风化层厚度厚度3.1m～5.9m，强风化混合岩层厚度6.4m～7.2m，下伏为中风化混合岩层。在平距16.0m～21.9m，埋深105.5m～99.6m处，原本连续均匀的同相轴突然中断消失或杂乱，内部波形杂乱，绕射波较多，推测为疏松体，后期经钻孔验证，该处确实为松散体。

图7 坝体物探成果图

5 结论

地质雷达法是目前一种快速并高效的无损检测方法，可广泛地应用在大坝检测，应用探地雷达技术不但可以探测坝体的地层结构分布情况，还可以用于坝体渗漏情况的质量检测中。通过探测，及时准确地发现地下病害体，为工程治理提供依据。