GSSI 地质雷达
地质雷达检测原理及应用
1.5 地质雷达探测系统的组成
从左到右从上到下依次为： SIR-20主机、电缆、400M 天线、电池和充电器、打标 器、测距轮
1.6 地质雷达天线分类
空气耦合天线：主要用于道 路路面检测（具有快速便捷 的特点，但受到的干扰较 大）；
地面耦合天线：主要用于地 质构造检测，检测深度较深 （地面耦合天线能够减少天 线与地面间其他因素的干扰， 检测效果较为准确）
2.2 现场检测工作 2.2.1 仪器设备启动与参数设置 ① 连接主机与电源和天线 ② 打开主机电脑，进入采集软件 ③ 采集方式：时间模式time（也称为连续测量、自由测量）、距离模式
distance（也称为测距轮控制测量、距离测量）、点测模式point ④ 采集关键参数 （1）频率：发射天线的中心频率越高，则分辨率越高，
与探空雷达一样，探地雷达利用超高频电磁波的反射来探测目标体，根 据接收到的反射波的旅行时间、幅度与波形资料，推断地下介质的结构与分 布。
1.2 地质雷达的工作频段
1~100MHz, 低频，地质探测1-30米 100~1000MHz，中频，构造结构探测，2米 1000~5000MHz，高频, 浅表结构体探测， 50厘米
反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越大，反射 信号越强
（7世界中粒子呈无序排列的 状态，当外界电磁波穿透该 物质时，微观世界中的粒子 就会成定向排列状态，此时 会形成一个电容板，对外界 穿过的电磁波形成一定的阻 碍作用，而每种物质粒子的 排列规律不同，形成电容板 时阻碍外界电磁波穿过的能 力不同，因此各种物质的介 电常数也不同
（9）在“表格”窗口中点“剖面”选项，设置起始里程，如果里程向右减小，选中 “区域减量”。
三、地质雷达典型缺陷图形判定
SIR20型地质雷达在城市埋地管网探测中应用
SIR20型地质雷达在城市埋地管网探测中的应用摘要:地质雷达在城市地下管道的探测工作中得到了广泛应用,取得了较好的效果。
本文在实际城市地下管网探测的工作中应用sir20型地质雷达,对管道埋深、管道材质和管道大小进行探测分析。
将分析判断的结果与实际管道参数对比发现,sir20型地质雷达的探测结果是基本可靠的。
对于提高地质雷达的判断结果,本文也给予了一定的分析。
关键词:城市管网地质雷达探测中图分类号:tu990 文献标识码:a 文章编号:1674-098x(2011)06(b)-0137-01在城市建设过程中,大量的给排水、供气等功能管道布置在地下,随着城市的发展和变迁,很多管道的位置信息资料遗失,为将来的市政建设带来一定的麻烦。
比如施工建设中将先前的地下管道破坏,造成泄漏就会带来安全问题。
因此,有必要对信息资料缺乏的施工地点进行地下管道的探测工作。
目前,地下管道探测工作主要使用的就是管道探测仪和地质雷达,其中地质雷达技术成为一种越来越广泛使用的方法。
1 地质雷达工作原理地质雷达法的工作原理是用无载波高速脉冲作为探测地下目标的信号源,其脉冲参数因目标探测要求而定。
用宽带天线将高速脉冲换成脉冲电磁波进行辐射,一部分经发射天线直接到达接收天线形成直达波,可用作地下目标深度的参考;一部分进入地下传播,当遇到地下目标或不同媒质界面时产生反射,反射的电磁波经地表到接收天线形成反射波,反射波相对地表反射的直达波出现的时间是电磁波从地表到目标再从目标到地表传播所需的时间。
反射波带有地下目标和地下媒质的性质信息,对反射波进行分析,可以确定地下目标的性质。
反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异,电性差越大,反射信号越强。
雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。
电导率越高,穿透深度越小;频率越低,穿透深度越大。
2 地质雷达选型本文以实际城市管网探测为目的,对城市道路或绿地下的各类管道进行探测,如金属管、pvc管和混凝土管等。
地质雷达在城市地下工程检测中的应用
地质雷达在城市地下工程检测中的应用摘要：近年来，随着我国城市的高速发展，城市地下工程项目的数量与日俱增，伴随而来的便是在人为因素作用下，稳定的地下土体原始受力状态被破坏，在施工处理不当的状况下，易形成土体疏松，空洞，地面沉降等问题，不仅影响了工程的进展以及周边建筑物的安全，更是给人民带来了极大的财产损失及生命安全隐患。
在地下工程施工中，这些隐患不易直接观测，只有当累加达到一定极限时才会被发现，此时再进行修复将耗费重大。
文中通过地质雷达检测技术在西安某地下工程施工过程中的实际应用，为类似状况下的城市地下工程检测提供了一些经验以及思路。
关键词：地质雷达；地下工程；工程应用引言交通行业对地质雷达测试高速公路质量认可度较高，其常用于地下工程质量控制（管棚数量、钢筋数量、拱架数量、衬砌厚度、背后空洞、仰拱厚度）、桥梁钢筋数量及混凝土裂缝、路面厚度等，并且在交工验收和超前地质预报中也经常使用，地质雷达物探技术属于无损检测技术范畴，其在施工质量过程控制、日常或专项质量督查中发挥重要作用，使质量缺陷、质量问题及违规行为无所遁形，是现阶段高速公路建设中极其重要的检测手段，行业内已经有不少建设单位将地质雷达检测地下工程质量直接纳入第三方中试检测工作内容，同时作为随时开展督查的利器。
１探地雷达探测原理与方法探地雷达由主机、反射天线和接收天线三大部分组成，通过电磁波检测地下介质分布并对不可见目标体或地下的不同界面进行扫描，以确定其地下的内部结构形态和位置。
根据地下不同介质的介电常数差异，利用发射天线向地下介质发射中心频率为１００ＭＨｚ的广谱电磁波，以宽频短脉冲形式通过发射天线传播到地下。
当电磁波遇到电性差异界面时，会发生散射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用。
通过接收天线接收来自地下的反射波并做记录，采用相应的雷达信号处理软件进行数据处理，然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释，对掌子面前方的工程地质情况（围岩性质、地质构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况）做出预测。
地质雷达.
隧道支护质量检测---400兆天线
30×30×17cm
隧道支护质量检测---900兆天线
33×20×8cm
隧道支护质量检测---钢筋
钢筋网模拟图
地质雷达天线水泥板测试图
钢筋网实测图
隧道支护结构---地质雷达模拟图
GPR-SIM软件
反 射 系 数 变 化
隧道支护质量检测---界面(超挖欠挖)
第四章 初期支护质量检测 第三节 地质雷达在隧道中的应用
地质雷达在隧道中应用
支护 （衬砌）
厚度
背部的 回填密 实度
钢筋、钢 架分布
岩溶探测
掌子面 超前预
报
地质雷达法的原理
地质雷达法是一种用于确定地下介质分布的光谱(1MHz～1GHz) 电磁技术。地质雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一 个天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时， 其路径、电磁强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而 变化。可根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资 料，可推断介质的结构。
高速铁路客运专线 隧道衬砌质量无损检测规程.pdf
实际上，雷达波之所以在物体界面产生反射，是因为界 面两侧的介电常数不同
隧道支护质量检测---地质雷达仪器
低频天线探测距离长、
GSSI公司地质雷达： 精度低，高频天线探测
SIR-20主机 SIR-3000主机
精度高、距离短。 地质雷达配有的有50
实测时将雷达的发射和接收天线密贴于喷层表 面，雷达波通过天线进人混凝土衬砌中，遇到钢 筋、钢拱架、材质有差别的混凝土、混凝土中间 的不连续面、混凝土与空气分界面、混凝土与岩 石分界面、岩石中的裂面等产生反射，接收天线 接收到反射波，测出反射波的入射、反射双向走 时，就可计算出反射波走过的路程长度，从而求 出天线距反射面的即离D，即有下式:
SIR3000使用说明
SIR-3000 的硬件设置很简单。我们将假定本例的天线是 400Mhz（5103 型），但硬 件连接与其它 GSSI 天线是相同的，并且电缆连接是显著做标记的。操作步骤如下：
1．用两个可拆卸的插头把天线顶部的两个垂直安装板之间的测量手柄连接起来， 调节舒适的角度，在标记端口把标记电缆连接到天线上。
交流电源：插上所提供的通用交流电源适配器，在 110-240 伏特，47-63 赫兹电源 条件下运行该系统。
串行输入/输出：这是一个标准串行连接，可以用它来建立 SIR-3000 与通用雷达间 的通讯。请参看第六部分：对于附加信息在 SIR-3000 上使用通用雷达。
以太网：该端口允许将 SIR-3000 连接到以太网，或连接到已通过以太网连接的其
Help（帮助）：该按钮位于 Run/Stop 下面。按 Help 按钮将出现一个帮助主题的菜单。 屏幕上的帮助只可由 TerraSIRch 闪光屏幕来进入。使用 Mark 按钮突出连接，然后使用 Enter 跳到帮助主题。按该 Run/Stop，将把您带回到以前的显示屏幕。
FunctionKeys（功能键）：这六个按钮位于视屏屏幕的下面。从初始启动的屏幕按 这些按钮的其中之一将使 SIR-3000 在想要的软件模块下工作。
2．把天线控制电缆的阴螺纹端连接到您的天线。然后把阳螺纹端连接到位于 SIR-3000 背部的天线连接处。把两个保护帽连接到一起。
SIR-3000 系统包含下列元件： 1-带有预加载操作系统的数字控制单元（DC-3000） 1-运输箱 2-电池 1-交流适配器 1-操作手册 天线、电缆和后处理软件不包括在以上项目中，需要另外购买。
1.2 总的描述
SIR-3000 是一台轻型、便携式、单道的地面穿地雷达系统，对各种各样的应用是理 想的。SIR-3000 的各种元件描述如下。
浅谈地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的运用
浅谈地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的运用蒋帅男（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059）摘要：近年来，随着我国交通事业的迅猛发展和西部大开发战略的实施,在岩溶地区修筑的隧道越来越多，而在岩溶地区隧道施工中，对掌子面前方一定范围的地质情况进行准确超前预报却是保证隧道施工安全的关键。
本文以中坝隧道为例,通过对拟掘进段隧道勘察资料及工程地质条件的解读、隧道掌子面地质编录情况的判别和解译结果的综合分析，预判拟掘进段存在溶腔，并通过超前钻孔揭示验证，得以及时采取有效措施，确保了生命及生产安全，表明在岩溶地区采用地质雷达进行超前地质预报是可行的。
关键词：隧道；超前地质预报；地质雷达；岩溶；1 前言由于地面水和地下水的溶蚀作用，在碳酸盐岩地区发育着各种类型的岩溶地貌和岩溶形态，给工程建设带来一定的复杂性，每年都因不同程度的岩溶危害而造成巨大的经济损失和危及人身安全，而随着我国交通事业的迅猛发展和西部大开发战略的实施,在岩溶地区修筑的隧道越来越多，因此在岩溶地区隧道施工中，对掌子面前方一定范围的地质情况进行准确超前预报是保证隧道施工安全的关键。
超前地质预报方法用来准确预测隧道开挖工作面前方工程地质状况，可以减少施工的盲目性。
采用科学的、先进的隧道超前隧道岩溶超前预报的手段有很多种，比如TSP、超前地质钻孔和地质雷达等。
而地质雷达探测具有分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示、处理速度快等优点，近年来在国内外岩溶预报上，比较受亲睐[1]。
本文以中坝隧道为例,具体阐述了地质雷达的基本工作原理及其在岩溶隧道超前地质预报中的测试方法,并针对岩溶预报雷达图像进行了具体的解译。
最后通过对拟掘进段隧道勘察资料及工程地质条件的解读、隧道掌子面地质编录情况的判别和解译结果的综合分析[2]，预判拟掘进段存在溶腔，并通过超前钻孔验证预判的准确性，得以及时采取有效措施，确保了生命及生产安全，实例表明在岩溶地区采用地质雷达进行超前地质预报是可行的。
基于雷达技术的隧道超前地质预报
基于雷达技术的隧道超前地质预报摘要：本文首先介绍了地质雷达的工作原理，再以美国GSSI地球物理公司研制生产的SIR-20型地质雷达在贵州某隧道中的应用为实例，阐明地质雷达在隧道及地下工程超前地质预报中的应用价值。
关键词：地质雷达隧道超前地质预报引言隧道施工，因处于地下而施工环境差，若发生施工事故，可能会造成大量的人员伤亡、经济财产损失和工期的延误，所以做好隧道施工的超前地质预报，对降低隧道施工风险，避免施工事故的发生，保证施工安全、工程质量、工程进度有着十分重要的作用，同时近年来，因地质雷达技术的不断完善、预报精度越来越高、运用价格也越来越低，而被大量的应用到隧道工程建设的超前地质预报当中。
1 地质雷达的工作原理地质雷达是利用超高频（106Hz～109Hz）窄脉冲电磁波的反射原理来对前方介质的分布情况进行地球物理勘探的一种有效方法[1-2]，其主要有雷达主机，发射天线和接受天线组成。
在进行超前地质预报时，发射天线发出超高频电磁波，电磁波在传播过程中若遇到介质异常体时，就会产生反射电磁波而被接受天线所接受而被存储到雷达主机当中，最后再通过操作人员对探测信号进行分析处理，最终得出预报结果。
2 超前地质预报的实施过程2.1 掌子面的探测掌子面的探测一般由3个人共同完成的，其中两个人抬着雷达天线沿掌子面来回扫描，其中一个来回为一次完整的探测过程，另外一个人则完成探测数据的标定与保存工作。
通常一次完整的超前地质预报工作需要对掌子面扫面探测3～4次。
2.2 数据的处理地质雷达的雷达主机储存的通过模数转换处理后的探测信号必须经过增益恢复、带通滤波、频率—波数（f—k）滤波、绕射偏移处理和反褶积滤波等一些列的处理后才能形成最终能被判读的雷达探测图像，下表1为几种典型地质与雷达图像特征的简要关系表：3 运用实例3.1 工程概况贵州某隧道为分离式中隧道，位于大方县西6km处，为高原中、低山构造侵蚀-溶蚀型峰丛地貌。
地质雷达原理
地质雷达原理
地质雷达是利用电磁波在地下传播的原理，通过对地下物质的反射和散射进行接收和分析，进而对地下结构进行探测和测量的一种无损检测仪器。
其原理是利用雷达技术，通过发射一定频率的电磁波，当电磁波遇到地下各种介质界面时，会发生反射、折射、散射等现象，根据这些现象可以获得地下结构的信息。
地质雷达主要通过接收不同方向散射回来的电磁波信号，进而确定各个界面的位置、形状、厚度等地质特征。
地质雷达的发射源一般采用高频的连续波或者脉冲波，其工作频率通常在10～1000MHz之间。
发射源产生的电磁波信号通过天线发射进入地下。
当电磁波遇到不同性质的地下物质时，就会发生反射和散射。
这些反射和散射的电磁波信号经过地下不同介质的传播后，一部分会返回到地面，并被接收器的天线接收到。
接收到的反射和散射信号经过放大和滤波等信号处理过程后，可以得到地下介质的电磁参数、介电常数、电导率等信息。
通过地质雷达扫描地表，可以绘制出地下各个界面的分布情况，如土质、岩性、矿脉、水层等地质结构的分布图。
通过分析这些地质结构的信息，可以对地质勘探、水资源调查、工程建设等提供有力的支持。
总之，地质雷达利用电磁波在地下介质中的传播特性，通过接收反射和散射信号，可以实现对地下结构的无损检测和测量。
通过地质雷达技术，可以获取各个界面的位置、形状、厚度等地质特征，为地质勘探和工程建设提供重要的信息。
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点源散射
传播参数公式
介电常数表
介电常数-传播速度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 雷达波的传播
•几何扩散； •散射； •能量转换； •反射；
地面偶合:原始资料
能量耦合效应
地质雷达探测的有效深度
• 地质雷达探测目标体能力的相关因素：
• • • • 目标体的性质 能量在传播过程中的损失 发射功率 天线的中心频率
地质雷达方法探测深度
• 地质雷达系统探测系统 • 地质雷达系统的采样机制 • 地质雷达成图原理
GPR探测系统
1
主机
2 7
发射天线
入射波
4
3
接收天线
6 Reflected pulses
发射波
第一层
第二层
5
第三层
散射
图 2.3: 信号发射与数据采集
界面示意
雷达成图原理
水平地层探测图象
倾斜地层探测图象
地层分界面雷达波反射波形
Voltage
Sample Time
time
Pulse Reception Window
Pulse Transmission Rate
Receiver Operation
Analog On Sampling On Digital Off
Analog Off Sampling Off Digital On
水平分辨率
Fs =2[(Z+λ/4)2-Z2]1/2 =2(λ2/2+λ2/16)1/2 ≈(2λZ)1/2 ≈V(tΔt)1/2
电磁波能量传播图FOOTPRINT
脉冲波
雷达波信号采样方法
Pulse Reception
Only process data from a window of time:
天线探测深度与应用
模糊区
电磁波能量传播图
垂直分辨率
– 垂直分辨率：能够分辨的两个物体在垂直方 向上的最小间隔。
• 频率越高，脉冲时间越短，分辨率越高；探测深 度越浅。 • 最小间隔：1/4波长,波长可以利用天线的中心频 率f 、电磁波在介质中的传播速度Vm计算出来
不同频率天线探测地层分界面
地质雷达的原理
劳雷工业有限公司
地质雷达的原理
• 地质雷达主机与天线 • 地质雷达工作原理
• • • • 地质雷达系统探测系统 地质雷达系统的采样机制 地质雷达成图原理 电磁波的传播机制
SIR-20高速地质透视雷达
SIR-3000 便携式地质雷达
SIR 地面耦合天线
地质雷达的原理
• 地质雷达主机与天线 • 地质雷达工作原理
Analog Off Sampling Off Digital Off
Analog On Sampling On Digital Off time