GR地质雷达介绍
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
地质雷达的应用
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70年代开始应用至今将近30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、地质构造研究等问题。
在工程地球物理领域有多种探测方法，包括反射地震、地震CT、高密度电法、地震面波和地质雷达等，其中地质雷达的分辨率最高，而且图象直观，使用方便，所以很受工程界信赖和欢迎。
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PA THFINDER 雷达、R I S -2K /S 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。
GR地质雷达数据处理分析系统介绍
z 变面积 z 曲线 z 彩图 z 剖面图
z 颜色设置 z 单道信息查看 z 里程桩号显示 z 时深坐标显示
z 物性识别 z 含水及孔隙率谱分
析 z 地形校正 z 速度计算
GR 地质雷达处理分析系统目前在国内外销售近 100 套，荣获地球物理协会 工程地球物理委员会唯一推荐地质雷达软件系统。GR 地质雷达软件自从 2003 年 推出，经过全国用户的使用和反馈，目前功能覆盖以下内容：数据管理系统、数 据编辑系统、数据分析系统、数据处理系统、数据解释系统、成果输出系统、显 示系统以及本软件的特色功能模块。
道位图输出：可按道根 据需要输出任意大小的位图 文件。
层位信息输出：利用空 间自相关追踪技术实现层位 自动识别，跟踪。同时可以 完成多层位追踪，并自动形 成 EXCEL 电子表格。可方便 查看各点层位厚度。
铁路 CAD 成果：利用病 害编辑和层位线，自动构造 铁路路基 CAD 成果图。
公路面层质量评价：自 动评价公路厚度的合格 率等重要参数。
数据管理
数据编辑
数据分析
软 件 功 能
数据处理
数据解释
成果输出 显示系统 特色功能
z 数据格式转换 z 数据导入导出 z 项目管理
z 标记管理 z 时窗压缩变换 z 道间压缩变换 z 数据翻转 z 文件拼接 z 数据删除 z 数据清零
z 标记编辑——添加/删除 z 标记归一化 z 标记分割（标记等分处理） z 标记编排
自动进行层位追踪
z 层面解析 z 二维解释系统 z 三维解释系统
二维解释工具箱辅助在剖面上直接 圈出异常位置，由解释异常统计功 能自动导出异常相关表格
地质雷达在岩溶地区岩土工程勘察中的应用
Ｒ＝ ８１ １ 一 ｓ２ １ ／ ￡１ １ ＋ ￡ ）／ １ ｆ ）／ （ ）／ （ ）／ （ ２ １ ｝（ ） （ ２ ２ ２ ２ 式中 ｓ 和 ｓ 分别 表 示 反射 界面 两侧 的相对 介
电常数 。
程范围内岩溶 、 同 溶｝发育情况 ， 对加快施工进度 ， 节 约工程投资 ，确保工程安全具有极其重大意义。 地质 雷达勘探技术 作为工程 勘探近年来发 展起来 的一种先进勘探方法 ， 已在工程勘察的许多领域取得
查 明溶 洞平 面分 布和 空间延 伸情 况 ， 决 了过去 单纯 解
钻探方法仅能获取一个点上信息 ， 而无法获取空间信
息 的难 题 。 用地 质雷 达技术 ， 利 我们 对铜 陵市 几处岩
分析计算处理 后向反射散射脉冲
溶发育地区做了勘探工作 ，取得了满意的效果。
１
无 波 冲 Ｉ 载 脉 源 堂
几个实例 ，阐述在岩溶 发育 区，采用地质 雷达结合钻探 综合勘 察方法 ，高效 准确 查清构筑物基础范围内岩溶溶洞发育
情 况 ，提 高岩 溶 区勘 察 效 益 和 勘 察 进度 。
关 键 词 ：岩 溶 区 ；地 质 雷达 ；综 合 勘 察 中 图分 类 号 ：Ｕ ５ ４５ 文 献标 识码 ：Ａ
２ 岩溶塌 陷勘察
新华山铜矿位于著名的铜陵狮子山铜矿 田南侧的
鸡冠 山矿 区 内 ， 属铜 陵市 狮 子 山区 和铜 陵县 天 门镇 分
续分布的裂缝 ， 缝长约 １ｃ ０ｍ至数米 ， 它一般小于２ ～ ５ｍ 洞深一般 ０ ～ ｍ， ｃ； ． ４ 最深可达 １ｍ， ５ ３ 剖面上呈碟 状或桶状 。２ ０ 年 ４ ２ 距新华山铜矿 主井北东 ０７ 月 ４日 方向约１０ 岩溶塌陷， ３ｍ 塌陷坑为椭 圆形 ， 直径约３ｍ， ０ 深约 １． 坑周 围环形分布的裂缝 ， ３ ｍ， ０ 缝宽 ２ ５ｍ —ｃ； 新华 山铜矿 一 ６ｍ坑道同时发生透水淹井 ，损失巨 １０
新型--探地雷达数据采集以及解释
以及解释山东年夜学岩土中心第1章．探地雷达简介1．1工作基来源根基理探地雷达（Ground Penetrating Radar,简称GPR）是利用频率介于106～109Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器.随着微电子技术和信号处置技术的不竭发展,探地雷达技术被广泛应用于工程地质勘察、建筑结构调查、公路工程质量检测、地下管线探测等众多领域.探地雷达的基来源根基理如图1所示.发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下,电磁波在传布过程中遇到存在电性差另外地层或目标体就会发生反射和透射,接收天线收到反射波信号并将其数字化,然后由电脑以反射波波形的形式记录下来.对所收集的数据进行相应的处置后,可根据反射波的旅行时间、幅度和波形,判断地下目标体的空间位置、结构及其分布.探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的,所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性不同、电磁波的衰减水平、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等.其中,目标体与介质间的电性不同越年夜,二者的界面就越清晰,暗示在雷达剖面图上就是同相轴不连续.可以说,目标体与周围介质之间的电性不同是探地雷达探测的基本条件.图1 探地雷达基来源根基理1．2电磁波传布特征探地雷达的电磁脉冲在介质中的传布速度为：其中c为电磁波在空气中的传布速度,罕见介质的介电常数如表1所示.材质相对介电常数材质相对介电常数粉质粘土 6 水81干砂3～5 灰岩4～8湿砂20～30 花岗岩4～7金属300 砂岩 6PVC塑料页岩5～15混凝土淤泥5～30空气 1 海水80粘土5～40表1各种罕见介质的介电常数电磁波脉冲在地质界面上的反射系数为：根据电磁脉冲的传布规律,在地质界面上如果反射系数为负,则相位与发射脉冲相反,若反射系数为正,则相位与反射脉冲一致.如图2和图3,可以清除看到反射波相位的变动规律.图2图31．3雷达的分辨率对地质雷达的探测方式．它的分辨率也是一个必需了解的内容．地质雷达的分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率.地质雷达的垂直分辨率主要由地质雷达的波长的二分之一决定.从波的传布规律可知,识别目标体的标准一般需年夜于1／2波长,假设垂育最小可分辨的层的厚度为Dm.则它的计算式为：其中,c为电磁波在真空中的传布速度.可见频率越高,介质的介电常数越年夜,D m越小．即垂直可分辨层的厚度越薄,垂直分辨率越高.地质雷达的水平分辨率是指地质雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸的能力.通经常使用Fresenel来暗示,当反射面的埋深为H,发射,接受天线的间距远小于H时,R F就是水平分辨率的最小标准.从计算公式可以看出．当目标体埋深越年夜,雷达波频率越低,波长越长,则R F越年夜,水平分辨率越低．反之,水平分辨率越高.第2章．雷达数据的收集雷达数据收集的步伐如下：1．仪器装置调试；2．现场地质以及其它情况记录；3．安插测线；4．参数设置；5．参数现场校核,如分歧格,重新调试参数；6．数据收集.下面将各步伐的注意事项说明.2．1仪器装置调试①必需在断电的状态下进行装置和装配；②如果现场空气比力湿润或者有水,注意防潮防水,以免短路招致损坏电路；2．2现场地质记录记录现场的地质条件,以免现场的干扰在雷达记录中造成假象,扰乱最终的解释.2．3安插测线如果已知探测对象的年夜体走向,尽量使测线与其走向正交；2．4参数设置,各项参数如下：4）：,在,有一部份电磁波继续向下传布,传布过程中电磁波能量会被介质吸收.随着深度的增加,电磁波能量减弱,信号幅度相应地减小,晦气于信号识别和识别.为了能更好地识别信号特征,采纳增益（gain）函数来提高信号的幅度,使得信号的细微变动更容易显示和识别.增益菜单有两个选项：手动/自动Manual/Auto,增益点数Points,GP1、GP2、GP3…GP5.在收集主机的屏幕的右半部份有一个示波器窗口,除显示波形之外,还有一条红色的曲线,该曲线就是增益曲线,曲线的转折点点就是增益控制点.适当的增益函数会提高信号的可视性,可是增益过年夜会呈现削波现象,应该防止削波现象.②位置确定：雷达剖面的最顶端其实不是第一个反射面（比如在空中探测时,剖面的顶端其实不是空中）,这主要是因为：第一,系统延时,即主机给动身射指令到天线开始发射的延迟时间,第二,直达波,即有发射天线直接到接受天线的电磁波.为了更加精确的定位,应该去除这两方面的干扰.可是由于确定零线较为困难.可以在探测时在空中放置一根电缆与测线正交,天线经过电缆时在剖面上会记录下电缆的位置,通过识别电缆就可以确定零线的位置了.图4 collect菜单的注解5）,在该菜单下有一个SCAN和PROCESS子菜单,通过子菜单可以可以进行一些参数修改和数据处置,以便获得更好的显示效果.注：这些修改和处置只是用于显示,其实不会改变原数据.图5 Playbacck菜单的注解6）.图6 Output菜单的注解7）图7 System菜单的注解①,需要调节增益设置；②如果呈现雪花现象（特别是深部）,需要增加叠加次数；③如果存在已知深度的目标体而且该目标体可以在雷达剖面上识另外话,可以通过该目标体的深度来反算波速,进而求出介电常数.这样求出来的介电常数比力接近真实值.如果没有已知深度的目标体,可以打钻确定一个目标体,然后量测其深度,用同样的方法来反算介电常数.①,而且不要发生跳动现象,跳动现象会造成非常年夜的干扰.②打标识表记标帜要及时,尽量不要重复.③隧道拱顶或者拱腰部位探测时,可以使用台车（由装载机拖动台车）,汽车架子和装载机架子,如图8.其中台车最平安,汽车架子最不服稳.台车（由装载机拖动） 汽车架子 图8各种架子第3章 数据分析数据分析和数据处置的目的就是压制干扰,突出有效信号,提高信噪比,这是进行功效解释的前提,只有进行仔细的处置,才华获得良好的效果.图9为数据分析和处置的流程图,其中数据分析和数据处置需要进行屡次调试比较,才华到达较好的处置效果.本章将对各个步伐进行详细讲解.图9 雷达数据分析和处置流程3．1绘制测线安插图和尺寸调整3．1．1 绘制测线安插图内业工作的第一步就是将现场的测线安插草图绘制成正式文档.由于现场雷达数据文件是以编号命名的,所以每条测线所对应的文件编号需要记录在文档中,以防混乱.如下图10,就是雷达探测桥洞的测线安插图,可见在图中标注了测线的方向以及测线所对应的文件编号,应该尽量多的将现场信息反映在安插图上,有助于在解释过程中识别干扰,需要时可以做文字说明. 图10 雷达测线安插图3．1．2雷达数据剖面的尺寸调整 由于在数据收集过程中存在以下的情况： ① 采纳时间连续收集模式的时候天线走速不均匀,招致标识表记标帜（等距离标识表记标帜）之间的道数纷歧样,甚至分歧非常年夜；② 地表起伏比力年夜,容易在雷达剖上造成假象； ③ 由于直达波的存在,使得剖面的最顶部其实不是空中的反映,使得深度发生误差.好 不 好 功效解释 确定处置流程和参数 数据处置 增益处置 IIR 滤波 FIR 滤波 F-K 滤波算术运算 反卷积 偏移处置 静态校正 希尔伯特变换 ……处置效果 绘制测线安插图 尺寸调整 零线确定数据分析频谱分析 希尔伯特变换针对以上的情况,需要进行尺寸调整,各功能模块如下：正每个标识表记标帜之间的道数,固然同时也修正了收集速度（天线运行速度）.参数输入框注意：①在运行该功能之前,必需确保标识表记标帜信息是正确的（无重复标识表记标帜,无丧失标识表记标帜,首尾标识表记标帜都存在,所有的用户标识表记标帜都已经转化为距离标识表记标帜或联合标识表记标帜）.②Scans/unit,unit/mark都必需在头文件中设置好,以便运行该功能.③unit/mark是根据丈量时的设定来设置的.④Scans/unit需要用鼠标来清点每个标识表记标帜之间的道数（注意：因为在雷达剖面中显示的是已经做了叠加处置的数据,若每个标识表记标帜之间的道数为3,而叠加次数为16,则实际每个标识表记标帜之间的道数为二者的乘积48,切记！！）⑤该功能运行之后,原数据中在第一个标识表记标帜之前的部份已经被cut off了.可以通过水平尺寸缩放中的叠加,去除,添加功能来修改雷达数据.参数设置对话框注意每次只能这三项功能中的一个.叠加（stacking）：使用该功能可以对数据进行简单的滑动平均处置.该功能就是将所指定的几道平均叠加之后输出一道数据.去除（skipping）：选定此项,你可以将指定的道去除,比如,你输入参数1,就会每隔一道去除一道数据（因此,数据被压缩到原来的二分之一）添加（stretching）：选择此项,将拓展水平尺寸.该功能将计算出每相邻两道的平均值（或指定道数）,然后将平均道添加到已有数据中.有时因为场地条件所限,我们不能不分部收集数据,在后处置中为了将各部份数据连接在一起,就要使用该功能了.①选择File＞Append File.②选择所要连接的各个文件.③点击Done,完成连接,重新命名加以保管.由于系统延时和直达波存在,使得整个剖面的最顶部其实不是空中的位置.确定空中的位置,对精确的深度定位来说非常关键,可是如何确定,目前还没有定论,下面列举三个经常使用的方法.①根据RADAN介绍,百分之九十的情况下把直达波的第一个正峰位置作为空中.②根据华东院资料,将直达波的第二个波瓣作为空中,如下图③根据经验,可以在探测时在起始部位放置一根电缆,在后处置时在剖面上识别出该电缆,这样就可以确定空中位置了.下面以一个探测剖面为例说明一下这三种方法的用法与区别（如图11）：图11 零线简直定如图11,其第一个正峰位置是10.34ns,第二个峰值是14ns,而电缆位置是16.34ns,可见三者最年夜相差6ns,依照介电常数为8计算,深度偏差了30cm,对超前预报来说该误差可以允许.而对衬砌检测来说偏差较年夜,需要综合三种方法来分析.在测线安插时会遇到地表起伏较年夜的情况,这就需要修正地表起伏对数据剖面的影响,进而可以使水平或接近水平状的反射体的反应更接近实际.通过输入标识表记标帜的z值就可以实现该功能.3．2 数据分析,目前比力经常使用的处置方法有一维滤波,二维滤波,以及反滤波,这几种方法都是以傅立叶谱分析为基础的,傅立叶谱分析是将雷达数据由时间域转化为频率域,暗示的是各种谐波频率的振幅分布,如图12.图12 振幅频谱图关于分歧探测介质的振幅频谱特征,一下有几个结论（摘自杨峰资料）：（1）水对高频电磁波具有很强的吸收作用,这与水离子导电是密切相关的,离子导电增加了介质的电导,而电磁波传布与电导和频率之间呈指数衰减关系.（2）花岗岩不单对高频成分具有一定吸收,而且形成的振幅谱比力单一.（3）在干燥的不均匀介质中,形成的振幅谱不单主频特征不明显,而且在天线的高端会形成一定的杂波信号.这可能是由于高频电磁波在不均匀介质内形成屡次干涉造成的.干涉现象势必加宽信号的频带特征.具体的谱图如图13.空气布景雷达频谱特征水布景雷达频谱特征花岗岩布景雷达频谱特征干燥碎石布景雷达频谱特征图13 分歧介质的频谱图希尔伯特变换,地质雷达发射的高频脉冲电磁波在地下传布过程中将发生强烈的衰减、反射、折射、绕射和散射,这些反射波、折射波、绕射波和散射波相互叠加在一起,为数据处置带来了巨年夜的困难；同时,为了获得更多的反射波特征,地质雷达通常利用宽频带进行记录,因此不成防止地记录下各种干扰噪声.如果噪声频率带与反射波频率带重叠或接近,利用傅立叶谱分析技术对这样的信号进行分析,有时难以取得理想的效果,严重影响了图像解释的可信度和精度,进而影响了地质雷达的探测效果.而希尔伯特变换可以较好的解决这个问题,希尔伯特变换就是将记录道的信息直接在时间域上转化为瞬时振幅,瞬时相位,瞬时频率的技术.复信号的瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率这3种瞬时信息,一般是指一个特定的瞬间,而不是一个时间段的平均.地质雷达信号记录道x(t)的复信号分析与地质雷达信号的傅立叶谱分析分别在时间域和频率域上对地质雷达信号的能量、频率和相位等参数进行分析检测,它们在振幅上无实质分歧,而瞬时频率与傅立叶分析的频率分歧,前者是分析全部谐波叠加波形的视频率,后者则是分析各谐波频率的振幅分布情况.两者既有区别,又有一定的内在联系.复信号分析技术与傅立叶谱分析技术的功效输出分歧,它可以将地质雷达记录中的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率分离出来,获得同一个剖面的3的解释方法亦有所分歧.瞬时振幅是反射强度的量度,它正比于该时刻地质雷达信号总能量的平方根,利用这种特征便于确定特殊岩层的变动.本地层存在明显介质分层、滑裂带或地下水分界面时,量度.无论反射波的能量强弱,它的相位都能显示出来,即使是弱振幅有效波在瞬时相位图上也能很好地显示出来.当电磁波在各向同性均匀介质中传布时,其相位是连续的；当电磁波在有异常存在的介质中传布时,其相位将在异常位置发生显著变动,在剖面图中明显不连续.因此利用瞬时相位能够较好地对地下分层和地下异常进地层的岩性变动,有助于识别地层,当电磁波通过分歧介质界面时,电磁波频率将发生明显变动.这种变动可以在瞬时频率图像剖面中较为清晰地显示出来,在地下介质发生变动的时候,瞬时频率也会发生显著变动,需要指出的是,在反射层处瞬时频率的年夜小在数值上与反射波的主频对应的很好,所以可以利用瞬时频率的年夜小和稳定情况来判断地下介质的稳定性和岩性变动.对同一探测对象,3种瞬时信息在同一位置发生明显变动就可能反映探测对象在该处的物性变动.因为在这3个参数中,瞬时相位谱的分辨率最高,而瞬时频率谱和瞬时振幅谱的变动也较为直观,所以通常根据瞬时频率谱和瞬时振幅谱来确定地下异常或分层的年夜概位置,然后利用瞬时相位谱精确确定异常位置和分层轮廓线.有些时候,也可以直接利用瞬时相位谱来确定地下异常的位置.具体的分析实例见第五章.第4章数据处置数据处置是进行数据解释的基础,在RADAN中数据处置的方法非常多,应该在数据分析的基础上决定采用那些处置方法,采用怎去除屡次反射反褶积去除绕射并修正倾角较年夜的层面偏移增加低振幅部份的可视性运算功能显示增益和窗口增益观察细微的特征Hibert幅度转换空间滤波生成更为清晰的数据四则运算功能Local peaks（局部极值提取）静态修正各种处置方法的使用方法和注意事项在下面具体讲述.4．1去除水平噪音所谓的水平干扰信号,就是指水平带状干扰,通常具有低频特征,经常会干扰一些真实的反映体,如下图：（a）水平干扰（b）频谱图（可以看出低频干扰较多）图1 水平带状干扰及其对应的频谱图图2 水平干扰（可以看出剖面主要被水平信号覆盖）IIR水平高通滤波滤波器长度应该先设为数据剖面的最年夜道数（应该为奇数）,如果该数值超越225,则应该选择225.这样,在水平方向上长度即是或超越该值的特征将被执行滤波,而长度低于该值的特征受影响很小.IIR水平高通滤波器,其长度最年夜为255,所以长度超越该值的特征都将会被执行滤波,这是不成防止的；②因为直达波也是水平信号,为了分歧毛病直达波发生影响,可以通过设置起始/终止样本点来圈定滤波区域,避开直达波.滤波器长度应该先设为数据剖面的最年夜道数（应该为奇数）,如果该数值超越1023,则应该选择1023.这样,在水平方向上长度即是或超越该值的特征将被执行滤波,而长度低于该值的特征受影响很小.FIR布景去噪滤波器,其长度最年夜为1023,所以长度超越该值的特征都将会被执行滤波,这是不成防止的；②因为直达波也是水平信号,为了分歧毛病直达波发生影响,可以通过设置起始/终止样本点来圈定滤波区域,避开直达波.因为水平干扰信号往往具有低频干扰,所以垂直高通滤波器可以进行相应的处置,具体滤波器设计需根据频谱特征来确定.4．2去除高频干扰高频信号经常暗示为雪花形状,对数据造成了较年夜干扰.可以通过垂直低通滤波,水平低通滤波,滑动平均滤波来进行处置.垂直低通滤波分为IIR 和FIR形式,可以根据频谱图来确定具体的滤波参数.其原理是当你输入一个非零值,由该值决定的道数会相加平均并将平均值赋予中间道,依次计算.所以参数值应该为奇数,一般情况设为5就可以很好的去除高频,平滑数据.4．3 空间滤波,选择达数据剖面.空间快速傅立叶变换滤波器,是一个二维的频率滤波器,在时空二维域中进行滤波.经常被称作频率－波数滤波,或f-k滤波（注：k就是波数的意思）.这种方法可以发生一个二维矩阵,代表了雷达波的相位和振幅.可以用此滤波器进行二维滤波以削减噪音干扰.对已经变动的数据矩阵进行傅立叶逆变换,此时的滤波器会滤失落一些噪音.在技术上,通过逆变换,数据由频率域恢复到时间域.相对一维的垂直和水平滤波,F-K滤波的优点有：可以对信号和噪音进行更好的区分.信号和噪音或许在一维处置中会有所重叠,使得分离它们变得非常困难.可是二维滤波中的情况好的多.该功能的对话框如下图：主要显示了二维谱图,滤波器参数设置,以及谱图的显示控制参数.其中谱图的竖轴代表了信号频率,横轴代表了波数（即每单元长度上波周的数目）.Recalc按钮会将文件转化为二维谱图.谱图的显示参数可以控制谱图的显示质量,一旦谱图形成,可以用Gain,Zoom来增强显示效果,可以使用Scans,Samples来选择显示范围（显示范围也可以通过鼠标来控制）设置滤波器参数可以开始快速傅立叶逆变换.滤波器参数的意义和选择·Min Freq最小频率,Max Freq 最高频率,这两项控制着滤波器的竖向分量.·Alpha 和 Delta Alpha控制着水平分量,可以通过图中的直线在调整.Alpha 代表着滤波器的对称水平,当两条直线关于中间直线对称时,Alpha的值接近于0,当Alpha 很高时,意味着两条射线分歧毛病称.Delta Alpha代表着射线之间的夹角,与反射体的线性尺寸相关.滤波器类型的选择：该项决定了使用哪种空间快速傅立叶逆变换,总共有五种：None: FFT文件不作任何修改被恢复,High-Cut Horizontal:仅两射线之间的部份被执行FFT逆变换. High-Cut Vertical: 仅两射线之外部份被执行FFT逆变换.High-Cut Vert Symm:仅两射线之外部份被执行FFT逆变换（对称的）High-Cut Horz Symm:仅两射线之间的部份被执行FFT逆变换（对称的）注：当射线分歧毛病称时,使用对称滤波器形式可以起到较好的作用.使用经验：①分歧毛病称的射线与对称的滤波器类型组合,往往获得比力好的效果.②射线对称时（即Alpha的值接近于0）,水平和竖直特征会被突出.分歧毛病称的射线（即Alpha 的值很高）突出倾斜的特征.④对High-Cut Horizontal和 High-Cut Horz Symm来说,DeltaAlph较小时且对称时,突出的是水平信号,当Delta较年夜且对称时,则可以包括各种信号.如下图.原始数据Alpha较小Alpha较年夜⑤High-Cut Vertical和High-Cut Vert Symm方式,当Delta Alph 较小且射线对称时,包括各种信号,当Delta较年夜且对称时,突出竖直信号.所以运用这个功能可以去除水平干扰.原始数据Alpha较小Alpha较年夜⑥当射线分歧毛病称时,突出的是倾斜信号,如下图,可见High-Cut Horizontal倾斜信号不突出.High-Cut Vertical模式High-Cut Vert Symm High-Cut Horizontal4．4 去除屡次反射－反卷积当雷达信号在目标体（如一块金属物或湿粘土层）和天线之间来回反射的时候,往往会呈现屡次反射界面的现象.或者在两个反射层面之间发生电磁波的振荡,呈现屡次反射现象.这种现象会模糊浅部的（或者深度较小的部份）真实信息.在实际探测中在扫描地下水层,基岩或空洞的时候就会呈现屡次重复的情况.反卷积就是为去除此类噪声干扰而设计的滤波方法,还可以提高垂直分辨率,分解间距较小的层.RADAN中的反卷积方法叫做预测反卷积,这是一种将尖脉冲反卷积作为一种特例的罕见方法.该方法试图尽力在天线与空中耦合的时候去迫近发射脉冲的形状.假设一个特定长度的震源子波,也称作滤波器算子长度,当震源子波由数据中被清除时,该滤波器可以预测一定距离之外的数据形状,叫做预测延迟.这就招致了反射子波被压制.像天线重复反射等此类预测现象,将被移动到比预测延迟更远的位置,可以有效的消除此类现象.反卷积参数选择为了更好的运行反卷积滤波,像滤波算子长度,预测延迟,预白噪声化,增益,起始样本,终止样本等参数应该适当的选择.滤波算子长度：依照组成一个脉冲的样本点数目,滤波器算子长度设定了滤波器的年夜小.·较长的滤波算子长度可以对雷达波进行较好的拟合,而且可以获得较好的结果,可是耗时较长.·滤波器算子长度应该满足一个完整的雷达子波循环,这样将起到较好的作用.小于该值的参数会招致欠好的结果.反射,再找到第二个正反射峰值,将两者的样本点数相减,而算子长度值应该年夜于或即是该值.预测延迟：该值将被设定为理想的输出脉冲长度（年夜约为雷达子波的半个循环）.小于该值的参数会发生更多噪声.·利用反卷积来去除重复反射时,延迟值应该即是或小于重复之间的空间.·参数值为5－1的预测延迟被用作拟合尖脉冲反卷积,可是这将给数据带来更多噪声干扰.预白噪声化：通过加强白噪声（零延迟）元件,预白噪声化可以调整相应的自相关函数.从数学意义上来讲,预白噪声化可。
地质雷达检测技术在公路工程检测中的应用
地质雷达检测技术在公路工程检测中的应用摘要：地质雷达检测技术具有无损、经济快速、高精度等优点，将地质雷达检测技术应用在公路工程检测中，能有效地提高检测结果的准确性、科学性。
该文阐述了地质雷达检测技术在公路路面厚度的工作原理，对地质雷达检测产生误差的原因进行了分析，并结合实际工程检测，说明了地质雷达检测技术在公路路面厚度的应用是可行的、可靠的。
关键词：公路工程；地质雷达检测技术；路面厚度地质雷达(又称探地雷达，Ground Penetrating Radar，简称GPR)检测技术是一种高精度、连续无损、经济快速、图像直观的高科技检测技术。
它是通过地质雷达向物体内部发射高频电磁波并接收相应的反射波来判断物体内部异常情况。
在公路建设过程中，常采用钻芯取样法对路面厚度指标进行控制。
这种检测方法需要对公路路面进行不同程度的破坏，同时取芯法缺乏代表性，存在一定人为因素，影响检测结果的公正性。
地质雷达检测技术具有采样快、精度高、分辨率高、经济性强、检测无损伤等特点[1-3]，能有效地弥补传统的检测方法中存在的不足之处，因此将地质雷达检测技术应用在公路工程检测中有十分重要的意义。
1 地质雷达检测技术的发展现状1.1 地质雷达技术的发展地质雷达是一种地球物理探测方法，其主要利用超高频脉冲电磁波进行地下介质的探测。
由于地下介质对电磁波具有较强的衰减性，同时地下介质的复杂性和多样性要远远大于地上的空气，所以，电磁波在地下的传播要比在地上传播复杂得多。
所以，在地质雷达应用的初期，它主要用于冰层或岩盐矿等介质中，因为此类介质的电磁波吸收较弱，在上世纪七十年代以后，随着高新技术的不断发展以及新材料的不断涌现，探地雷达技术也获得了迅速的发展，到目前为止，探地雷达已经广泛应用到了道路工程检测中。
2 地质雷达检测技术的工作原理分析2.1 地质雷达的系统构成一套完整的地质雷达设备包括多个子系统，具体有主机、发射机、接收机、天线、信号处理等。
地质雷达介绍
D h/2
31
2. 探地雷达探测的设计
每接受一个探地雷达测量任务都需要对目的体特性与所 处环境进行分析，以确定探地雷达测量能否取得预测效果。
(1)目的体深度是一个非常重要的问题。如果目的体深度 超出雷达系统探测距离的50％，那么探地雷达方法就要被 排除。雷达系统探测距离可根据雷达探距方程进行计算。
满足Qs+Q>0的距离 ，称为探地雷达的探测距离，亦 即处在距离 r 范围内的目的体的反射信号可以为雷达 系统所探测。
27
1.2 探测距离
与选用的天线频率、地下介质的相对介电常数、电导率相关
对于铜、铁等良导电媒介质，其电导率σ 很大，衰减常 数β 也很大，因此，电磁波在良导电媒质中传播时，场 矢量的衰减很快，电磁波只能透入良导体表面的薄层内 （电磁波只能在导体以外的空间或电介质中传播），这 种现象称为趋肤效应。电磁波透入导体内的深度称为穿
粘土
5-40
花岗岩 4-6
岩盐
5-6
冰
3-4
金属
300
PVC材料 3.3
2-1000 0.01-1 0.01-1 0.01 1010 1.34
0.06 0.13 0.13 0.16 0.017 0.16
1-300 0.01-1 0.01-1 0.01 108 0.14
12
工程物探专题----地质雷达
7
1．电磁波在介质中的传播速度
探地雷达测量的是地下界面的反射波的走时，为了获取地 下界面的深度，必须要有介质的电磁波传播速度 v ，其值为
v [ ( 1 ( )2 1)]1/ 2
GR地质雷达使用说明手册-第1章
第一章 前 言1.1应用范围地质雷达利用主频为数十兆赫至千兆赫波段的电磁波，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。
由于地质雷达探测速度快、精度高，以及对原物体无破坏作用，所以在工程领域中有广泛的应用。
地质雷达目前已经广泛应用于如下方面： ● 探测松散堆积层与基岩界面 ● 探测地下水的水位线● 探测软弱破碎带(断层)的位置及规模● 对规模较大的裂隙及洞穴的位置和规模的确定● 坑道开挖掌子面前50米范围内的地质构造和地质灾害预测 ● 公路路基场坪地基混凝土结构质量检测 ● 各类地下管线探测 ● 地下埋设物探测 ● 防空洞位置探测 ● 超浅层地基探测● 隧道砼厚度与钢支撑密度施工质量检测 ● 地基注浆质量检测● 飞机场跑道、滑行道、停机坪病害及施工质量检测 ● 铁路路基与高速公路路基病害及施工质量检测 ● 地下及隐蔽工程水渗漏检测 ● 圈定人工填土范围与掩埋沟渠 ● 地基土壤污染圈定正是由于地质雷达有着很好的应用效果，从八十年代起，世界上许多国家都对它进行了不断的研究与开发。
随着电子技术和计算机技术的发展，这种研究开发仍在继续。
1.2 雷达探测的基本原理地质雷达是一种电磁探测技术。
静止的电荷分布或电流分布，激发稳定电场。
稳定电场不随时间变化，不向外辐射能量。
如果场源的电流随时间变化，就激发变化的电场，变化的电场在其周围激起变化的磁场，变化的磁场又要激起变化的电场，变化的电场和磁场由近及远地传播出去，形成电磁场。
在无源空间中，电磁场的发射、传播、反射、折射及绕射满足如下的麦克斯韦尔方程：(1–1)∇⨯=H D t ∂∂εμ=1V 0)()(22='+z E k dz z E d(1–2)(1–3)(1–4)其中：通过对式（1-1）和式（1-4）求解，可得：（1–5）（1–6）其中：从上两式中可以看出，该方程组具有波动方程的形式。
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GR-III地质雷达产品介绍
1 技术指标
1.1 主机：
(1)数据采集方式：点测、连续测量、测距轮控制
(2) 触发方式：时间触发、键盘触发、测距轮触发
(3) A/D转换：16位
(4) 采样率： 10ps采样间隔
(5) 扫描速度：200KHz脉冲频率
(6) 测量时窗：5－3000ns
(7) 功耗：35W
(8)最大系统动态范围：156 dB
1.2 天线
（1）天线种类：屏蔽式地面耦合TE极化天线。
（2）天线频率：50MHz/100MHz/200MHz/400MHz/750MHz/1000MHz
（3）天线前端模控噪声放大器：+20dB～- 60dB
1.3 软件基本功能
软件系统包括以下八大功能:
(一) 项目管理
采用文件项目管理模式：
●用户可以将测区所用测线导入该测区的项目中。
●通过下拉选择框，用户可以方便选取测区的任何测线。
●对任何测线的任何处理在测线列表中保留其处理过程，在测线列表中，用户
可以方便选择任意处理文件，并方便对任意处理文件进行删除和叠加操作。
●用户可以输入测区所有测线坐标位置，可以在平面图上观察所有测线的分布，
同时可以直接在测线平面分布图上选取测线。
(二) 输入输出
●雷达剖面的打印输出。
●雷达剖面的图像文件输出。
●将当前数据转换为SEGY等地震格式
(三) 标记管理
既可以在屏幕上直接删除和插入标记，也可以通过对话框编辑标记实现。
(四) 里程管理
可以进行标记控制里程管理，也可以进行道间距里程管理。
这两种里程管理模式可以相互转换。
(五) 处理功能
处理功能很多，主要参见如下：
(六) 数据分析
●速度分析
●各种谱值分析
(七) 解释系统
解释系统是本软件具有独特功能的研究成果
●层位自动识别和追踪，与里程结合起来自动解释。
●公路评价系统：自动评价公路厚度的合格率等重要参数。
●异常图形编辑解释：自动统计异常的里程深度等信息。
●病害解释：对回填不密实空洞等给出判定依据
●三维解释系统
●地形校正
(八) 编辑
●可以任意删除无用的道数据
●可以压缩道间剖面
●可以压缩时间间隔剖面
可以扩展任意时间段剖面。
1.4 应用指标
(1)连续工作时间：≥12小时
(2)温度范围: -10 0C ～﹢60 0C
(3)供电条件: DC12V
1.5 产品照片
地质雷达三代主机
GR-III地质雷达主机与100MHz屏蔽天线
系列屏蔽天线
处理软件
3 高速多通道雷达简单介绍
多通道雷达快速处理解释系统
根据道路隐伏病害对不同电磁波时间响应和频率响应的特征、隐伏病害信号快速增强处理和识别算法、多通道信息综合解释方法、解释资料（包括图件、表格等）快速提取方法等开发出适合城市道路病害检测的处理解释软件。
并与硬件一起，构成城市道路病害多通道雷达快速检测系统
应用指标：1～5雷达通道；脉冲频率达到800KHz；探测深度达到15米；隐患解释准确率达到85％以上；隐患横向误差控制在0.3米；纵向误差控制在1/4波长范围；车载速度可以达到80公里/小时。
技术性能及参数
●主机控制通道数：主机通过USB进行网络扩展连接。
连接通道数可以按照用
户需求设定。
●脉冲重复频率：50～800KHz可调
●最小步进：2ps
●接收机带宽：3000MHz
●10ns（100MHz天线）发射极脉冲响应频率：200KHz
●2.5ns（400MHz天线）和5ns（200MHz天线）发射极脉冲响应频率：400KHz
●1ns（1000MHz天线）和0.5ns（2000MHz天线）发射极脉冲响应频率：800KHz
●时变低噪声放大器放大器增益：-30dB～20dB
●采样点数：256～2048可选
●每秒最快扫描道数：以256样点计算，可达3200扫描/S。
●采样时间窗：5～2048ns。
技术水平
采用USB控制网络与FPGA（CPLD）数字控制系统结合，实现雷达的网络式高速采集。
与当前模拟控制快速雷达采集系统相比具有如下优点：
●通道控制具有动态可扩展性：目前GSSI开发的2通道和IDS开发的3通道
快速雷达系统其通道数固定，不能进行扩展。
而本项目研制仪器采用USB网络控制模式，极大方便了通道的扩展功能。
●发射机的高速响应：脉冲重复频率预示雷达采集速度大小。
目前国外地质雷
达最新产品均达到400KHz脉冲频率，但是，这只能应用于400MHz以上信号发射系统。
对100MHz天线，由于需要较高发射脉冲幅度，在使用过程中，国外产品均在100KHz以下脉冲扫描速度，本系统达到800KHz脉冲扫描速度，即使是100MHz发射系统，也突破200KHz界限。
因此在相同测试速度的前提下，横向精度提高了2倍以上。
●超高速的脉冲频率。
本系统脉冲发射频率为50～800KHz，目前国内外最高脉
冲频率为400KHz。
●。