3章 地质雷达仪器结构与特点
工程施工常见仪器(3篇)
第1篇在建筑工程的各个阶段，从规划、设计到施工，再到最后的验收，测量仪器是不可或缺的工具。
这些仪器不仅保证了工程的质量和安全，也提高了施工效率。
以下是一些工程施工中常见的测量仪器及其作用：一、水准仪水准仪是测量地面高程差的主要仪器，广泛应用于地形测量、道路、桥梁、隧道等工程的高程控制。
水准仪分为普通水准仪和精密水准仪，其中DS3型微倾式普通水准仪在工程测量中最为常用。
水准仪通过测量两点间的高差，结合已知点的高程，推算出另一个点的高程。
二、经纬仪经纬仪主要用于测量地面点的平面位置和高程，包括水平角测量和竖直角测量。
经纬仪的精度等级有DJ07、DJ1、DJ2、DJ6和DJ10等，其中DJ07为最高精度。
经纬仪在施工中的应用非常广泛，如建筑物轴线测设、结构构件安装、基础定位等。
三、全站仪全站仪是一种集水准仪、经纬仪和测距仪功能于一体的综合测量仪器。
它能够同时进行水平角、竖直角和距离的测量，广泛应用于地形测量、工程放样、施工监控等领域。
全站仪具有操作简便、精度高、功能强大等特点。
四、全球定位系统（GPS）GPS是一种利用卫星信号进行定位和测量的技术。
在工程施工中，GPS可以提供高精度的地理位置信息，用于地形测量、施工放样、施工监控等。
GPS具有实时性强、定位精度高、覆盖范围广等特点。
五、激光测距仪激光测距仪是一种利用激光束进行距离测量的仪器。
它具有测量速度快、精度高、操作简便等优点。
激光测距仪在工程施工中的应用主要包括建筑物高度测量、结构构件尺寸测量、地形测量等。
六、激光经纬仪激光经纬仪是在光学经纬仪的基础上，加装激光发射装置而成。
它具有测量精度高、定位速度快、操作简便等特点。
激光经纬仪在高层建筑、烟囱、塔架等高耸构筑物施工中的垂度观测和准直定位、结构构件及机具安装的精密测量和垂直度控制测量等方面具有显著优势。
七、水准尺水准尺是一种用于测量高程差的辅助工具。
在水准测量过程中，水准尺用于读取地面点的高程值。
地质雷达技术讲解(课件)
数据处理 地震波却恰好相反；地质雷达的穿透深度比地震波要浅得
多。所以单一地移植、借鉴地震资料处理技术是不够的。 通常我们得到的雷达数据是原始数据，为了更容易的识别 目标体和得到更清晰的反射信号，还需要对雷达原始数据 进行进一步的后处理。这里以瑞典 MALA 公司的 Ground Vision采集处理软件为例，简要说明数据处理的过程。
隧道检测
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准备工作
初支或二衬壁上每5m做一标记（红点或红竖杠），每20m 做一里程标记（如DK123+880）；
搭设检测台架，可以以3-10km/h速度移动，台架上要能站 立2人且有护栏，站在台架上的人员要能触摸到拱顶和拱 腰位置；
配备了解现场情况的工程技术人员2人，司机1人，安全防 护人员1人，配合检测工人4人；
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地质雷达应用领域
市政设施及管线探测
铁路工程探测
公路探测
建筑结构、桥梁、隧道检测
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地质与环境探测 考古探测
军事安全探测
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隧道检测
隧道探测要解决的主要问题 隧道衬砌厚度检查 隧道内部结构物检查—钢筋、钢拱架等 隧道衬砌混凝土质量检查 隧道衬砌混凝土密实度检查 隧道衬砌防水板检查 隧道超前预报
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现场采集 7．安全要求： 测量拱顶和拱腰位置时，工作人员和天线都要用安全带或
绳索与周边物体进行固定，防止工人高空作业时发生危险 和天线滑落摔坏。 8．地面要求： 地面平坦，无杂物、无影响车辆通行的障碍物。
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衬砌检测报检单
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衬砌检测报检单
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2.检测原理及方法； 3.检测里程汇总； 4.问题缺陷汇总表； 5.结论及建议； 6.附表--检测厚度汇总表； 7.附图--厚度检测曲线图、雷达检测图像。
地质雷达仪器组成及设备选型概述
地质雷达仪器组成及设备选型概述地质雷达是一种通过发射和接收无线电波来探测地下介质结构和目标的设备。
它主要由发射器、接收器、天线和数据处理系统组成。
地质雷达主要用于地质勘探、地下管道探测、地下建筑结构检测等领域。
地质雷达具有非侵入式、高分辨率、快速便捷等特点，因此在地下勘探方面有着广泛的应用。
地质雷达的设备选型主要受到以下方面因素的影响：1. 探测深度：不同的地质雷达设备有不同的工作频率和波长，因此探测深度也不同。
一般来说，低频率的地质雷达可以探测更深的地下结构，而高频率的地质雷达可以实现更高的分辨率。
2. 探测目标：地质雷达可以用于探测不同类型的地下目标，比如地下水、地下裂缝、地下管道等。
不同类型的目标需要不同类型的地质雷达设备来进行探测。
3. 工作环境：地质雷达设备的选型也需要考虑到工作环境的因素，比如地形、地质条件等。
在复杂的工作环境中，需要选择适应性强、稳定性好的地质雷达设备。
4. 数据处理系统：地质雷达设备的数据处理系统也是很重要的一部分，它直接影响到探测结果的准确性和可靠性。
因此在选择地质雷达设备的时候也需要考虑其数据处理系统的性能和功能。
总的来说，地质雷达设备的选型需要综合考虑探测深度、探测目标、工作环境以及数据处理系统等因素，选择适合具体应用需求的设备，才能更好地实现地下勘探的目的。
地质雷达是一种非侵入性地球物理探测技术，通过发射电磁波并检测它们在地下的反射来获取地下介质的信息。
该技术可以用于地质勘探、地下水资源调查、地下管道和电缆的定位、考古探测、地下建筑结构检测等领域。
地质雷达主要由发射器、接收器、天线和数据处理系统组成。
在地质雷达设备的选型中，首要考虑的是探测深度。
不同工作频率的地质雷达设备可以实现不同的探测深度。
一般来说，低频率的地质雷达可以达到更深的探测深度，但分辨率较低；而高频率的设备则能提供更高的分辨率，但探测深度相对较浅。
因此，需要根据具体的应用需求来选择合适的工作频率和波长的地质雷达设备。
3章 地质雷达仪器结构与特点
举例
下图是使用300MHz天线，岩土介质介电常数为9的条 件下的垂向分辨率随深度的变化。
雷达记录信号的传输
• 雷达天线接收到的反射信号如何传输到记录器并 将其记录下来。目前国内外的雷达就此分两种不 同的方式。一类是天线接收到的电磁波信号直接 送回到计算机，在计算机里完成数值采样，并进 行储存。象美国的GSSI公司的各种雷达、中国的 各种雷达多是这种方式。另一类是天线接收到信 号后立即进行数值采样，而将数值信号送回计算 机储存，加拿大的PULSE EKKO雷达就属于该类。 后者的优点是抗干扰性能好，便于长距离传输。
能流密度较大，有利于增大探测深度。 电磁波中电场的极方化向在传播方向与天线轴组成的平面内，磁场的极化 方向与该平面垂直。
E
前后方向
左右方向
天线频率与频带
雷达脉冲与子波
触发波形
天线发射波形
雷达脉冲与子波
雷达探测深度
雷达的水平分辨率
• 根据Fresnel(菲涅尔)原理，菲涅尔带中心垂直反射与边缘 反射的波程差为λ/2，菲涅尔带半径df为： df=(hλ/2+λ2/16)1/2 水平分辨率应为菲涅尔带半径的1/2。 • 假定雷达波以锥面形式向下传播，物体上表面将大部分能 量反射回来，则水平分辨率可根据下式估算： Rf= (λh+λ/4)1/2 Rf :圆柱半径, λ：电磁波长，h：柱体顶面埋深。 • 从上述公式中可以看出，水平分辨率与埋深及波长有关， 而波长是由天线频率和介质波速决定的。下表中列出了三 种常用频率天线探测典型工程介质时的水平分辨率。
地质雷达仪器结构与特点
内容提纲
• • • • • • • • 控制、发射与接收 采样方式 天线的作用与结构类型 天线频率与频带 雷达脉冲与子波 雷达探测深度 雷达的水平与垂直分辨率 雷达记录信号的传输
地质雷达原理及应用PPT课件
地质雷达可以在各种复杂的环 境下进行探测，如山地、河流
、城市等。
地质雷达的缺点
成本较高
地质雷达设备成本较高，对于一些小 型项目来说可能不太经济。
对操作员要求高
地质雷达的操作需要专业人员进行， 对于普通人员来说可能需要较长时间 的学习和培训。
受环境影响较大
地质雷达的探测效果受到环境因素的 影响较大，如土壤湿度、电磁噪声等。
时域和频域分析等处理。
数据处理软件还具有地图显示 功能，可将探测结果以图像形 式展示，方便用户分析和解释
。
04
地质雷达应用实例
地下管线探测
总结词
利用地质雷达的高频电磁波探测地下管线的位置和深度，提高城市规划和建设 的安全性。
详细描述
通过向地下发射高频电磁波，并接收反射回来的信号，地质雷达能够准确测定 地下管线的位置和埋深，为城市地下管线的规划、建设和维护提供重要依据。
THANK YOU
感谢聆听
数据处理复杂
地质雷达获取的数据量较大，需要进 行复杂的数据处理和分析，对于数据 处理技术要求较高。
地质雷达的发展趋势
技术升级
数据处理智能化
随着科技的不断发展，地质雷达的技术也 在不断升级，未来将会有更高效、更精确 的探测技术出现。
随着人工智能技术的发展，未来地质雷达 的数据处理将更加智能化，能够自动识别 和提取地下物体的信息。
详细描述
地质雷达能够快速、准确地监测地质灾害的发生和发展，如滑坡、泥石流等，为 灾害预警和应急救援提供及时、准确的信息，有效降低灾害造成的损失。
矿产资源勘探
总结词
利用地质雷达的高分辨率探测矿产资源的分布和储量，为矿 产资源的合理开发和利用提供科学依据。
第三讲__地质雷达仪器结构与特点
第三讲地质雷达仪器结构与特点3.1控制、发射与接收探地雷达主要由控制器、发射与接收天线组成。
控制器是雷达的核心部分，它是在计算机的基础上配合信号发生触发器、A/D转换器共同组成。
地质雷达构成示意图3.2 采样方式地质雷达的A/D转换是决定地质雷达技术指标的核心部件，因为采样率非常高，采样间隔间隔在10-1-10-2ns之间，A/D转换的分辨率与采样率茅盾突出，通常采用多次发射，移位采样的方式达到提高采样率的目的。
A/D转换的分辨率有24Bit、16Bit和8Bit几种，多数地质雷达采用16Bit和8Bit，只有少数地质雷达达到24Bit。
采用高频天线时一般都采用8Bit 工作方式。
3.3天线类型与方向特性天线的类型以频率划分为低频、中频和高频。
以结构特点又划分为非屏蔽、屏蔽天线。
以电性参数分有偶极子天线、反射器偶极子天线、喇叭状天线。
采用不同种天线结构是为了获得较高的发射效率。
频率在80MHz以下的为低频天线，通常采用非屏蔽式半波偶极子杆状天线。
无反射器，无屏蔽。
天线每半极的长度为λ/4，天线总长度为雷达λ/2。
辐射场具有轴对称性，能量分散，能流密度小。
因发射频率低，介质中衰减小，可用于较深目标的探测，在场地勘察中经常采用。
频率在100MHz-1000MHz范围内的天线称为中频天线，采用屏蔽式半波偶极子天线。
天线采用有反射器的半波偶极子天线，天线每半极的长度为λ/4，天线总长度为雷达λ/2。
反射器将辐射到后方的能量集中到前方，在前方形成较大的能流密度。
具有天线体积小，发射效率高的特点。
在工程勘查与检测中常使用该类天线，包括300MHZ、600MHZ、900MHZ。
100MHZ加强型天线也属于该类天线，它采用高功率发射技术，探测深度可达30m左右，场地勘察、线路勘察和隧道超前预报中常使用该种天线。
高频天线：频率高于1GHZ的称为高频天线。
高频天线常采用喇叭形状，以提高辐射效率。
该天线辐射能量集中，分辨率高，目前主要用于路面、跑道的质量检测。
地质雷达课件(内部参考)
第一讲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80年代中期开始应用至今将近20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、地质构造等问题。
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PATHFINDER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。
雷达考古雷达探测管道1.3 工程质量检测工程检测近年应用领域急速扩大，特别是在中国的重要工程项目中，质量检测广泛采用雷达技术。
铁路公路隧道衬砌、高速公路路面、机场跑道等工程结构普遍采用地质雷达检测。
地质雷达
克希霍夫公式实际上是惠更斯-菲涅尔 原理的解析表达式，该公式在探地雷 达资料处理中由重要的现实意义。
图3-8：克希霍夫积分示意图
§3.1.3 电磁波在两种不同介质界面上的特点
1、平面波的反射和折射 2、电偶极子入射的反射波
①
/
1时，
2
/ 。吸收系数与频率无
关，而与 成正比，与 成反比。在空气中， 0 ， 0。
② / 1时， / 2 。 与 、 f 有关，
但与 无关。可见在高导电介质中或使用高频时， 值 将增大。
3、脉冲电磁波的频谱特征
上述讨论仅限于研究单色（单频）电磁波的时空关系，也 就是说在时间域研究波的传播特点。但目前探地雷达所发 射的都是脉冲信号，这种脉冲电磁波包含了各种频率成分。 为了研究不同频率电磁波的传播，就需要在频率域内研究 波的振幅与相位随频率的变化关系。时间域与频率域之间 的转换工具是众所周知的傅立叶变换。
项，它表示电磁波在空间 各点的场值随着离场源的 距离增大而减小。因此 称 为吸收系数，单位为 Np/m （1Np/m=8.686dB/m）。
随电导率的增大和 的减
小而增大。 小时， 与 f 关系不明显； 大时， 与
关系不明显。
图 3-5：不同电阻率、不同介电常数下 与 f 的关系
两个极限情况
§3.1.2 电磁波的传播特点
1、波的时间场与射线方向 2、高频条件下的岩电特性 3、脉冲电磁波的频谱特征 4、惠更斯-菲涅尔原理 5、绕射积分理论
1、波的时间场与射线方向
时间场就是波的初至时间的空间分 布，数学描述为：
t t(x, y, z, )
初至时间相等的点构成一个等时面， 等时面方程为：
1地质雷达法超前地质预报仪器组成.
仪器组成
地质雷达系统一般由主机、具有不同频率的各 型号天线、电缆、测量轮、后处理软件等主要设备 及打标器、电池、手提箱、测量小车、拉线、天线 保护装置等附属配件共同组成。具体见下图。
轨道工程系
《隧道施工质量检测与验收》
仪器组成
sir 3000高速地 质透视雷达
轨道工程系
轨道工程系
SIR系列地面耦合天线 系工程常用天线类型。
《隧道施工质量检测与验收》
天线
轨道工程系
SIR系列地面耦合天线 低频天线组和高频天线
《隧道施工质量检测与验收》
电缆
上图：主电缆 中图：12V直流 电瓶接线
轨道工程系
电缆用于连接主机和天线， 既输送电力，也传输信号数据。
《隧道施工质量检测与验收》
《隧道施工质量检测与验收》
主机
上图：sir 10B主机 下图：sir 20高速地 质透视雷达主机。
轨道工程系
《隧道施工质量检测与验收》
主机
左图：sir 20主机 (CF-29/MF-20) 右图：sir 2 SYSTEM主机。
轨道工程系
《隧道施工质量检测与验收》
主机
左图：sir 2000主机 右图：sir 3000便携 式透底雷达主机。
轨道工程系
《隧道施工质量检测与验收》
天线
•天线是一种电磁波转换装置 •天线包括发射天线和接收天线 •发射天线是把电信号转换为电磁波，向外界辐射 •接收天线是把外界的电磁波接收到转换为电信号
轨道工程系
《隧道施工质量检测与验收》
天线
上图：100MHz天线 中图：400MHz天线 下图：900MHz天线
电缆
左图：400Mhz 天线测量轮 右图：打标器
《地质雷达探测技术》
常见的隐身技术
缩小雷达反射截面 降低红外线信号特征 降低视觉信号特征 降低听觉信号特征 等离子体技术
第二部分 地质雷达工作原理
在隧道开挖、煤矿生产及地面工程建设中经常遇到 复杂的地质异常，给施工带来困难，尤其是穿过老窑 、软弱破碎带、岩溶区，或者煤与瓦斯突出的危险区 域，若事先未能探查清楚往往造成塌方、涌水或煤与 瓦斯突出等事故，影响安全生产。在地面工程地质勘 探中，要求实施大面积、高密度精查勘探，这就对地 质探测手段提出了高的要求。实践证明，应用矿井地 质雷达进行探测，简便快捷，机动灵活，能较好而准 确地提供资料，取得较好效果。
tn2
4hn2 vn2
x2 vn2
图1 地质雷达探测原理示意图
t 4z2 x2 v
当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走 时t，由上式求得目标体的深度z。式中x值即收发距，在剖 面测量中是固定的；v值可用宽角法直接测量，也可以根据 近似计算公式：
v c
r
c为光速；
r 为地下介质的相对介电常数。
国内
发展状况是：首先通过引进国外的雷达仪器，进行研究和应 用，然后开发拥有自主知识产权的自己的雷达产品。目前，国 内使用最多的雷达大多是美国GSSI公司生产的。国内有电子部 22所，航天部爱迪尔公司、骄鹏公司和中国矿大（北京）四家 单位相继推出了自己的雷达产品。
3.1 瑞典探地雷达（RAMAC/GPR）
非屏蔽天线可应用于土木建筑、地质学及水文地质学等。
3.2 SIR雷达介绍
该型号探地雷达仪器的特点是：系统高度集成化、数字化， 操作简单化，天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辨率高，具 有实时数据处理和信号增强，现场实时显示二维彩色图像。 其配置的探测天线系列化，可应用与各类地下目的体及目的 层的检测与探测。
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天线的作用与结构类型
50MHz非屏蔽天线
100MHz非屏蔽天线
250MHz屏蔽天线
50MHz非屏蔽鞭状天线
100MHz屏蔽双体天线
1.0G喇叭桩天线
天线的作用与结构类型
120MHz钻孔天线
天线的电流分布与辐射场
天线的电流分布与辐射场
屏蔽天线辐射的方向性与屏蔽结构有关，以GSSI公司的100MHz 屏蔽天线为例，其辐射角前后90°，左右60°。辐射能量较为集中，
能流密度较大，有利于增大探测深度。 电磁波中电场的极方化向在传播方向与天线轴组成的平面内，磁场的极化 方向与该平面垂直。
E
前后方向
左右方向
天线频率与频带
雷达脉冲与子波
触发波形
天线发射波形
雷达脉冲与子波
雷达探测深度
雷达的水平ห้องสมุดไป่ตู้辨率
• 根据Fresnel(菲涅尔)原理，菲涅尔带中心垂直反射与边缘 反射的波程差为λ/2，菲涅尔带半径df为： df=(hλ/2+λ2/16)1/2 水平分辨率应为菲涅尔带半径的1/2。 • 假定雷达波以锥面形式向下传播，物体上表面将大部分能 量反射回来，则水平分辨率可根据下式估算： Rf= (λh+λ/4)1/2 Rf :圆柱半径, λ：电磁波长，h：柱体顶面埋深。 • 从上述公式中可以看出，水平分辨率与埋深及波长有关， 而波长是由天线频率和介质波速决定的。下表中列出了三 种常用频率天线探测典型工程介质时的水平分辨率。
雷达的水平分辨率
雷达的垂直分辨率
• 分辨率定义为雷达所能探测到的物体的最小尺度。垂向分辨率是能探 测到的物体的垂向最小尺度。按波的干涉理论，物体上下界面反射波 最小可识别双向波程差为λ/4--λ/8，因而垂向分辨率RV 与工作频率有 关： RV=λ/8--λ/4 • 根据散射理论和有照射长度的最新研究结果，垂向分辨率应为半波 长： RV / 2 • 根据应用实践，分辨率与深度有关，随着深度h的增大，分辨率降低。 可用下式估算垂向分辨率RV。 RV= 0.08*h 0<h<3m； RV= 0.5*h 3≦h； • 在湿砂土中埋设的直径6cm管子难于探出来，9cm的管子应该可以探 出来。
举例
下图是使用300MHz天线，岩土介质介电常数为9的条 件下的垂向分辨率随深度的变化。
雷达记录信号的传输
• 雷达天线接收到的反射信号如何传输到记录器并 将其记录下来。目前国内外的雷达就此分两种不 同的方式。一类是天线接收到的电磁波信号直接 送回到计算机，在计算机里完成数值采样，并进 行储存。象美国的GSSI公司的各种雷达、中国的 各种雷达多是这种方式。另一类是天线接收到信 号后立即进行数值采样，而将数值信号送回计算 机储存，加拿大的PULSE EKKO雷达就属于该类。 后者的优点是抗干扰性能好，便于长距离传输。
地质雷达仪器结构与特点
内容提纲
• • • • • • • • 控制、发射与接收 采样方式 天线的作用与结构类型 天线频率与频带 雷达脉冲与子波 雷达探测深度 雷达的水平与垂直分辨率 雷达记录信号的传输
控制、发射与接收
地质雷达构成示意图
采样方式
• 地质雷达的A/D转换是决定地质雷达技术指 标的核心部件，因为采样率非常高，采样 间隔在10-1-10-2ns之间，A/D转换的分辨 率与采样率矛盾突出，通常采用多次发射， 移位采样的方式达到提高采样率的目的。 A/D转换的分辨率有24Bit、16Bit和8Bit几种， 多数地质雷达采用16Bit和8Bit，目前还没 有见到24Bit的地质雷达。采用高频天线时 一般都采用8Bit工作方式。