城市道路地下空洞探测的地质雷达技术

城市道路地下空洞探测的地质雷达技术摘要：城市道路下空洞探测的技术要求除了速度快、分辨率高之外，还要求仪器抗干扰能力强、机动灵活。

本文从地质雷达工作原理、技术特点、参数设置和处理解释等方面着手，对地质雷达技术在城市道路地下空洞探测方面进行了归纳与总结。

关键词：地质雷达、空洞、城市道路
中图分类号：u41 文献标识码：a 文章编号：
随着城市地下空间的不断开发利用，特别是大规模的地铁建设施工，因为复杂的地质条件和多变的施工环境，不时有地面下陷和沉降过大的报道。

在繁忙的城市道路上快速、准确的对存在的较大空洞提前预警并准确定位，地质雷达成为最主要的探测技术之一。

1、地质雷达工作原理
地质雷达是一种宽频带高频电磁波信号探测介质分布的无损探测仪器。

它通过天线发射和接收电磁波反射信号，在测线上不断移动天线来获得相关的剖面图像。

地质雷达天线的发射端向地下发射高频电磁波，电磁波信号在地下传播时遇到不同介质的界面时就会发生反射，反射的电磁波被与发射端同步移动的天线接收端接收后，通过雷达主机精确记录反射回的电磁波的波形特征，再通过相关的技术处理，得到雷达剖面图，通过对剖面图波形特征的分析，判断测线位置下是否存在空洞或异常。

介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大。

由于空
洞内填充的介质与周边的介质存在明显的电性质差异，电磁波会在空洞的界面处发生反射，反射的电磁波由地面的接收天线接收，根据电磁波发射与反射波返回的时间差和介质中电磁波的传播速度来确定空洞距测量表面的距离，达到检出地下空洞位置的目的。

电磁波传播时间与空洞深度的关系如下：
其中：z：目标体深度，单位米；v：电磁波在介质中的传播速度，单位米/秒；c：电磁波在真空中的传播速度；：介质的相对介电常数，无单位；t：地质雷达记录的电磁波传播时间。

通过这个公式，可以将雷达接收到的双程走时转换为反射目标体的深度。

地质雷达的工作原理见图1。

地质雷达主要利用宽高频时域电磁脉冲波的反射探测目标体。

地质雷达根据测得的电磁波传播时间，自动求出反射物的深度z 和范围。

图1 地质雷达的工作原理示意图
２、地质雷达探测方法的优点
地质雷达具备设备轻便、探测速度快、信号屏蔽效果好、分辨率高、对检测对象无破坏等优点。

地质雷达系统通常由雷达主机、天线和连接光纤或电缆组成，能够在复杂的城市交通路面上快速拖动，采集数据速度快，无需特别准备，能够在短时间内迅速采集到大量的地下信息；地质雷达在进行城市道路地下空洞探测时，使用的天线频率较高，因此可以得到高分辨率的探测结果；地质雷达系
统对探测对象本身不产生破坏，达到完全的无损检测，达到保护探测对象的目的。

3、天线的选择和参数设置
根据检测工作分辨率的需要，通常选用两种频率的天线对测区进行探测，例如100mhz和500mhz屏蔽天线。

雷达检测参数设置通常遵循如下原则：
①采样频率（sampling frequency）：数值设置为大约天线频率的10倍，。

采样频率与波形长度有关，采样频率越高，对应的时窗越小。

②采样数（number of samples）：采样数设置较高，将会增大整个的时窗长度，降低采集速度并增大数据文件。

③时窗（time window）：受采样频率和采样数的控制。

时窗=采样数/采样频率。

④触发间隔（trig interval）：数值大小会影响目标体在雷达图上的成像比例。

经过试验对比，100mhz和500mhz屏蔽天线触发间隔分别为0.05m和0.02m时，图像效果较好。

⑤叠加次数：自动叠加（auto stacking），雷达系统自动执行尽可能多的叠加次数。

⑥触发方式：距离触发，连续采集数据。

4、资料处理
地质雷达在数据采集过程中，会受到其他电磁信号、仪器噪音
和复杂地下构造等因素的影响，仪器记录的信息除有用信号外，还会产生许多干扰信号，这些干扰信号降低了信号的信噪比，掩盖了真实异常并且经常产生假异常，使检测结果不准确，因此在利用雷达资料进行检测结果解释之前，还需要进行数字处理来压制干扰波，提高信号的信噪比。

地质雷达资料处理的主要任务是依据地质雷达探测的基本原理，利用电磁波在介质中的传播规律和数字信号处理的方法，在计算机上对采集的雷达数据进行有效的滤波处理，使得到的记录中突出显示与地下信息的位置、形态、结构和大小等有效信息，为后期的解释服务。

通常需要采用的处理步骤有：
①dc removal：通常每道波形的振幅都存在一个常量的偏移，我们称之为直流偏移。

这步处理将在数据中去除dc部分，每道波形都将被单独的计算，作用范围通常取时窗长度下部的三分之一，时窗开的越大，这个滤波作用效果越明显。

②subtract mean trace：这步处理通过减去一个所有道波形的平均值来在雷达图像上消除水平或近似水平的特征。

这步处理的作用是通过减去一个一定道数或全部道数振幅的平均值在雷达图像上消除水平或近似水平的特征。

处理后可以明显看出图像顶部的地面反射或直达波影响明显削弱。

如果图像处理的目的是突出分层效果，这个步骤可以省略不用。

③automatic gain control(agc)：自动增益控制能够调整每道波形的增益，主要通过调整时间窗口内的平均振幅来实现。

agc滤
波器主要目的通过对时窗信号的放大来突出深部的有用信息。

放大系数的选择非常重要，放大倍数小了，达不到突出深部有效信号的作用，但放大倍数如果过大，则会起到相反的作用。

④band pass：带通滤波主要是在数据中去除不想要的频率，在低取舍点和高取舍点区间之外的频率成份都将被削弱。

地质雷达仪器的频带宽度非常大，在数据处理中，可以根据想要的效果，使用带通滤波器在数据中去除不想要的频率，保留需要的频率。

处理过后，图像上的“毛刺”消失，看起来更加直观。

⑤running average：这步处理通过对激活采样窗口内全部采样的平均值来替换每个采样值，这使雷达图像看起来更加平滑。

该步处理是通过对一定范围内的像素点取平均值来替换该范围内的每
个采样值，这使雷达图像看起来更加平滑。

取点范围可以是3×3、5×5、7×7、9×9或11×11，选取的范围越大，图像处理后就越平滑。

5、资料解释和实例
通过对地质雷达数据进行有效处理后，可以得到高信噪比的资料，但是要得到准确的检测结果，还需要结合地质资料和现场记录，尽量剔除假异常，得到真正的地下结构信息，使雷达检测信息和地下真实情况相对应，获取真正的异常信息，并对该异常信息作合理解释。

城市道路下空洞的形成通常是因为各种因素的原因造成土层局
部下沉，土层之间形成空洞或者脱空，空洞范围一般较大，空洞区填充物一般为空气、水或其他混合填充物，厚度一般为数厘米到数十厘米。

因为空洞区填充介质与周围介质的介电常数差异较大，所以雷达剖面上的空洞波形特征反映明显，一般表现为同相轴不连续，上部界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有反射界面信号，两组信号时程差较大。

5.1 应用实例1
图2是在北京城区某处探测得到的地质雷达剖面图，雷达主机采用瑞典mala公司cuii型号主机，天线采用100mhz屏蔽天线。

从图上可以看出，红的方框区域内同相轴不连续、反射能量强，三振相明显，下部有反射界面信号，基本符合空洞波形特征。

后来对此区域进行了注浆加强处理。

图2 地质雷达剖面图
5.2应用实例2
图3是在北京大兴某处探测得到了地质雷达剖面图，雷达主机采用瑞典mala公司x3m型号主机，天线采用100mhz屏蔽天线。

因探测区域地质情况良好，雷达探测深度也较大。

在图上蓝色椭圆框内，可以明显看出同相轴不连续，上部界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有反射界面信号，两组信号时程差较大，符合空洞的波形特征。

图3 地质雷达剖面图
6、结束语
地质雷达虽然具有探测速度快、分辨率高、抗干扰能力强等优点，但作为一种物探方法，它还是具有物探检测方法的明显特点---多解性，因此，对地质雷达探测出来的重点区域，还应采用其他方法进行确认和复测。

参考文献：
1 李大心编著.探地雷达方法与应用.北京：地质出版社
2 曾昭发、刘四新、王者江等.探地雷达方法原理及应用.北京：科学出版社。