探地雷达方法原理及应用(曾昭发[等]编著)思维导图

隧道超前地质预报中地质雷达的应用

摘要本文介绍了地质雷达的原理及具体的应用方法，并结合工程实例，阐述了地质雷达在隧道超前地质预报中的应用方式，表明了地质雷达在隧道超前地质预报中的优越性。

关键词地质雷达隧道超前地质预报

中图分类号：u456 文献标识码：a

随着经济实力的增强，交通运输事业的重要性日益凸显，故我国加大了对高速公路的建设力度。隧道作为高速公路施工中的重点环节，对缩短公路里程、节约投资成本等都起到很重要的作用。由于在不同的地质状态下岩土的岩性等变化较大，在隧道施工过程中，对掌子面前方的地质条件和可能的地质灾害开展超前地质预报，将对隧道的正常施工和顺利贯通发挥举足轻重的作用。成功的预测促使施工及时采取应对措施，防范于未然。为了能更好地指导隧道的开挖工作，采用地质雷达对掌子面前方的地质状况进行预报就显得尤为重要。

一、地质雷达原理

地质雷达由一体化主机、天线及相关配件组成。它是利用高频电磁脉冲波的反射原理来实现探测目的。地质雷达属电磁波探测技术中的一种。它通过发射天线向测试面前方发射宽频带短脉冲的高频电磁波信号，当电磁波遇到有电性差异（介电常数、电磁导率等）的界面或其它目标体（如围岩性质、地质结构构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况）时，就会发生反射、绕射等电磁波特有现象。

根据这些特点，我们通过接收天线拾取响应信号，并记录到计算机上，依据电磁波的波形、相位、振幅、频谱等时域、频域特征，可获得测试面前方不同电性体的分布特征，通过反射波双程旅行时间，可计算前方分界面或目标体的深度。

二、地质雷达应用方法

（一）雷达主频选择。

由于雷达的天线型号与中心频率的选择是一一对应的，在进行地质雷达测试时。地质预报为简化操作，减小施工干扰，一般只需要100mhz的屏蔽天线，但地质雷达100mhz的天线实际测试有效距离是5～30m，也就是说前5m是个模糊区，这在现实中是不容许的，所以我们可以有两种选择，一种是采用100mhz的天线和400mhz的天线共同来完成测试；另一方法为只用100mhz天线测试，但是前后两次测试需搭接上5m，实际每次测试距离根据实际情况再定。

探地雷达在吉林西部地区探测土壤碱化层

薛建;曾昭发;田刚;王者江

【摘要】吉林西部盐碱地区的探地雷达调查表明,盐碱地与耕地土的雷达回波具有明显差别,根据振幅的衰减特征可以精确区分耕地与盐碱地,根据频谱中高频峰值与土壤有机质含量的相关性可定性评价土壤的盐碱化程度.在雷达瞬时振幅图上,可将盐碱地纵向剖面分为盐分积累带和过渡带.采用探地雷达方法可快速了解盐碱化程度在深度方向上的变化,适宜开展大面积地面调查.

【期刊名称】《物探与化探》

【年(卷),期】2005(029)005

【总页数】4页(P421-424)

【关键词】探地雷达;盐碱化;地面调查;土壤

【作者】薛建;曾昭发;田刚;王者江

【作者单位】吉林大学,地球探测科学与技术学院,吉林,长春,130026;吉林大学,地球探测科学与技术学院,吉林,长春,130026;吉林大学,地球探测科学与技术学院,吉林,长春,130026;吉林大学,地球探测科学与技术学院,吉林,长春,130026

【正文语种】中文

【中图分类】P631

众所周知，采用遥感、地理信息系统和全球定位系统可确定土地退化和盐碱化面积，而对于土壤盐碱化程度的监测则是以地面调查为主，地面调查可更精确地划分出耕地与盐碱地的界线及土壤盐碱化程度的有关信息。在美、德等国家，使用探地雷达方法研究影响土壤使用、管理和分类的因素[1]；在我国，盐碱地实地调查的传统方法是取样进行地球化学分析，地球物理方法的应用甚少。探地雷达是近几十年发展起来的高分辨率和高效率的地球物理探测技术，能否将其应用于盐碱化层深度调查？其有效性和探测精度如何等问题，都有待实验研究。

笔者以吉林西部盐碱地区的探地雷达调查为例，介绍了有关的研究成果和技术方法。吉林西部盐碱地区的探地雷达调查表明，盐碱地与耕地土壤在物理、化学性质的差异改变了土壤的相对介电常数，雷达回波具有明显差别，根据振幅的衰减特征可以精确地区分耕地与盐碱地，根据频谱中高频峰值与土壤有机质含量的相关性可大体评价土壤的盐碱化程度。在雷达瞬时振幅图上可将盐碱地纵向剖面分为盐分积累带和过渡带，各带所对应的土壤参数需要采用地球化学方法进一步测定。采用探地雷达方法探测并结合少量的地球化学分析，可快速了解盐碱化程度在深度方向上的变化，适宜开展大面积地面调查。

路用探地雷达在公路病害探测中的应用

路用探地雷达在公路病害探测中的应用路用探地雷达在公路病害探测中的应用

黄成1，王正2，俞先江2

（1.中国铁建港航局集团有限公司，广东珠海519020；2.中设设计集团股份有限公司，江苏南京210005）

摘要：在公路改扩建或常规性养护定期检测中，采取常规的手段比较难以发现路面结构内部病害。文章结合数值模拟和理论分析，研究探地雷达在公路路面病害探测中的应用，分析了路面内部结构不同病害的典型频谱图和波形特征，并将研究成果应用于工程实践中，取得了良好的效果。文章研究成果有助于更方便的应用探地雷达对路面病害进行探测，从而为公路的改扩建和常规养护提供参考和建议，同时对探地雷达在公路路面的广泛应用也有一定的促进作用。

关键词：探地雷达；路面；病害；探测

探地雷达的发展伴随着高速公路的建设应运而生，探地雷达（Ground Penetrating

Radar，简称GPR，又称地质雷达），是应用地球物理学的一个新的分支，从20世纪80年代后期开始应用于公路检测。探地雷达检测技术具有快速高效、无损、高精度、操作方便、检测内容丰富等优点，逐渐受到公路部门的重视，并在公路质量检测中得到越来越广泛的应用。探地雷达除了常规的应用于路面结构层厚度检测外，还能够对路面内部结构的脱空、空洞、裂隙、沉陷和严重疏松等病害隐患进行探测，能够较全面的反映出路面内部结构技术状况，具有实时连续、高精度、快速和无损等特点。

1 探地雷达检测原理

探地雷达是通过向地下发送一种高频宽带电磁波。电磁波在地下介质传播过程中，当地下目标体的介质存在差异时，如脱空、空洞、富水、分界面，电磁波就会发生反射。在对反射雷达波进行处理和解译的基础上，根据接收到的雷达波形、强度、介电常数、双程走时等参数进而推断地下目标体的空间位置、结构及几何形态，进而对地下隐蔽目标物的探测。

论探地雷达现状与发展

探地雷达现状与发展：从技术到应用的探索

探地雷达（GPR）是一种利用高频电磁波探测地表以下物体特性的技术。由于其具有无损、高效、准确等优点，GPR技术在考古、环境保护、地质调查、建筑工程等领域得到了广泛应用。本文将介绍探地雷达的现状、优缺点以及未来的发展方向。

一、探地雷达的现状

1、技术特点

探地雷达作为一种非侵入性探测方法，具有以下技术特点：

（1）高分辨率：GPR可以获得高分辨率的图像，能够准确区分不同性质的目标体。

（2）无损性：GPR不会对探测对象造成损伤，适用于各种材质的探测。

（3）快速性：GPR数据采集速度快，可以实现大面积扫描。

（4）抗干扰能力强：GPR对于环境噪声和其他电磁波干扰具有较强的抗性。

2、应用领域

探地雷达在以下领域有广泛应用：

（1）考古学：GPR可以用于确定遗址的分布、结构和年代等。

（2）环境保护：GPR可用于探测地下管线、污染源等，为环境治理提供依据。

（3）地质调查：GPR可用于研究地质构造、矿产资源分布等。

（4）建筑工程：GPR可以检测建筑物的地下基础、地下管线等，确保施工安全。

二、探地雷达的优缺点

1、优点

（1）高分辨率：GPR可以获得高分辨率的图像，能够准确区分不同性质的目标体。探地雷达是一种利用高频电磁波探测地表以下物体特性的技术，具有无损、高效、准确等优点，在考古、环境保护、地质调查、建筑工程等领域得到了广泛应用（2）无损性：GPR不会对探测对象造成损伤，适用于各种材质的探测。（3）快速性：GPR数据采集速度快，可以实现大面积扫描。（4）抗干扰能力强：GPR对于环境噪声和其他电磁波干扰具有较强的抗性。

2、缺点

然而，探地雷达也存在一些缺点：

（1）对环境和地形要求较高。由于电磁波的传播特性，GPR在复杂地形和恶劣环境下的探测效果会受到一定影响。

（2）成本相对较高。探地雷达设备及数据解析成本较高，对于一些需要大面积探测的项目来说，可能会增加额外的成本。

探地雷达在铁路隧道质量无损检测中的应用

２０１２年第３期　西部探矿工程　１８９　

・隧道与建设工程・　探地雷达在铁路隧道质量无损检测中的应用　

杜　良　，王齐仁　，刘亮红。，梁棋念。　（１．湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭４１１２０１；２．江西省地矿局９０２地质队，江西新余３３８０００；　３．广西煤炭地质局，广西柳州５４５００５）　

摘要：简要介绍了探地雷达的基本原理及方法，雷达信号识别的基本方法和常见的异常信号，通过　应用实例分析，说明探地雷达对铁路隧道质量进行无损检测是一种有效的方法。　关键词：探地雷达；隧道检测；波相识别；异常特征　中图分类号：Ｕ４５９．１文献标识码：Ｂ文章编号：ｌ０Ｏ４—５７１６（２０１２）０３－－０１８９－－０３　

随着国家扩大内需中的６０００亿和十二五规划中的　２．８万亿在铁路方面投资的实施，大量隧道已经或将要　建设，在这短期内，建设如此多的隧道，如何准确快速地　了解建设质量，必须使用一种快速有效的方法进行检　测。探地雷达以轻便、高效率、高精度、无损的特点，成　为铁路隧道检测的普遍使用的方法。　铁路隧道应用地质雷达检测主要应用在检测隧道　衬砌的厚度、隧道衬砌界面的空洞、回填密实情况，及衬　砌中的钢筋、钢拱架的数量等。　１基本原理　探地雷达的基本原理是通过发射天线向介质发射　宽频带短脉冲电磁波（１０ＭＨｚ￣２．５ＧＨｚ），电磁波在介　质中沿各方向传播，当遇到介电常数不同的分界面时，　发生反射、透射和绕射，由接收天线接收并记录反射回　来的电磁波（如图１所示），根据接收到电磁波的波形、　振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置、　结构、形态和埋藏深度。　

图１探地雷达原理示意图　差△Ｔ，即可据下式算出异常的埋藏深度：　—ｃ　（１）　Ｚ＝Ｖ・ＡＴ／２　（２）　Ｈ一　一（Ｘ／２）。　（３）　式中：卜电磁波在大气中的传播速度，大小为３　ｘ　１０　ｍ／ｓ；　卜相对介电常数，主要由各介质的性质决定；　发射天线与接收天线之间的位移；　Ｈ——埋藏深度；　卜发射天线以图中的方向到达界面的位移。　当ＸｏｃＯ时，Ｈ＝＝＝Ｚ，收发一体就是这种情况。　根据电磁波传播理论，电磁波在介质传播时，遇到　分界面产生的反射波和透射波遵循斯奈尔定律，传播路　径如图２所示。　入射被　

探地雷达检测钢筋混凝土内部缺陷模型试验研究

摘要：本文主要对探地雷达在钢筋混凝土内部缺陷检测的操作流程进行了分析，探究了工程使用雷达检测的重要价值，以供参考。

关键词：探地雷达；钢筋混凝土；模型

1、探地雷达测试原理

探地雷达方法是一种地球物理检测方法，是20世纪70年代发展起来的一种用于确定地下介质分布的广谱电磁法，依据电磁脉冲在地下传播的原理进行工作，电磁波由地面的发射天线在向地下传播的过程中，当遇到存在电性差异的地下目标，如管线、空洞、水、分界面等时，电磁波发生反射，由地面的接收天线接收，通过对接收到的雷达波进行处理和分析，形成波的双程走时与检测深度的平面图形，分析图形可推断地下目标体的空间位置、结构、电质特性和几何形态，从而完成对隐蔽目标物的探测工作。

探地雷达启动时，发射端向路面结构层下介质层发射一定高频电磁波，经地下病害反射后返回被接收端接收。脉冲波行程时间为：

5、探地雷达技术在水利工程中的应用

雷达检测技术诞生于二十世纪的末期，雷达波具有较强的穿透力，其不仅能够实现对混凝土等建筑结构内部情况的检测，其还能够实现对较为复杂的水利工程内部结构的无损检测。雷达产生的微波在传播到建筑结构内部的异常位置时，会发生传播速度与传播方向的改变，而微波接收器能够感知微波的这些变化情况，从而通过对微波传播速度以及方向的改变，便可以实现对建筑结构内部情况的分析。雷达检测技术在水坝防渗墙的应用：水库堤坝里面的防渗墙十分隐蔽且十分重要，对堤坝的整体安全性有着重要的作用，所以应及时检测渗流异常的那些防渗墙，及时定位隐患、排查隐患。如若墙体中的质体不均匀，那么在缺陷部位便会形成反射波，其剖面图便会呈现出异常，从中便可获悉其隐患分布特点及其范围。对于小缺陷而言，其电磁波便会呈现点反射弧形，且物质电性也各不相同。所以，依据雷达信号是否连续、其波幅方面和频率方面是否发生变化便可得知其防渗墙是否存在安全隐患。

《探地雷达方法原理及应用》教学大纲

第 1 页/ 共 3 页探地雷达方法原理及应用

一、课程说明

课程编号： 010353Z10

课程名称：探地雷达方法原理及应用/ Principle and Application of Ground

Penetrating Radar

课程类别：专业教育课程(专业选修课)

学时/学分：32/2

先修课程：地球物理场论

适用专业：地球物理学

教材、教学参考书：

1. 《探地雷达方法原理及应用》，曾昭发等，科学出版社

2. 《探地雷达方法与应用》，李大心，地质出版社

二、课程设置的目的意义

本课程为地球物理学专业的专业选修课，地质雷达是用高频无线电磁波来探测地下介质或物体内部分布规律的一种重要浅层地球物理方法，该课程的设置主要是考虑到地质雷达在工程、环境、资源、城市地下管线等领域越来越广泛的应用。课程主要内容包括地质雷达探测的原理、天线、系统、测量方法技术、数据处理和模拟解释，以及在不同领域的应用。课程所包含的内容是以上专业本科学生开展工程地球物理勘探所应具备的知识结构的重要组成部分。

三、课程的基本要求

要求学生通过本课程的学习，能够清楚了解Maxwell方程的物理意义、雷达电磁波传播规律，系统的掌握探地雷达基本理论、正演方法、工程应用和资料解释。当面对实际工程问题时，能利用所学知识选取合适雷达天线系统，设计地质雷达探测方案，并能独立进行数据处理和资料解译。

四、教学内容、重点难点及教学设计

章节教学内容总学时学时分配教学

重点教学

难点教学方案设计

（含教学方法、教学

手段）讲课

(含研讨) 实践

第1章地质雷达概述

1.1探地雷达方法的特点及其简介、探地雷达的发展历史

1.2探地雷达局限性与优势

1.3 探地雷达厂家及雷达硬件简介 2 2 0 用典型的工程案例和数据结合现状和发展讲解地质雷达的重要意义与研究内容第 2 页/ 共 3 页章节教学内容总学时学时分配教学

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、RIS-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

探地雷达培训讲义

1

探地雷达培训讲义

1：概况

1.1：探地雷达技术的起源

探地雷达的原义为Ground Penetrating Radar，简称GPR。

探地雷达和探空雷达相似，它利用宽频带高频时域电磁波脉冲的反射来探测地下目标，由于探测的目标是地下物体的反射，故称之为探地雷达。目前探地雷达的频率介于106～109Hz之间。

将雷达原理用于地下目标的探测，早在1910年就已经提出，当时德国学者G.Leimback 和Lowy曾以专利形式阐明这一问题。以后，J.C.Cook于1960年用脉冲雷达在矿井中做了试验，其结果不尽如人意。由于电磁波在地下介质中的传播特性比空气中要复杂得多，早期的探地雷达仅在条件较简单的情形下才能获得好的结果，如在冰面及岩盐矿等介质中。探地雷达技术的发展和应用领域的扩大是随着数字处理技术的应用和发展及电子技术的提高而发展起来的，仪器信噪比的大大提高，适得获取地下弱小的目标反射成为可能，而数字处理技术的应用，又使这些弱小信息的提取成为现实。1971年Takazi和1973年Kitahra在石灰岩地区采石场的探测； 1974年R．M．Mofey； 1976年， 1977年 A.P.Annan和J.L.Davis，1978年 Olhoeft, Dolphin等，1979年 Benson等所进行的工程地质探测；1975年J. C.Cook的煤矿井探测；1982年 C.P.Kulriksen的泥炭调查；1982年D.L.Wright，RD.Watts放射性废弃物处理调查及1982～1987年加拿大日本、美国、 2 瑞典等报道地面和钻孔雷达用于地质构造填图、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测和水坝、隧道、堤岸、古墓遗迹探查等，表明探地雷达在这时已广泛应用于各领域。

随着微电子技术的迅速发展，现在的深地雷达设备早已由庞大、笨重的结构改进为现场适用的轻便工具。目前，已推出的商用探地雷达有：美国地球物理探测设备公司（GSSI）的 SIR系列，意大利RIS雷达，微波联合公司（M／A－Corn，Inc．）的 Terrascan MK系列，日本应用地质株式会社（OYO公司）的GEORADAR系列，加拿大探头及软件公司（SSI）的Pulse EKKO系列，瑞典地质公司（SGAB）的RAMAC钻孔雷达系统等。这些商用的探地雷达所使用的中心工作频率在10～3000MHZ范围，时窗在0～20 000us。根据不同的地质条件，地面系列的探测深度约在30～50m，分辨率可达数厘米，深度符合率小于±5cm。探地雷达由于采用了宽频短脉冲和高采样率，使其探测的分辨率高于所有其它地球物理探测手段，又由于采用程控多次叠加和多波形处理等信号恢复技术，因而大大改善了信噪比和图象显示性能，多天线高速扫描接收使探测效益更高，并能同时满足不同探测精度的要求，实现高工效、低成本真实地质情况等探测的要求。