王興舟,關(guān)長祿,王大為
(吉林省交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站,吉林 長春 130021)
地質(zhì)雷達檢測目標體波相識別
王興舟,關(guān)長祿,王大為
(吉林省交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站,吉林 長春 130021)
目前地質(zhì)雷探測技術(shù)已經(jīng)在各個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,為了獲得地質(zhì)雷達探測的結(jié)果,需要對雷達記錄進行處理與判讀。雷達記錄的波相識別需要堅實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗,需要綜合分析目標體反射波的振幅與相位、頻譜、同相軸形態(tài)等特征。通過工程實例介紹了地質(zhì)雷達檢測隧道、路面典型目標體波相特征及識別分析方法。
地質(zhì)雷達;檢測;波相;識別
地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar,GPR)探測是利用高頻脈沖電磁波的反射回波探測目標體的分布形態(tài)與特征的一種技術(shù),是對探測體內(nèi)不可見的目標體或界面進行探測的電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達具有探測速度快、探測過程連續(xù)、操作方便靈活、無損壞等特點。目前地質(zhì)雷探測技術(shù)已經(jīng)在各個行業(yè),如在公路、鐵路、建筑、水利、采礦、考古、市政建設(shè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
地質(zhì)雷達發(fā)射電磁波,電磁波在介質(zhì)中傳播,隨著所通過介質(zhì)的介電性質(zhì)和幾何形體等的變化而變化,在介質(zhì)特性發(fā)生變化的界面上發(fā)生反射,通過天線將反射波接收,根據(jù)反射波特性參數(shù),解譯出所測目標體。
為了獲得雷達探測的結(jié)果,需要對雷達記錄進行處理與判讀。雷達記錄的判讀也叫雷達記錄的波相識別或波相分析,它是解釋資料的基礎(chǔ),是理論與實踐相結(jié)合的綜合分析,需要堅實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗。筆者多年來一直使用地質(zhì)雷達進行公路路基、路面、橋涵、隧道質(zhì)量檢測,進行了大量的雷達記錄分析整理,總結(jié)了一些經(jīng)驗,介紹給大家,共同研究探討。
電磁波在介質(zhì)界面的反射特征由反射系數(shù)R表示,對于非磁性物質(zhì),當電磁波垂直入射時,反射系數(shù)式中:ε1、ε2分別為上下介質(zhì)的介電常數(shù)。從反射系數(shù)的公式可以看出兩點:第一點,界面兩側(cè)介質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)差別越大,反射波越強。從反射振幅上大致可以判定兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì);第二點,電磁波從介電常數(shù)小的介質(zhì)進入介電常數(shù)大的介質(zhì)時,即從高速介質(zhì)進入低速介質(zhì),反射系數(shù)為負,即反射波振幅反相。反之,從低速介質(zhì)進入高速介質(zhì),反射波振幅與入射波振幅同相。這是判定界面兩側(cè)介質(zhì)性質(zhì)與屬性的有利依據(jù);如從空氣進入土層或混凝土反射振幅反向。從混凝土后邊的脫空區(qū)再反射回來時,放射波不反相,脫空區(qū)的反射與混凝土表面的反射相位正好相反。如果脫空區(qū)充水,波從該界面的反射也發(fā)生反相,與表面反射波同相,而且反射振幅較大?;炷林械匿摻?,波速近乎為0,反射自然反相,而且反射振幅特別強,因而反射波的振幅和方向特征是雷達波判別的最重要依據(jù)。
不同的介質(zhì)有不同的結(jié)構(gòu)特征,內(nèi)部反射波的高、低頻率特征明顯不同,這可以作為區(qū)分不同物質(zhì)界面的重要依據(jù)。巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因而巖石內(nèi)反射波明顯,特別是高頻波豐富,混凝土與巖層相比,結(jié)構(gòu)相對比較均勻,因而混凝土內(nèi)部反射相對較少,只是有缺陷的地方有反射。又如,表面松散土電磁性質(zhì)比較均勻,反射波較弱;強風化層中礦物按深度分布,垂向電磁參數(shù)差異較大,呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射;其下新鮮基巖中呈現(xiàn)高頻弱振幅反射,從頻率特性中可以清楚的將各層分開。如隧道圍巖中的含水帶也表現(xiàn)出低頻高振幅的反射特征,易于識別。節(jié)理帶、斷裂帶結(jié)構(gòu)破碎,內(nèi)部反射較多,在相應(yīng)的走時位置表現(xiàn)出高頻反射。但由于破碎帶的散射和吸收作用,從更遠的部位反射回來的后續(xù)波能量變?nèi)酰盘柋憩F(xiàn)為平靜。
雷達記錄中,同一連續(xù)界面的反射信號形成同相軸,根據(jù)同相軸的時間、形態(tài)、強弱、方向反正等進行解釋判斷是地質(zhì)解釋的重要基礎(chǔ)。同相軸的形態(tài)與地下介質(zhì)界面的形態(tài)并非完全一致,特別是邊緣的繞射效應(yīng),使得邊緣形態(tài)有較大的差異。對于孤立的埋設(shè)物,其反射的同相軸為向下開口的拋物線。有限平板界面反射的同相軸中部為水平,兩端為半支向下開口的拋物線[2]。
如果脫空體內(nèi)為空氣,由于混凝土和空氣的電性差異較大,當電磁波在混凝土與空氣、空氣與圍巖之間傳播時,上下兩個界面會產(chǎn)生兩次強反射,雷達剖面上會出現(xiàn)雙曲線形態(tài)的強反射波,其同相軸與相鄰道發(fā)生錯位,依此特征可確定出空洞的位置、分布范圍,并計算出空洞距襯砌外表面間的距離。但有時脫空所形成的異常與圍巖表面局部的凸起形成的異常相近,因此在確認是否為脫空時要對異常形態(tài)加以細致的分析和確認。圖空區(qū)域的雷達檢測剖面主要呈現(xiàn)如下特征:第一個鮮明的特征就是反射波特別強且頻率高,因為空氣與圍巖、混凝土介質(zhì)的介電常數(shù)差異明顯,反射系數(shù)大致在0.4~0.5之間;第二個特點就是多次波比較發(fā)育,接收到的反射波持續(xù)時間很長;第三個特點是空洞最先到的反射振相與表面反射相位相反,因為電磁波是從低速介質(zhì)進入高速介質(zhì),而在表面是從高速介質(zhì)進入低速介質(zhì)??斩磁c脫空地質(zhì)雷達處理最有效的辦法是采用反差大的能量顯示模板,在這個顯示模板下中等和較小的反射被忽略,只顯示最強的信號,空洞在大面積平淡的背景下容易識別。圖1為一隧道襯砌檢測中實例。
圖1 隧道襯砌與圍巖間的脫空雷達圖像
襯砌背后的圍巖一旦富水其介電常數(shù)積聚增大,與周圍區(qū)域形成一個明顯的差異,反映到雷達剖面上:第一個鮮明的特征就是反射波振幅強頻率低,形成一個明顯的強振幅區(qū);第二個特點就是多次波比較發(fā)育,接收到的反射波持續(xù)時間很長,一般呈現(xiàn)為水平強振幅,而不是類似鋼筋的雙曲強振幅;第三個特點是滲水部位最先到的反射振相與表面反射相位同相,因為電磁波是從高速介質(zhì)進入低速介質(zhì)。富水區(qū)域異常識別最有效的辦法是采用反差大的能量顯示模板,在這個顯示模板下中等和較小的反射被忽略,只顯示最強的信號,富水區(qū)域大面積的水平強振幅在平淡的背景下容易識別。用灰度圖同樣可以識別。圖2某隧道襯砌檢測中實例。
圖2 某隧道襯砌400 MHz天線探地雷達檢測剖面
鋼支撐是良導(dǎo)體,電磁波波速為零,電磁波的能量幾乎全部反射回來,反射系數(shù)近乎為1,反射極強。在雷達記錄中的表現(xiàn)是一系列的強反射弧,形如半開的傘狀,第一反射振相與表面反射波同相,并且多次反射波比較嚴重,識別起來比較容易,從雷達的原始剖面上就可以直接進行判讀。圖3為實測隧道初支內(nèi)鋼架雷達檢測記錄圖像。
圖3 某隧道襯砌400 MHz天線探地雷達檢測剖面
隧道襯砌檢測中,隧道初襯與圍巖之間的界面是弱反射界面,襯砌質(zhì)量越好、襯砌與圍巖間接觸越密實,反射越弱。對這些層面的辨認與追蹤是困難的工作。為了便于這些層面的追蹤,最好使用能量顯示方式,選取合適的顯示模板。估計界面的位置,通過增益調(diào)節(jié)減小兩側(cè)信號的強度,突出界面信號的強度,合理設(shè)置色差,達到正確追蹤的目的。在層位追蹤中最重要的是層位識別準確,關(guān)鍵的問題是掌握界面的特征。圍巖與初襯之間界面最明顯的特征有兩個:第一是波的頻譜特征差異大,第二是延界面有斷續(xù)的強反射波。襯砌中因介質(zhì)較均勻,雜亂反射較少,多為低頻弱反射波,頻譜以低頻為主;圍巖中巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,雜亂反射很多,多為高頻不連續(xù)波,頻譜以高頻為主。襯砌與圍巖之間會存在一些縫隙,縫隙部位的反射波是很強的,因而界面的反射波會呈現(xiàn)一段強一段弱的特點。圖4為某隧道襯砌厚度檢測雷達記錄圖像。
圖4 某隧道襯砌厚度400 MHz天線探地雷達檢測剖面
混凝土路面與基層的介電常數(shù)差異明顯,反射波清晰,選擇適當?shù)哪芰匡@示模板就可清晰的進行層位追蹤。圖5為某一段路面厚度的實測雷達記錄圖像,從圖像上容易看,面層與基層、基層與底基層分界面的反射信號形成同相軸,并且連續(xù)性強,反射強烈,說明用900 MHz天線很容易檢測水泥混凝土路面厚度。
圖5 900 MHz天線路面厚度檢測剖面
(1)地質(zhì)雷達波相分析是資料解釋的基礎(chǔ)工作,是準確獲得探測結(jié)果的關(guān)鍵,做好這項工作需要堅實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗,需要在實踐中不斷分析和總結(jié)。
(2)要獲得準確的地質(zhì)雷達探測結(jié)果,必須綜合分析目標體反射波的振幅與相位、頻譜、同相軸形態(tài)等特征,同時應(yīng)適當進行濾波等數(shù)據(jù)處理及合理選擇雷達圖像的顯示方式。
(3)目前很多地方和單位用地質(zhì)雷達進行公路路基、路面、橋涵、隧道質(zhì)量檢測,取得了一定效果,積累了一些經(jīng)驗,但地質(zhì)雷達探測作為新的檢測技術(shù),準確度和精度有時不盡人意,需進一步研究和改善。
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P631.3
B
1009-7716(2017)10-0180-03
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.055
2017-05-16
王興舟(1975-),男,吉林洮南人,工程師,從事交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督無損檢測工作。