沈阳建筑大学 沈阳 110168
【摘 要】地质雷达利用电磁波能够进行连续无损、高精度、实时成像、结果直观的检测。电磁波在有耗电介质中传播时会衰减，对检测深度和结果精度有不同程度的影响。文章通过矿井检测对进行高电介质检测时天线频率选择、电磁波衰减特性以及雷达图辨识等进行了分析。
【关键词】地质雷达；电磁波；高电介质；衰减
1 引言
我国矿井数量和规模逐年增加，保障矿井安全运转成了矿产事业稳定发展的一大要求。竖井井壁支护及支护后矿体存在着界面间脱空，混凝土及矿体不密实等危害。传统检测方法钻芯取样法，效率低、偶然性大、代表性差，而且破坏了矿井的整体性。地质雷达检测技术具有连续无损、方便快捷等特点；加上其具有探测精度高、实时成像和直观反应检测结果等优势而备受青睐。
2 地质雷达简述
2.1工作原理
地质雷达（Ground Penetrating Radar,简称ＧＰＲ）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz-1GHz）电磁波技术。地质雷达利用发射天线发射高频宽频带电磁波，接收天线接收来自地下介质界面的反射波，将信息传给计算机（见图1）。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到的旅行时间（亦称双程走时）、幅值与波形资料，可推断介质的结构[1]。
2.2 电磁波特性
电磁波遵循电磁场基本规律Maxwell方程组。电磁波在介质面的折射与反射特征由折射系数Ｔ和反射系数Ｒ表示。
其中：
分别为相邻两层介质的介电常数。由上式可知，反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强。
2.3 适用性
依据地质雷达工作原理，公路路基、路面、隧道衬砌的层状结构特点以及各层不同材料的电磁特性适合于探地雷达的检测[2]。
非均质的工程结构特别是混凝土中的骨料、钢筋，振捣不密实形成的孔隙非均体，表现出强烈的不均匀性和局部异常，大小不等、分布不均适合于地质雷达的电磁波工作原理。
3 工程应用实例
3.1 工程概况
某钾盐竖向矿井深300米，外壁采用混凝土材料进行支护，上部支护0.8米厚（0-100米），下部0.6米厚（101-300米）（如图2）。
3.2 检测方案
（1）测线布置
本次检测参考《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB 10223-2004）[3]。采用横向连续环形布置测线，在井壁由上至下每隔3米布置一条环形测线（如图3）。检测时天线与矿井支护表面紧贴，沿环线滑动，进行快速采集。
（2）天线选择
检测采用意大利IDS公司RIS地质雷达。主要选用600MHz天线测井壁后的病害，1600MHz天线测井壁配筋。高电介质盐类对电磁波有较高衰减作用，并且在矿井井壁后存在着局部的混凝土填充，导致部分井壁的厚度增大并很难得知具体增量，同时选择了能量较高的200MHz天线，来测量加厚井壁、井壁后孔径较大和600MHz天线无法准确测得的空腔。
3.3 检测分析
（1）电磁波的衰减
电磁波在有耗介质中传播时存在着高频衰减。电能衰减和磁能衰减的机理是相似的,其中由介质导电效应而引起的介质层间衰减影响最大[4]。据研究,由介质的介电弛豫性质引起的电磁波衰减中的电能损失量的松弛因子可以描述为位移量与电场强度矢量的褶积关系[5-6]。根据对探地雷达电磁波播理论的研究，可以采用复介电常数
、品质因子
和衰减系数
3个参数来描述有耗介质的衰减特性。
其中，
用于对单色频率电磁波传播理论的研究；
从电能损失量的角度描述了电磁波衰减特性;
从电能损失和磁能损失两个角度来描述电磁波衰减特性,能更好的指导探地雷达在磁导介质中开展工作。
这3个参数不是独立的，而是从不同的角度采用不同的方法来描述了电磁波的衰减特性，所以它们是等价的。
(2)图像处理与分析
反射得到的原始图像，影像模糊，存在干扰因素不易于判断目标物信息。对原始图像进行滤波、去噪、增益后图像质量提高，得到清晰灰度图。
脱空现象，当界面存在脱空时，电磁波在混凝土、空气与土层中传播,产生强反射界面,前后两个界面两次反射,在雷达剖面图上会呈现明暗相间的反射异常。图3、图4分别为本次检测时600MHZ和200MHZ频率天线得到的脱空图像。
由图3、图4知：600MHZ的中频天线比起200MHZ的低频天线来波的能量衰减要快，但本身波的能量大，分辨率高。所以，在满足检测深度的前提下优先选择高频天线。
②不密实现象,介质不密实会有多个界面对电磁波多次反射 ,在地质雷达剖面图上表现为波形杂乱。图6为高电介质土体在200MHZ天线下检测得到的不密实图像。图7为普通地质条件下200MHZ天线检测得到的不密实图像。
由图6和图7可知：电磁波在高电介质土质中传播速度相对普通土质要小因而能量损耗大，反射信号强度低，导致了同一频率雷达天线在不同地质条件下的效果差异。所以要综合考虑现场地质条件，选取合理雷达天线和相关参数设置。
4 结语
（1）由电磁波理论和矿井检测结果可知，在满足探测深度的前提下应尽量选择频率高的雷达天线，分辨率高、图像清晰。
（2）对不同检测环境下的图像干扰信号，分析干扰特征，消除图像识别时的误判。
（3）提高图像后期处理技术，发展图像滤波方法；提高图像清晰度和缺陷特征，是保证检测精度的前提，也是地质雷达检测的发展方向。
（4）雷达自带分析软件具有普适效应，针对性相对较差，可针对某种病害进行图像处理开发，使结果更准确。
参考文献
[1]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994
[2] 赵燕峰，娄海.道路探地雷达在高速公路检测技术中的应用.河南师范大学学报(自然科学版).2004,32(2).98-100
[3]《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB 10223-2004）[S].中国铁道出版社，2004.
[4]孙洪星，李凤明.探地雷达高频电磁波传播衰减机理与应用实例.岩石力学与工程学报.2002,21(3).413-417
[5]杜树春.探地雷达及其在环境地质中的应用[J].物探与化探，1996，(5)：384～392
[6]Tong Xu， McMechan Geodge A. GPR attention and its numerical simulation in 2.5 dimensions[J]. Geophysics， 1997， 62(1)： 403～ 414
【基金项目】沈阳建筑大学青年基金（2012033）。
论文作者:郭凯,陈鹏
论文发表刊物:《低碳地产》2016年7月第14期
论文发表时间:2016/11/3
标签：电磁波论文; 天线论文; 介质论文; 地质论文; 矿井论文; 反射论文; 电介质论文; 《低碳地产》2016年7月第14期论文;