探地雷达技术在大坝混凝土密实性检测中的应用
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摘要：介绍了探地雷达的基本原理及在工程应用中的具体优势。阐述了探地雷达的主要数据处理方法，以大坝混凝土内部孔洞和不密实区检测为例，介绍了探地雷达技术在大坝混凝土质量检测中的应用，最后指出了该技术在水利行业的应用前景。
关键词：探地雷达；数据处理；混凝土密实性探测；应用前景
中图分类号：TV331文献标识码： A
0 前言
探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)是用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律的一种探测方法。探地雷达有许多名称，如地面探测雷达、地下雷达、地质雷达、脉冲雷达和表面穿透雷达等，探地雷达是目前应用比较广泛的名称（曾昭发，刘四新，冯等，探地雷达原理与应用，北京：电子工业出版社，2010）。探地雷达发明于20世纪初叶，并在20世纪90年代以后逐渐成熟起来，由于具有高效、无损和高分辨率等优点，在水利行业有着广阔的应用前景。
1探地雷达的基本原理
探地雷达检测原理类似于探空雷达和地震反射技术，是地球物理方法中的一种高分辨率、高效率的探测方法，是二十世纪地球物理探测科学的结晶。探地雷达方法将高频电磁波（1MHz～1GHz）以脉冲的形式通过发射天线送入地下。电磁波在地下介质中传播时，当遇到存在电性差异的地层或目标体时，会发生反射和折射，反射回地面的电磁波被接收天线所接收和被雷达系统采集和显示。在对采集到的雷达波进行数据处理的基础上，根据雷达波的频率、振幅和相位等特征，推断地下介质或目标体的空间位置、形态特征和埋藏深度，从而达到对地下地层或目标体探测的目的。
电磁波从发射天线发射到被接收天线所接收，行程时间t为：
式中，t为电磁波行程时间；Z为反射界面深度；X为发射天线到接收天线间的距离；V为电磁波在介质中的传播速度；C为光速（C=0.3m/ns）；εr为介质的相对介电常数。当速度V已知时，通过对雷达剖面上反射信号旅行时间的读取计算反射界面的埋藏深度Z值。
图1 探地雷达的电磁波传播示意图
2探地雷达数据处理方法
对于采集到的雷达数据，应进行必要的处理。数据处理不应消除或增加目标特征，也不应改变数据所蕴含的目标特征本身，但应有助于解译。增益调整和滤波是数据处理的关键。常用的探地雷达数据处理方法有：
（1）距离归一化，目的是确定目标的桩号位置。
（2）一维频率滤波，用来消除低频干扰。滤波时，如果通频带选得太窄，滤波处理就会将真实数据的有用频谱成分去除。合适的准则是将通频带选在沿中心频率对称分布的区段，其带宽一般可设置为中心频率的1.5倍。但是，由于采集到的数据的中心频率往往比标称的天线频率低，滤波器参数设置应考虑这一点。
（3）反褶积处理，通过压缩子波，并消除多次波，在雷达地层上只保留地层波阻抗差产生的反射系数，从而提高雷达剖面分辨率（地质雷达探测原理与方法研究，杨峰，彭苏萍，北京：科学出版社，p82）。反褶积过程实际上是抵消大地的滤波作用（何樵登，熊维纲，应用地球物理教程―地震勘探，地质出版社，1991年10月）。
（4）二维滤波，当有效波和干扰波的频谱比较接近时，很难用一维频率滤波消除干扰，如果干扰波和有效波存在视速度差异，则可进行视速度滤波，这种滤波是一种空间域的滤波，电磁波波动是时间和空间的函数。
（5）偏移滤波，用于消除侧反射和绕射波，突出介质内部的细微结构变化。
（6）增益调整与色阶变换，增强目标层位的信号幅度，增强目标层位的视觉感。增益调整可以使雷达剖面上各有效波的能量均衡，这种处理便于有效波的追踪，也利于弱信号的对比。
3.工程应用实例
吉林省境内某水电站坝体溢洪道表面有一定的冲刷剥蚀，为深入了解堰体内部混凝土密实状况，采用美国劳雷SIR-3000型雷达配以400MHz天线进行了探测，测线间距为1m，探测模式为连续测量。图2为混凝土不密实区域的雷达图像，可以看出，不密实区域的电磁性质与密实区域相比有差异，因此雷达回波的振幅在横向上将发生改变，在纵向上表现为强反射，在雷达剖面上显示为局部异常。
图3中方框所示为堰体内部探测到的孔洞的图像，这里电磁波首波为负波，当电磁波经过混凝土遇到孔洞时，电磁波实际上由低速介质进入高速介质，因此会发生强反射，但不反相，振幅仍为负相位，据此可以判断孔洞的位置。
4．总结
由于具有快速、高效、无损和高分辨率等优点，探地雷达技术在水利行业有着广阔的应用前景，特别是以下几个方面：
（1）工程勘察。具体包括地下断层探测、地质层分界面探测和地下溶洞探测等。断层是指地层发生错动，并且在断点附近，地层往往出现绕射。地层分界面产状对地表构造物的建造具有重要意义，采用探地雷达精确探测地层分界面，可为地上构筑物岩土工程设计提供依据。
（2）混凝土质量检测。探地雷达检测混凝土密实性和内部孔洞缺陷有着很好的效果，不密实区域会有明显反射，在雷达剖面上显示为局部异常；而孔洞处会有明显反射且电磁波不反相。此外，渠道衬砌混凝土厚度检测、输水隧洞衬砌混凝土质量检测也是探地雷达的重要应用领域。
（3）在水资源研究中的应用。主要包括水地层特征的研究、流动和传输参数的分布、水分含量估计和动态水文过程监控等。