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探地雷达的数据采集技术

时间:2025-02-12 23:50 编辑:admin
堤坝工程地域的不同使得堤坝所处的工程地质条件各不相同,在进行探测之前,首先要确定合适的布测方式和数据采集方法,才能获得准确有用的测量数据。(一)测前分析;(二)测线布置;(三)介电常数的估计;(四)测量参数的确定。

  堤坝工程地域的不同使得堤坝所处的工程地质条件各不相同,进而堤坝修建时在铺砌材料的处理和施工中也有较大差异,这一切都会导致在最终的堤坝白蚁蚁巢探测时探地雷达探测的目标体对象与周围介质的不同。因此,在进行探测之前,首先要确定合适的布测方式和数据采集方法,才能获得准确有用的测量数据。

  (一)测前分析

  为了顺利有效地实施探地雷达现场探测,需要对探测目标体对象的特点加以分析和预估,根据分析结果拟定探测前的准备工作。测前分析工作主要从以下几个方面展开:
  (1)探测目标体的几何形态、大小与取向。
  白蚁蚁巢的分布是没有规律的,并且蚁巢随着时间的推移其大小及数量也是呈递增的趋势。
  (2)探测目标体的深度。
  通过对往年开挖蚁巢巢穴深度的数据进行统计分析,结果显示白龟山蚁巢巢穴基本上分布在2m深度以内。

  (二)测线布置

  探测工作实施之前的另一首要任务是建立测区的坐标系统,以便对测线进行布置和规划,并确定测线的最终平面位置。测线的布置需要遵循一定的布置原则,具体如下:
  (1)当探测目标体的体积有限时,应先用大网格小比例尺初步确定目标体的大致位置,再用小网格大比例尺测网详查其具体位置(注意分析介质属性)。
  (2)当探测目标体分布是随机的,且没有规律可循时应采用网格测量方式。

  (三)介电常数的估计

  利用探地雷达对道路工程质量进行检测,是通过电磁波的形式实现的。于是需要考虑电磁波在地下介质中传播的两个重要参数;介电常数ε与传播速度v。它们是估计被测目标体理藏深度与穿透介质层厚度的基础,也是后期采集的数据成像和识别等处理手段所必需的参数。
  介电常数估计值的获取一般是通过计算来实现的,常用的计算方法主要包括层剥反演估计法、电磁反演估计法和高精度校准测量法。考虑到这三种方法的计算复杂、工作量大等不利于现场操作的特点,在实际工作中,一·般根据多次的现场试验和开挖来验证介电常数。

  (四)测量参数的确定

  采用探地雷达进行实地探测时,需要根据具体探测目标体的特点和所处地质环境选择合适的测量参数,主要包括天线中心频率、时窗宽度、采样频率和扫描速度等。

  1.天线中心频率
  选择天线中心频率时,通常要考虑三个主要因素:设计的空间分辨率、杂波的干扰和探测深度。一般情况下,在探测场地条件许可的情况下,首先满足分辨率的要求,应尽量使天线的中心频率较低。
  大量实践表明,采用高频天线探测具备精度高的优势,然而正是由于高频天线精度高的特点使得能量扩散较大,从而使得探测深度较浅;反之,低频天线探测的精度虽低,却拥有较深的探测深度。采用探地雷达实际进行探测时,为便于实施探测,并兼顾探测深度和分辨率两个方面,常采用中高频结合的天线进行同时探测。通过对白龟山水库往年开挖蚁巢巢穴深度的统计分析,本项目拟采用400 MHz和900 MHz的雷达天线相结合的方式进行堤坝的全面探测。

  2.采样频率
  从统计学角度上来说,雷达水平采样频率越密,剖面上越能详细地反映堤坝下部白蚁巢穴的情况,因而整体评价堤坝白蚁巢穴的精度越高。然而在实际探测中会因为采样频率过密而使得雷达检测速度降低,同时数据采集量的加大使得探地雷达的工作强度和成本大大提高。在实际探测中,探测的路段长度往往长达几十千米乃至上百千米,此时探地雷达的探测速度和数据量都是不容忽视的。综合考虑上述因素,在实际应用中,以每间隔1m接收一条扫描为宜。

  3.天线的极化方向
  天线的极化方向(也称偶极天线的取向)是对目标体进行探测的一个重要方面。当采用不同极化方向的雷达电磁波对目标体进行探测时,一方面可以确定被测目标体的形状,另一方面可以研究被测目标体的固有性质。实际探测经验表明:采取不同的天线极化方向,最终获得的电磁波图像不同,并且伴随着较大的差异背景。

  4.时窗宽度
  探地雷达的时窗宽度与探测深度有关,一般根据测深来确定。探测实施前选用的时窗宽度与探地雷达的探测深度存在正相关的关系,即雷达探测越深,则选用的时窗宽度应该越长;探测越浅,则选用的时窗宽度应该越短。实际操作时可以根据具体探测目标体来进行相关的估算。根据估测的最大探测深度H和地层电磁波速度v或介电常数ε,来估算采样的时窗宽度w。若已知蚁巢的深度约为20cm,介电常数为16,代入公式w=1.3×-=2H√/5/0.3,计算得t=5.28 ns,则时窗长度应选10 ns。在时窗选择时宜稍有富余,这是考虑到地层速度与目标深度的变化留出的余量。

  5.扫描速度
  探地雷达的天线在水平方向上移动时每秒扫描的次数称为扫描速度。探地雷达的每一次扫描都能得到一幅回波波形的数据信息,由此可见探地雷达的扫描速度越高,实际探测时每秒获得的数据信息量就越大,因此扫描速度上限越高越好。除要考虑水平分辨率和记录数据量两个因素外,采样点数参数选择也影响着扫描速度。实测时,高速扫频的持续使用很有可能会折减探测仪器的使用寿命,而且考虑到模数转换速度和数据量大小等,当采样点数确定后,首先满足水平分辨率要求,然后可参考表5-1对扫描频率适当选取。

  在采用探地雷达进行连续测量时,天线的最大移动速度受到三个因素的综合影响:扫描速度、天线宽度和目标体大小。鉴于工程实践要求,至少保证有20次扫描经过被测目标体。

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