地质雷达信号界面反射确定试验研究

肖祥

武汉高速铁路职业技能训练段 湖北武汉 430070

摘要：地质雷达检测或探测时，结构物的厚度或目标的埋藏深度是依据反射信号的接收时间来计算的，准确记录反射时间的关键是确定计算时间的起始点和界面反射点。本文设计了水槽实验模型，通过水槽模型对比研究了不同天线频率和钢筋不同埋深情况下的反射规律，确定了首波1/4作为起点的标准。

关键词：地质雷达  零点位置  界面反射

1 引言

雷达检测或探测时，结构物的厚度或目标的埋藏深度是依据反射信号的接收时间来计算的，因此准确确定反射信号的接收时间( 简称反射时间)是决定结构物厚度或埋藏深度计算精确的关键。为精确记录反射时间, 首要问题是确定计算时间的起始点和界面反射点，目前各检测单位在具体计算时，有不同的确定方法，有的取波的起跳点、有的取第一个负波，有的取第一个正波，这样往往会造成结果分析的误判，为此进行模型试验进行研究是很有必要的。

2 水槽模型试验

试验目的是根据已知的参数来确定雷达界面反射信号的位置，试验采用水槽和钢筋，介质采用纯净水，水的介电常数已知，界面采用钢筋，信号反射强烈，容易判释。

2.1界面反射确定试验理论

在确定零点界面时，我们通常会运用反射系数的Fresnel公式来确定。

                          

 式中：ε1为相邻介质的上层介质的介电常数，ε2为两层介质的下层介质的介电常数。

通过以上反射系数的Fresnel公式说明了几点：1、反射波形振幅的大小，反映了电磁波的强弱。两侧介质的差异性越大这种现象越明显，由此可通过此进行两侧介质性质的判定。2、由于两侧介质存在差异，反射系数会有正反。当ε1大于ε2，即从相对低速的介质到高速介质，反射系数为正值，反射波的振幅为正向，与入射波同向（如图1）；当ε1小于ε2，即从相对高速的介质到低速介质，反射系数为负值，反射波的振幅为负向。在进行衬砌检测，当电磁波从空气进入混凝土，由于混凝土的介电常数较大，反射波振幅反向；当混凝土内部存在脱空，由于介电常数的差异性，电磁波从混凝土进入空洞反射波不反向；如果混凝土后有水存在，当波从混凝土进入水中，反射波反向且振幅较大。电磁波在钢筋中的波速几乎为0，当混凝土中存在钢筋，反射波反向，振幅特别大。由此，在判别界面时，反射波的振幅和方向成为重要依据。

图1  电磁波的界面反射

2.2试验设计

试验所用的的器材为长宽高尺寸为1.5×1.0×1.0钢化水槽，水槽内上下采用间隔10cm玻璃条粘贴，用来放置试验钢筋；试验仪器使用的为SIR-20型雷达，所用天线分别为1500 MHz、400 MHz、900 MHz。

图2  试验水槽

试验时，水槽中注满清水，水面用宽胶带密封，天线轻帖胶带表面匀速移动，分别采用不同频率的天线和钢筋处于不同深度进行组合测试。

2.3试验原理

在光速c已知，电磁波在水中的传播速度已知且钢筋距离水面的实际距离已知的情况下，电磁波在水中遇到钢筋时的传播时间可在雷达波形图中测出，所以只要确定出波的零点和钢筋反射位置，利用公式可以计算出初至面与钢筋顶面最上端的距离。对初至波零点不同位置与钢筋最上端反射不同组合进行计算钢筋的深度，然后与实际深度进行对比，即可找出误差最小的反射界面，从而确定出零点和界面的反射位置。

3 试验数据分析

理论上电磁波从空气进入水体，是第一个负波（图1中的零点，空气进入介质），但试验结果有时不明显，且不容易判定，为此将第一个完整波形取1/4波和3/4波进行分析，其中1/4波可以是正波，也可以是负波。钢筋位置分别取正波和负波进行分析计算，雷达图见图3。根据不同频率的天线和钢筋处于不同深度进行组合试验结果来看，其规律基本相同，分别取取其中400MHz、900MHz、1500MHz天线的组合试验结果，由于不同天线探测深度、分辨率的不同，900MHz选取了两个钢筋位置多组实验，1500MHz选取了一个钢筋位置多组实验。具体实验结果见表1、表2、表3所示。另在前期分析中，由于零点取起跳点与实际相差较大，因此，在试验结果计算中没有将此列出。

 

图3 零点与钢筋位置确定

表1 400MHz天线钢筋雷达数据表

钢筋实际深度/cm	零点 位置	时间/ns	钢筋 位置	时间/ns	波速/ (cm·ns-1)	计算值/cm	误差/cm
8.100	四分之一波	1.42	负波	5.51	3.333 3	6.81	1.29
		1.42	正波	6.05		7.71	0.39
	四分之三波	3.29	负波	5.51		7.39	0.71
		3.29	正波	6.05		9.19	-1.09
18.100	四分之一波	1.96	负波	11.39	3.333 3	15.7	2.4
		1.96	正波	13.26		18.8	-0.7
	四分之三波	3.20	负波	11.39		13.6	4.5
		3.20	正波	13.26		16.8	1.3
28.100	四分之一波	1.16	负波	16.46	3.333 3	25.8	2.3
		1.16	正波	17.97		28.0	0.1
	四分之三波	2.49	负波	16.46		23.3	4.8
		2.49	正波	17.97		25.5	2.6

表2 900MHz天线钢筋雷达数据表

钢筋实际深度/cm	零点 位置	时间/ns	钢筋 位置	时间/ns	波速/ (cm·ns-1)	计算值/cm	误差/cm
8.100	四分之一波	0.52	负波	4.84	3.333 3	7.20	0.9
		0.52	正波	5.78		8.76	-0.66
	四分之三波	1.11	负波	4.84		6.22	1.88
		1.11	正波	5.78		8.76	-0.66
17.800	四分之一波	0.28	负波	9.65	3.333 3	16.0	1.8
		0.28	正波	10.33		16.8	1
	四分之三波	0.73	负波	9.65		14.9	2.9
		0.73	正波	10.33		16.0	1.8

表3 1500MHz天线钢筋雷达数据表

钢筋实际深度/cm	零点 位置	时间/ns	钢筋 位置	时间/ns	波速/ (cm·ns-1)	计算值/cm	误差/cm
8.100	四分之一波	0.65	负波	5.21	3.333 3	7.60	0.5
		0.65	正波	5.62		8.28	-0.18
	四分之三波	1.06	负波	5.21		6.92	1.18
		1.06	正波	5.62		7.60	0.5

从试验结果可以看出：在多组试验中我们可以发现，雷达钢筋反射波形的第一个正波与第一个完整波形的四分之一波（可以是正波也可能是负波的波峰）组合计算结果与实际的结果最接近。其它不同频率的天线和钢筋处于不同深度进行组合的试验结果与此相同。由此我们可以得出零点位置为第一个完整波形的四分之一波，此外据此可以相应的定出钢筋的位置为钢筋反射波第一个正波最大值。这一结论与理论上认为电磁波从空气介质进入水中反射波形初至波为负波最大值不同。

4结论

1）零点取第一个完整波形的1/4处，比按理论取负波最大值更符合实际，便于检测人员实际操作。

2）混凝土中钢筋位置取钢筋反射波的第一个正波最大值最合适，非理论上的光疏介质进入光密介质反射的波形取负波最大值（钢筋的介电常数取∞）。

3）不同雷达和天线可能由于制作工艺的差异，出现界面反射的波形与菲涅耳公式确定界面的位置不相符是存在的，在实际工作中建议取标准件进行标定。

参考文献

[1] 粟  毅，黄春林，雷文太著．探地雷达理论与应用［M］．北京：科学出版社．2006

[2] 刘尧军，叶朝良编．岩土工程测试技术［M］．北京：重庆大学出版社．2013

[3] 韦宏鹄．探地雷达波的相位参数及其应用[J]．地质科技情报，1999，18(1)：3

[4] 孙学成.地质雷达技术在地下工程检测中的应用: [石家庄铁道大学硕士学位论文].石家庄:石家庄铁道大学土木工程学院，2015，22-46

作者简介：肖祥（1989-），男，汉族，河北沧州人，硕士研究生，武汉高速铁路职业技能训练段，驻段培训师，研究方向：铁道工程

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