RIS 地质雷达 - 图文

RIS探地雷达

一、概述

博泰克RIS探地雷达在兼具了传统探地雷达各项优点的同时，增添了高灵敏度、高分辨

率的天线阵，使浅层和深层探测一次完成，实现了三维立体探测，大大提高了工作效率，具有数据采集完整、快速、低误差等特点。适用于公路路面、隧道衬砌质量的检测、桥梁结构检测、路基检测、管线探测、岩性分析和条件恶劣场地的应用。

使用博泰克RIS天线阵雷达进行公路和隧道检测如图8-1所示。

图8-1 RIS探地雷达

二、RIS K2主机技术参数

1、扫描速度： 850扫/秒 2、脉冲重复频率：400KHz 3、时 窗： 9999 nsec 4、采样点数： 128-8192 5、叠 加 数： 1-32768 6、分 辨 率： 5psec 7、工作温度： －10～50℃ 8、A/D转换 ： 16bit 9、工作环境标准： IP65 10、动态范围： >160dB 11、信 噪 比： >160dB 12、可连接8对天线同时测量

13、尺寸：22x17x5.5cm，重量：1.2kg

现场测量开始前应该对雷达的采集参数进行设定，这一工作最好在进入现场前在室内完成，进入现场后可根据情况略加调整。参数设定的内容包括时间窗口大小、扫描样点数、每秒扫描数、Ａ／Ｄ转换位数、增益点数等内容。参数设置的是否合理影响到记录数据的质量，至关重要。

★探测深度与时窗长度

探测深度的选取是头等重要的，既不要选得太小丢掉重要数据，也不要选得太大降低垂向分辨率。一般选取探测深度H为目标深度的1.5倍。根据探测深度H和介电常数ε确定采样时窗长度（Range/ns）：

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Range= 2H(ε)1/2/0.3(ns)= 6.6 H(ε)1/2(ns)

例如对于地层岩性为含水砂层时，介电常数为25，探测深度为3m时，时窗长度应

选为100ns，时窗选择略有富余，宁大勿小。

★ A/D采样分辨率：

雷达的A/D转换有8Bit、16Bit、24Bit可供选用。选择24Bit动态大，强弱反射

信号都能记录下来，探测深度大、时窗长时采用。16Bit，动态中等，中高频天线、探测2-5m时采用；选择8Bit动态小，采集速度快，探测深度小于1m、时窗小时采用；

★ 扫描样点数

扫描样点数Samples/Scan有128、256、512、1024、2048/scan可供选用，为保证

高的垂向分辨，在容许的情况下尽量选大。对于不同的天线频率Fa、不同的时窗长度Range，选择样点数Samples应满足下列关系：

Samples≧10-8*Range*Fa

该关系保证在使用的频率下一个波形有10个采样点。例如对于900MHZ天线，40ns采样长度的时窗，要求每扫描道样点数大于360Sanples/Scan，可以选择接近的值512。对于100MHZ天线，500ns采样长度，样点数应大于500Sanples/ Scan,可以取512或1024。样点数大对提高资料的质量有利，但耗时较大，影响前进速度。

★ 扫描速率Scans/S：

扫描速率是定义每秒钟雷达采集多少扫描线记录，扫描速率大时采集密集，天线的

移动速度可增大，因而可以尽可能的选大。但是它受仪器能力的限制。对于一种类型的雷达，他的A/D采样位数、扫描样点数和扫描速度三者的乘积应为常数。当扫描速率Scans/s决定后，要认真估算天线移动速度TV。估算移动速度的原则是要保证最小探测目标（SOB）内只少有20条扫描线记录：

TV≦Scans*SOB/20

采集速度=（1/天线数量）*道间距（/脉冲间隔时间+采样点数/A/D转换速度）

在上式中，天线数量一般为连接的天线数量，Fastwave的脉冲间隔时间为100毫秒，K2和SRS的脉冲间隔时间为270毫秒。A/D转换速度为采集电子的速度， Fastwave主机的为400KHz，SRS为200KHz，K2为133KHz。

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例如探测目标最小尺度为10cm、扫描速率64Scans/s时,推算天线运动速度应小于32cm/s，相当于0.5cm/scan。如果最小目标为0.5m,则天线移动速度可达1.5m/s。

★ 增益点数的选择：

增益点的作用是使记录线上不同时段有不同放大倍数，使各段的信号都能清楚的显

现出来，增益点的位置最好是在反射信号出现的时段附近。SIR型雷达设计的增益点从2到8个，时窗短时选2点增益，时窗长时选4或5足以。点之间的增益是线性变化的，增益的变化是平滑的。增益大小的调节是使多数反射信号强度达到满度的60%-70%，增益太大将造成削顶，增益太小将丢失弱小信号。

★ 滤波设置：

滤波设置是为了改善记录质量。滤波分垂向滤波和水平滤波。垂向滤波分高通和低通，高通频率选为天线频率的1/6，高于这个频率的信号顺利通过，相当于带通滤波器里的低截频率。垂向低通频率选为天线频率的2倍，低于该频率的波顺利通过，相当于带通滤波器里的高截频率。

水平滤波分水平平滑和背景剔除，目的是消除仪器和环境的背景干扰。水平平滑通常取3道平滑，背景剔除功能只在回放时起作用。

★选择合适的采集方式：

雷达的采集方式有多种，对RIS仪器有连续采集、逐点采集、控制轮采集。连续采集是最常用的采集方式，具有工作效率高的特点，便于界面连续追踪。逐点采集一般在表面起伏变化大的情况下采用，或是使用低频拉杆天线时采用。控制轮采集是通过控制论行走为记录打标记，资料位置标记均匀准确，一般在表面平整的机场跑道、高速公路路面等场合采用。

★选择适宜的显示方式：

雷达显示是现场观察探测结果的只管展示，仪器预设了几个可供选择的彩色显示方式，可以根据不同对象选用，通过比较选择效果最好的方案。显示方案的振幅分成16等级，正幅值8级，负值8级。对16级的不同分法形成了三种显示方案。第一种方案是线性分割，第二种方案是平方根分割，第三种方案是按平方分割。第一种方案在大多数情况下采用，第二种方案在要求突出弱信号时采用，第三种方案在需要反映主要强反射界面时采用。

★正常数据采集工作程序

正常数据采集工作中并非每次都需要对所有仪器参数进行重新设置。雷达仪器有记忆，上次设定的采集参数仍在起作用。同时硬盘上存有不同天线对应的参数文件，可以根据需要调用。如果某些参数需要修改，可以调出来修改。应该特别注意下列几点：

a核定采样窗口长度； b.核定增益点设置；

c.确定采集时硬盘写打开；

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d.选择显示效果；

三、结构及工作原理

RIS探地雷达系统分三部分：主机、天线、后分析软件。

1、结构

1） 主机：如图8-2所示。

雷达主机是对采集信号进行控制和处理中心，它通过网络和笔记本电脑连接，具先进的设备状态诊断功能，在现场的使用极为方便； 博泰克RIS雷达有单通道和多通道型号主机，使用时可依照自己的工作需要进行选择。加上其不间断供电系统，一次可以完成几百公里长度的探测。主机自带的现场采集软件可以自动调节雷达波形、增益等参数（也可选择手动调节），使探测工作最大程度的减少了人为影响。

图8-2 主机

主机特点：

1、 全中文界面，主机操作简单 2、 现场准确定位各种缺陷位置 3、 极高的扫描速度和脉冲重复频率 4、 主机体积小、重量轻，坚固耐用 5、 高信噪比、高精度、高分辨率

6、 可以兼容所有RIS系列的天线和天线阵

2）天线：如图8-3所示。

天线是用来发射和接收高频电磁波信号的装置，RIS雷达天线的中心频率从10MHz~2.5GHz不等；天线频率的不同，其探测深度和分辨率相应改变。高质量的天线保证了高分辨率的探测精度，由于博泰克RIS雷达天线采用了目前国际上领先的屏蔽技术，尽可能避免了其它干扰信号，得到清晰的雷达波形图，使微弱的细微信号和深部信号不再被强烈的干扰信号所压制，从而提高了探测灵敏度。

天线包括以下四种类型： 屏蔽天线：具有目前世界上最低频率的屏蔽天线(80 MHz)，在市区等要求抗干扰能力很强的地方，需要进行深部探测时，具有无可比拟的优势。

非屏蔽天线：频率有10 MHz，25 MHz，40 MHz等，用于地质、水文等方面。

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天线阵系列：RIS雷达具有世界领先的天线阵技术，即把相同或不同频率的天线，通过特定的组合方式排成阵列形式。其优点是：增加了探测角度，提高探测概率，探测速度快。

井中天线：可深入井中数百米，用于井间CT扫描。

天线特点：

1、 同频率体积小、重量轻 2、 探测精度高、屏蔽性能好

3、 先进的天线阵技术大大提高了探测精度与效率

图8-3 各种天线

3）后分析软件

后分析软件是将主机处理和存储的雷达信号，根据不同特点进行各种处理，如去除干扰信号、对被测物体进行切片、信号再处理等，并将探测数据链接到CAD制图，对被测物体进行三维立体显示，自动绘制路面、隧道衬砌分层图、公路、铁路路基图、管线三维立体分布图、岩性分层图、分类图等，可自动或手动分析得出各层的实际厚度，在雷达图上加注钻孔取芯实际效果，对不同介质的分层设置不同的雷达波速，从而得到更精确的分层厚度，并可以直接把探测结果导入地理信息系统，方便实现查询、统计、输出等功能，从而更精确、更方便的进行管线探测和数据管理。软件安装在windows界面下，友好的人机对话，对非雷达专业的探测者，提供了最大的帮助。如图8-4所示。

图8-4 后分析软件

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RIS软件的特点：

①立体结构综合分析软件能够把处理过的雷达数据存储在数据库中，通过CAD自动链接软件IDSGEOMAP，把处理过的雷达信息导入到CAD中，自动绘制三维图形。

②数据分析及分层绘图软件具有以下特点： a .自动或手动精确划分不同材料组成的层面

b .自动添加图符说明（该功能能为用户提供报告很有帮助）

c .在雷达图上显示实际钻孔取芯的结果，并可据此调整雷达波的波速，同时自动

进行速度评估。

③岩性分析软件是目前世界上唯一一个能够进行土壤识别的软件，包含先进的“样品识别”算法，内部包含一个完全的土壤样品的数据库，能够自动对雷达图进行处理和识别，然后和数据库相比，以得到准确的分类结果；能够同时显示普通的雷达截面图，水平切片图、分层图、土壤识别彩色图等。应用于路基检测、非开挖技术、地质分析等领域。

2、工作原理

探地雷达作为无损检测的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点。根据电磁波在有耗介质中的传播特性，探地雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波(几MHz-几GHz)，当其遇到不均匀体(界面)时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定，通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的(见图8-5)。

数据采集

雷达可测量信号到达目标的传

输时间，利用估算的传播速率 计算出目标的距离

双曲线雷达图 当满足下面条件时，隐蔽物可由雷达探出：

1.在天线信号范围之内

2.信噪比适当 6

图8-5 探地雷达工作原理示意图

电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的 ，因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差ΔT，即可据下式算出地下异常的埋藏深度H：

H?V??T2 （ 8-----1）

式中，H即为目标层厚度；

V是电磁波在地下介质中的传播速度，其大小由下式表示：

V?C? (8-----2)

式中，C是电磁波在大气中的传播速度，约为3×108m/s；ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。

雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数r可表示为：

r?式中，ε1、ε

?1??2 (8-----3)

?1??22为界面上、下介质的相对介电常数。

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。 雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。导电率越高，穿透深度越小；中心频率越高，穿透深度越小，反之亦然。

四、仪器操作方法和步骤：

1、 连接

1）RIS主机电池接口和网线接口，如图8-6所示。

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电池接口 网络接口 图8-6 主机结构

2）RIS主机测量轮及雷达天线接口，如图8-7所示。

天线1及天线2接口 测量轮 图8-7 主机结构

2、 软件可以自动调节雷达波形、增益等参数

1）K2使用流程：

K2是RIS雷达系统的的最新一代采集软件，安装在笔记本电脑上,现在将其基本使用流程归纳如下：

双击K2图标，打开采集软件，在屏幕右侧的Configuration当中选择所使用的雷达，并可以设置基本参数，包括时窗（range）,每秒采样数（samples per scan），波速（propagation spee）d,也可以进一步修改天线的驱动程序，包括采样间距等等。

在new survey菜单下，可以在survey name下选择要建立的探测区域名称，可以是数字、字母或两者混合，area下选择子目录，设定探测区域分区探测名称，area description下对探测区域进行简单的描述。

2）增益标定

选择 start acquisition中，进行自动增益，在待检测的介质表面把天线拖动一段距离即可，然后点击stop停止增益。增益到一定长度时，系统会自动停止增益。

3）操作参数设定与调整

增益结束之后，选择edit parameters，设置探测区域的参数，包括扫描方向、步长、

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坐标偏移等等

3、 正式开始探测

1）按start scan 开始探测，在探测过程中可以通过mark 在雷达图中插入标记，save scan 保存探测数据，stop scan 结束本次探测。重复此过程可以进行多条测线的探测。

2）查看雷达图：在选择end acquisition命令后，回到主菜单，可以选择rename acquisition命令来重新命名探测区域，也可以选择review acquisition来重新查看雷达图，并进行必要的修改。

3）K2 采集软件的可操作阶段有以下几部分组成：

（1）打开 K2采集软件 （2）选择驱动 （3）增益标定 （4）选择探测区域 （5）设定采集参数 （6）采集雷达数据 （7）查看雷达数据

打开 K2采集软件：

当笔记本电脑已经完全打开时，就可以通过双击桌面上的K2图标，如图8-8所示，来打开K2采集软件。如图8-9所示。

图8-8采集软件图标

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图8-9 K2采集软件初始化窗口

选择驱动：

下面给出了在选择将要使用的雷达驱动时所需遵循的步骤。

通过按 Configuration 按钮来打开 Radar selection 窗口图8-10，在这里可以选择数据采集所需要的天线种类和驱动程序。

⑴ 如图8-10 所示的例子中, IDSTR200_WHE50 文件已经被选择,该驱动表示选择了一个带有50厘米直径定位测量轮的200MHz单天 线。

图8-10 雷达天线选择窗口

在时窗窗口下，可以针对框中已有的数值重新键入一个新的时窗值如图8-11。

图8-11 时窗设置

⑵ 每扫采样点数的数值可以选择由对话框下拉菜单中提供的数值。如图8-12所示。然而，这些数值不能低于在 Min req. sample/scan所提示的最小数值。

图8-12 每扫采样点数的数值

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