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摘要：分析地质雷达工作原理，熟悉地质雷达资料处理方式与解释原则，通过现场检测某工程基础筏板混凝土缺陷掌握地质雷达实际应用，并与常规检测方法进行比对，从而更深入地认识地质雷达在大体积混凝土缺陷检测中的应用。
关键词：地质雷达;无损检测;混凝土;缺陷
Abstract: the working principle of the analysis of geological radar, familiar with the principle of geological radar data processing and interpretation, by some engineering foundation raft concrete defect master the practical application of geological radar, and compares with conventional detection methods, thus a more in-depth understanding of geological radar in the application of mass concrete defect detection.
Key words: geological radar; Nondestructive testing; Concrete; defects
中图分类号：P412.25文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
1引言：
地质雷达(ground probing/penetrating radar，简称GPR)是一种新型地下探测与混凝土无损检测设备。其主要原理就是用天线发射高频电磁波，传感器接受目标介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场分布与波形随所穿透介质的电性质和几何形态而变化。因此根据接收到波的双程走时、波幅与波形资料的分析处理，可以推断结构内部的實际状态。雷达在工业与民用建筑无损检测中的应用主要包括混凝土结构构件尺寸、钢筋分布、空洞、裂缝、不密实度及其它隐蔽工程探测等方面，这些项目所要求探测深度一般在几米内，但要求分辨率较高。
2地质雷达的工作原理：
地质雷达利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置，其理论基础为高频电磁波理论：高频电磁波以宽频带短脉冲形式，通过发射天线被定向送入被测介质，经存在电性差异的目标体或界面反射后返回并由接收天线接收。反射电磁波经过一系列的处理和分析之后可以得到探测介质的有关信息。其检测原理如下图所示。
图1雷达探伤原理示意图
地质雷达在混凝土检测中基本参数如下：「1」
2.1电磁波旅行时间：
其中为检测目标体的埋深；为发射、接收天线间的距离（可忽略）；为电磁波在介质中的传播速度。
2.2电磁波在介质中的传播速度：
其中为电磁波在真空中传播速度（0.29979m/ns）;为介质的相对介电常数，为介质的相对磁导率（一般为1）。
2.3电磁波反射系数：
电磁波在介质传播过程中，当遇到介电常数存在明显差异的现象时，电测波产生的反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：
其中为第一层介质的相对介电常数；为第二层介质的相对介电常数。
由此可知,界面两侧介质电磁特性差异越大，反射波幅越强；波从介电常数大的介质进入介电常数小的介质时，反射系数为正，反射波振幅与入射波同向；反之，反射系数为负，反射波振幅为反向。从反射波振幅和相位上可以判定反射界面两侧介质的性质。
本次检测涉及的介质为空气、混凝土、钢筋，几种介质物性存在明显差异，其形成的反射是地质雷达检测的基本前提。
2.4地质雷达记录时间和勘察深度的关系：
其中为检测目标体的埋深；为雷达记录时间。
3资料处理：
地质雷达(GPR)数据处理是地质雷达应用过程中最重要的一个环节，由于混凝土各组成成分对电磁波不同程度的吸收和反射，以及本身的不均匀性等，使得雷达脉冲回到接收天线时波幅减小，波形也与原始发射波形有较大的变化。另外，不同程度的各种干扰和随机噪声，也歪曲了实测数据。因此，必须对原始数据进行处理工作，以改善数据资料，为最终地质解释提供清晰可辨的雷达探测图像。数据处理的一般流程如下：
图2 资料处理流程示意图
4资料解释原则：
对雷达剖面图像进行解释的基础是提取反射目标，只要被测介质中存在电性差异，就可以在雷达剖面中找到相应的反射波，根据相邻道上反射波的对比，把不同道上同一个反射波的同相相位“连接”起来形成“同相轴”。地质雷达资料解释依据主要是雷达波同相轴的连续性和波形的变化、相位的变化。
5混凝土缺陷检测：
因甲方对某工程筏板基础混凝土浇筑质量存在怀疑，特委托我公司检测该筏板基础混凝土是否存在空洞、气泡、不密实、钢筋位移等缺陷，并指出缺陷的具体位置以及大小，我公司采用地质雷达对该筏板进行无损探测。
现场检测前应了解探测目标体与其所在环境条件，例如目标体深度、尺度、要求分辨率、目标体电性与周围介质电性以及现场环境是否存在大体积金属构件或电磁波反射界面等，这些是确定雷达测试能否进行以及选择雷达配置与参数的重要因素。
5.1测量仪器：本次检测采用的是SIR-20型地质雷达（美国GSSI公司），数据存储为为外接笔记本。
5.2天线选择：天线中心频率的选择需要兼顾目标深度、目标最小尺度、分辨率要求及场地条件等因素，「2」选用1.5GHz屏蔽天线（美国GSSI公司）。
5.3测线布置：本次被测目标为筏板，测试应按网格状布置，为避免漏测，测线间距应小于被测缺陷水平尺度，依据预计缺陷大小，采用0.5m×0.5m网格。
5.4测试方式：本次检测采用剖面法，即发射天线和接收天线以固定间隔沿测线同步移动，移动过程中，得到由一个个记录组成的剖面图，横坐标为天线走程，纵坐标为由雷达脉冲“双程走时”换算来的目标深度。为更好地对目标体界面进行连续追踪，采用连续采样。
5.5资料解释：当混凝土密实时，反射波衰减速度基本一致，波振幅比较均一、同相轴比较连续。混凝土密实或没有空腔时，地质雷达不会有特别强的反射信号，雷达图像中表现为无多次波（图3a）；
图3a正常筏板混凝土 图3b 存在带状气泡筏板混凝土
当混凝土内部出现裂缝时，裂缝处由于空气的存在反射波衰减速度较慢，在图像上会显示同相轴错断的特征。同理，混凝土内部出现空腔或气泡时，图像上会显示出同相轴局部错断的形态，地质雷达会有明显的强反射信号（图3b、图3c）；
图3c 有空洞筏板混凝土图3e 不密实筏板混凝土
当混凝土不密实时，反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散（图3e）；
当混凝土内部有钢筋且钢筋走向和雷达天线移动方向垂直时，则在图像上会显示出大的圆弧特征（图3f）。若钢筋走向与天线移动方向平行，则会显示出波形粗黑的特征（图3g）。
图3f钢筋垂直天线方向 图3g钢筋平行天线方向
5.6检测结果：该工程多处筏板距表皮10～20mm范围内存在带状气泡，局部位置存在空洞及疏松，但未发现裂缝。钢筋间距及保护层厚度比较均匀，与设计值无较大偏差。
6比对试验：
采用微破损试验与地质雷达探测缺陷结果进行比对，依据雷达检测结果现场钻取芯样，经观测，空洞、不密实位置及几何形态与雷达检测结果基本相符，气泡位置及分布与雷达探测结果相同。采用钢筋测定仪对钢筋位置进行检测并配合现场剔凿验证，结果与地质雷达检测结果基本相符。这就充分验证了地质雷达检测大体积混凝土准确性。
7结语：
相对于钻芯法、电磁感应法，雷达法是一种新兴的无损检测技术。其具有对混凝土穿透力强、探测深度大等优势，并且可通过改变频率来实现探测深度和分辨率的调换。所发射雷达波具有极化特性，可以确定缺陷的形状、位置及走势，且成像迅速连续、结果易于保存，更擅于直观、快速和实时的完成大体积混凝土的检测。因此，雷达技术在工程中的应用对结构检测的发展与创新是有意义的。
参考文献
「1」曾昭发 刘西新《探地雷达方法原理及应用》北京：科学出版社
「2」林雍正《土木工程质量无损检测技术》 北京：中国电力出版社
关键词：地质雷达;无损检测;混凝土;缺陷
Abstract: the working principle of the analysis of geological radar, familiar with the principle of geological radar data processing and interpretation, by some engineering foundation raft concrete defect master the practical application of geological radar, and compares with conventional detection methods, thus a more in-depth understanding of geological radar in the application of mass concrete defect detection.
Key words: geological radar; Nondestructive testing; Concrete; defects
中图分类号：P412.25文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
1引言：
地质雷达(ground probing/penetrating radar，简称GPR)是一种新型地下探测与混凝土无损检测设备。其主要原理就是用天线发射高频电磁波，传感器接受目标介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场分布与波形随所穿透介质的电性质和几何形态而变化。因此根据接收到波的双程走时、波幅与波形资料的分析处理，可以推断结构内部的實际状态。雷达在工业与民用建筑无损检测中的应用主要包括混凝土结构构件尺寸、钢筋分布、空洞、裂缝、不密实度及其它隐蔽工程探测等方面，这些项目所要求探测深度一般在几米内，但要求分辨率较高。
2地质雷达的工作原理：
地质雷达利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置，其理论基础为高频电磁波理论：高频电磁波以宽频带短脉冲形式，通过发射天线被定向送入被测介质，经存在电性差异的目标体或界面反射后返回并由接收天线接收。反射电磁波经过一系列的处理和分析之后可以得到探测介质的有关信息。其检测原理如下图所示。
图1雷达探伤原理示意图
地质雷达在混凝土检测中基本参数如下：「1」
2.1电磁波旅行时间：
其中为检测目标体的埋深；为发射、接收天线间的距离（可忽略）；为电磁波在介质中的传播速度。
2.2电磁波在介质中的传播速度：
其中为电磁波在真空中传播速度（0.29979m/ns）;为介质的相对介电常数，为介质的相对磁导率（一般为1）。
2.3电磁波反射系数：
电磁波在介质传播过程中，当遇到介电常数存在明显差异的现象时，电测波产生的反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：
其中为第一层介质的相对介电常数；为第二层介质的相对介电常数。
由此可知,界面两侧介质电磁特性差异越大，反射波幅越强；波从介电常数大的介质进入介电常数小的介质时，反射系数为正，反射波振幅与入射波同向；反之，反射系数为负，反射波振幅为反向。从反射波振幅和相位上可以判定反射界面两侧介质的性质。
本次检测涉及的介质为空气、混凝土、钢筋，几种介质物性存在明显差异，其形成的反射是地质雷达检测的基本前提。
2.4地质雷达记录时间和勘察深度的关系：
其中为检测目标体的埋深；为雷达记录时间。
3资料处理：
地质雷达(GPR)数据处理是地质雷达应用过程中最重要的一个环节，由于混凝土各组成成分对电磁波不同程度的吸收和反射，以及本身的不均匀性等，使得雷达脉冲回到接收天线时波幅减小，波形也与原始发射波形有较大的变化。另外，不同程度的各种干扰和随机噪声，也歪曲了实测数据。因此，必须对原始数据进行处理工作，以改善数据资料，为最终地质解释提供清晰可辨的雷达探测图像。数据处理的一般流程如下：
图2 资料处理流程示意图
4资料解释原则：
对雷达剖面图像进行解释的基础是提取反射目标，只要被测介质中存在电性差异，就可以在雷达剖面中找到相应的反射波，根据相邻道上反射波的对比，把不同道上同一个反射波的同相相位“连接”起来形成“同相轴”。地质雷达资料解释依据主要是雷达波同相轴的连续性和波形的变化、相位的变化。
5混凝土缺陷检测：
因甲方对某工程筏板基础混凝土浇筑质量存在怀疑，特委托我公司检测该筏板基础混凝土是否存在空洞、气泡、不密实、钢筋位移等缺陷，并指出缺陷的具体位置以及大小，我公司采用地质雷达对该筏板进行无损探测。
现场检测前应了解探测目标体与其所在环境条件，例如目标体深度、尺度、要求分辨率、目标体电性与周围介质电性以及现场环境是否存在大体积金属构件或电磁波反射界面等，这些是确定雷达测试能否进行以及选择雷达配置与参数的重要因素。
5.1测量仪器：本次检测采用的是SIR-20型地质雷达（美国GSSI公司），数据存储为为外接笔记本。
5.2天线选择：天线中心频率的选择需要兼顾目标深度、目标最小尺度、分辨率要求及场地条件等因素，「2」选用1.5GHz屏蔽天线（美国GSSI公司）。
5.3测线布置：本次被测目标为筏板，测试应按网格状布置，为避免漏测，测线间距应小于被测缺陷水平尺度，依据预计缺陷大小，采用0.5m×0.5m网格。
5.4测试方式：本次检测采用剖面法，即发射天线和接收天线以固定间隔沿测线同步移动，移动过程中，得到由一个个记录组成的剖面图，横坐标为天线走程，纵坐标为由雷达脉冲“双程走时”换算来的目标深度。为更好地对目标体界面进行连续追踪，采用连续采样。
5.5资料解释：当混凝土密实时，反射波衰减速度基本一致，波振幅比较均一、同相轴比较连续。混凝土密实或没有空腔时，地质雷达不会有特别强的反射信号，雷达图像中表现为无多次波（图3a）；
图3a正常筏板混凝土 图3b 存在带状气泡筏板混凝土
当混凝土内部出现裂缝时，裂缝处由于空气的存在反射波衰减速度较慢，在图像上会显示同相轴错断的特征。同理，混凝土内部出现空腔或气泡时，图像上会显示出同相轴局部错断的形态，地质雷达会有明显的强反射信号（图3b、图3c）；
图3c 有空洞筏板混凝土图3e 不密实筏板混凝土
当混凝土不密实时，反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散（图3e）；
当混凝土内部有钢筋且钢筋走向和雷达天线移动方向垂直时，则在图像上会显示出大的圆弧特征（图3f）。若钢筋走向与天线移动方向平行，则会显示出波形粗黑的特征（图3g）。
图3f钢筋垂直天线方向 图3g钢筋平行天线方向
5.6检测结果：该工程多处筏板距表皮10～20mm范围内存在带状气泡，局部位置存在空洞及疏松，但未发现裂缝。钢筋间距及保护层厚度比较均匀，与设计值无较大偏差。
6比对试验：
采用微破损试验与地质雷达探测缺陷结果进行比对，依据雷达检测结果现场钻取芯样，经观测，空洞、不密实位置及几何形态与雷达检测结果基本相符，气泡位置及分布与雷达探测结果相同。采用钢筋测定仪对钢筋位置进行检测并配合现场剔凿验证，结果与地质雷达检测结果基本相符。这就充分验证了地质雷达检测大体积混凝土准确性。
7结语：
相对于钻芯法、电磁感应法，雷达法是一种新兴的无损检测技术。其具有对混凝土穿透力强、探测深度大等优势，并且可通过改变频率来实现探测深度和分辨率的调换。所发射雷达波具有极化特性，可以确定缺陷的形状、位置及走势，且成像迅速连续、结果易于保存，更擅于直观、快速和实时的完成大体积混凝土的检测。因此，雷达技术在工程中的应用对结构检测的发展与创新是有意义的。
参考文献
「1」曾昭发 刘西新《探地雷达方法原理及应用》北京：科学出版社
「2」林雍正《土木工程质量无损检测技术》 北京：中国电力出版社