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地质雷达在水利工程质量检测中的应用1 前言 地质雷达作为近十余年来发展起来的地球物理高新技术方法，以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图象显示等优点，备受广大工程技术人员的青睐。
现已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、水文地质调查、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考古探测等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，并在工程实践中不断完善和提高，必将在工程探测领域发挥着愈来愈重要的作用。而地质雷达技术用于堤防隐患的探测尚属初步阶段，通过广大物探技术人员的共同努力，达到了解和掌握不同隐患类型在雷达图像上的反映特征，在不断总结探测经验的基础上，提高异常的判断能力和精度，较确切地推定堤防工程隐患的性质和位置，以便指导有关管理单位加强堤防工程重点部位的维护和防范，提高和巩固堤防工程的运行周期和防洪能力。
本文以永定河堤防工程护砌质量检测为实例，说明地质雷达技术在堤防工程探测中的应用情况，以此与同行进行切磋，推动堤防工程探测技术的发展，不妥之处，敬请批评指正。2 基本原理 地质雷达与探空雷达相似，利用高频电磁波（主频为数十数百乃至数千兆赫）以宽频带短脉冲的形式，由地面通过发射天线（T）向地下发射，当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天线（R）接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。
由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。
雷达波（电磁波）在界面上的反射和透射遵循Snell定律。实际观测时，由于发射天线与接收天线的距离很近，所以其电磁场方向通常垂直于入射平面，并近似看作法向入射，反射脉冲信号的强度，与界面的反射系数和穿透介质的衰减系数有关，主要取决于周围介质与反射目的体的电导率和介电常数，对于以位移电流为主的介质，既大多数岩石介质属非磁性、非导电介质，常常满足σ/ωε<<1，于是衰减系数（β）的近似值为：既衰减系数与电导率（σ）及磁导率（μ）的平方根成正比，与介电常数（ε）的平方根成反比。
而界面的反射系数为：式中Z为波阻抗，其表达式为：显然，电磁波在地层中的波阻抗值取决于地层特性参数和电磁波的频率。由此可见，电磁波的频率（ω=2πf）越高，波阻抗越大。
对于雷达波常用频率范围（25~1000MHz），一般认为σ<<ωε，因而反射系数r可简写成：上式表明反射系数r主要取决于上下层介电常数差异。应用雷达记录的双程反射时间可以求得目的层的深度H：式中：t为目的层雷达波的反射时间；c为雷达波在真空中的传播速度（0.3m/ns）；εr为目的层以上介质相对介电常数均值。
3 工程概况 北京市界内永定河左、右堤防于清朝乾隆年间修筑，后经数次维修和加固形成现有规模，主体为梯形，顶宽约10m，可见堤高约5~6m，堤内坡坡度为1:1.5~1:2.0，外坡相对较缓为1: 2.0~1: 2.5。堤身为人工堆积，主要由粉细砂（中下游段）、卵砾石（上游段）组成。
介质构成复杂多变，分布不均，且处于包气带中，极为干燥。堤基为第四系全新统地层，岩性以粉细砂为主，下游段出现黑色淤泥质粘土夹层，层厚约0.7~2.0m。
地下水位埋深（自地表计）：卢沟桥附近约20.0m，至下游逐渐变浅，达省/市界附近（石佛寺）一带约2.0m。永定河卢沟桥下游至省/市界左、右堤防共划定险工段12处23段，分布在左堤约60Km和右堤约30Km范围内，其险工段内坡为浆砌石（厚约40cm——原设计标准）结合铅丝石笼构成的护砌，并于1964~1989年间营建，浆砌石护坡除可见堤身部分露出外，其余部分与铅丝石笼水平护底均埋于河滩滩地以下，一般为3.0~5.0m，外铺8.0m的铅丝石笼护底。
这些险工段在历史上均有决口或抢险加固的记载。为满足北京市对永定河防洪设计的需要，保证该堤防渡汛万无一失，故进行地球物理勘探工作，以检测堤防工程的护砌质量，便于99年6月份之前进行加固处理。
4 测试技术及资料处理 为判断险工段堤内坡护险浆砌石质量的优劣，沿内坡坡脚布置一条雷达探测剖面，并按其走向连续测试。外业施测使用瑞典MALA地质仪器有限公司生产的RAMAC/GPR地质雷达系统，天线的中心频率为250MHz，收发天线的间距为0.6m。
实测采用剖面法，且收发天线方向与测线方向平行。记录点距为0.2m，采样频率为3893MHz，单一记录迹线的采样点数为512，迭加次数为16，记录时窗为180ns，若取堤身土体的雷达波速为0.08~0.10m/ns，表层浆砌石的雷达波速为0.10~0.12m/ns，综合考虑该地层剖面特征，选取雷达波速中值为0.10m/ns，则此时该雷达系统的最小纵向分辨率为8~10cm。
雷达资料的数据处理与地震反射法勘探数据处理基本相同，主要有：①滤波及时频变换处理；②自动时变增益或控制增益处理；③多次重复测量平均处理；④速度分析及雷达合成处理。
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1 引言近年来， 随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高， 我国的汽车数量正逐年增加。
同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时， 驾驶员既要前瞻， 又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。
据相关调查统计， 15%的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。 因此， 增加汽车的后视能力， 研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。
安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。 为此， 设计了以单片机为核心， 利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。
2 整体设计及原理超声波一般指频率在 20 kHz 以上的机械波， 具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点[1]。工作时， 超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲， 给测量逻辑电路提供一个短脉冲。
最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理， 自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制作方便， 但其传输速度受天气影响较大， 不能精确测距； 另外， 超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此， 距离越远， 灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。
目前， 国内外一般的超声波测距仪， 其理想的测量距离为 4~ 5 m， 因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。该倒车雷达系统采用单片机控制， 如图 1 所示。
利用超声波实现无接触测距， 并考虑测量环境温度对超声波波速的影响， 而且通过温度补偿法对速度进行校正。使用由集成数字传感器 DS18B20 构成的温度测量电路， 可直接读取温度值， 再根据温度补偿得出超声波在某一温度下的波速， 由单片机计数脉冲个数获得传播时间， 根据超声波测距原理测得并显示距离， 再根据显示的距离控制蜂鸣器的发声频率。
图 1 整体设计框图基于超声波测距的倒车雷达系统设计王红云（军械工程学院， 河北 石家庄 050003）摘要： 介绍了以单片机为核心的倒车雷达系统， 它利用超声波实现无接触测距。 系统主要包括超声波发射接触以及温度测量电路， 突出点是利用数字传感器 DS18B20 对温度进行测量， 并利用声速与温度之间的校正公式对声速进行校正， 提高了渡越时间的测量精度， 进而提高了测量距离的准确度。
适合测量的距离在 5 m以下， 可以满足倒车安全的要求。关 键 词： 汽车； 超声波； 倒车雷达； 温度补偿； 单片机中图分类号： TP368 文献标识码： A 文章编号： 1006- 6977(2008)08- 0070- 03Design of automobile- r ever sing r ader system based on ultr asounddistance- measur ementWANG Hong- yun(Ordnance Engineering college, Shijiazhuang 050003, China)Abstr act:In this paper,the automobile- reversing rader system which uses the single chip as core is introduced.The systemuses the ultrasound to realized distance measurement without contract.The system mainly includes the blast - off receivingand temperature measurement electric circuit.The temperature measurement circuit which uses a digital sensor DS18B20 isgiven.The accurate degree of distance is compeleted.This system is suited to mesure distance which below 5 meterses canmeet the safety requestment of reversing a car.Key words: automobile; ultrasound; automobile- reversing rader; temperature compensate; MCU收稿日期： 2008- 05- 16 稿件编号： 200805048作者简介： 王红云（1980- ）， 女， 河北衡水人， 教师。
研究方向： 测量控制。自动控制与仪器仪表 基于超声波测距的倒车雷达系统设计- 69-《 国外电子元器件》 2008 年第 8 期2.1 超声波测距原理目前， 利用超声波测距的方法[2]有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。
相位检测的精度高， 但检测范围有限； 声波幅值检测易受反射波的影响； 渡越时间检测工作方式简单、直观， 在硬件控制和软件设计容易实现， 其原理是检测从发射传感器发射超声波到经气体介质传播后接收传感器接收超声波的时间差， 即渡越时间 t。距离 s=ct/2( c 为声速) ，t 可由单片机计脉冲个数的方法实现。
2.2 温度与声速的关系由于超声波也是一种声波， 其声速 v与温度 T有关。表1 列出了几种不同温度下的声速[2- 3]。
使用时， 若温度变化不大， 则可视声速基本不变； 若测距精度要求很高， 则应通过温度补偿法予以校正。一般情况下， 利用 v=331+0.60T进行温度补偿， 以适应不同温度下的工作要求。
表 2 给出补偿后声速与温度的关系。可以看出， 0℃以下时声速值完全吻合；0℃以上最大误差不超过 5%。
由上述分析可知， 温度测量的精度不仅直接影响了速度的测量精度， 而且也间接影响距离的测量精度， 所以温度的测量很关键。3 硬件电路设计倒车雷达系统主要由超声波发射电路、超声波接收电路、温度测量电路及显示报警电路构成。
3.1 超声波发射电路在单片机控制下， 使脉冲发生器输出超声波。脉冲发生器由 555 构成， 其连接如图2 所示。
7 引脚和 6、2 引脚的上下为 R 和 C； 中间 R 与RP 并联， RA=R1+RA' , RA=R2+RB'。
3.基于GM3101倒车雷达系统设计
GM3101 是专用于倒车雷达的超声波测距芯片，该芯片提供4 路超声波探头的驱动，并根据超声波特性和倒车雷达的使用环境进行了一系列智能化处理，在保证超声波测距精确性的基础上，更加强了报警功能的准确性和实用性。
测试结果编码后采用双线差分方式输出，提高了信号传输的抗干扰性。GM3101 可为倒车雷达系统提供最简单的单芯片控制方案，替代现有的单片机控制方案。
该芯片的优势在于尽可能地为倒车雷达系统提高集成度，减少外围元件。同时该芯片的功能满足高端和通用性的要求，用户利用该组芯片既可以生产高性能的整机产品，还可以灵活设置其产品的报警方式。
全硬件方式实现系统功能，既降低了用户的开发难度，更对系统性能有了显著的提高。