*探地雷達

*探地雷達

、*探地雷達簡(jiǎn)介：探地雷達(Ground Penetrating Radar．GPR)是利用天線(xiàn)發(fā)射和接收高頻電磁波來(lái)探測介質(zhì)內部物質(zhì)特性和分布規律的種地球物理方法。探地雷達早期有多種叫法．如地面探測雷達(Ground—probing Radar)、地下雷達(Sub—surface Radar)、地質(zhì)雷達(Geo Radar)、脈沖雷達(Impulse Radar)、表面穿透雷達(Surface Penetrating Radar)等，都是指面向地質(zhì)勘探目標、利用高頻脈沖電磁探測地質(zhì)目標內部結構的種電磁波方法。 

由于探地雷達探測的高精度、高效率以及無(wú)損的特點(diǎn)，目前主要被用于考古、礦產(chǎn)勘查、災害地質(zhì)調查、巖土工程勘察、工程質(zhì)量檢測、建筑結構檢測以及軍事目標探測等眾多域。

探地雷達的工作頻率范圍介于1M～1GHz之間，在地下介質(zhì)中的傳播以位移電流為主。雖然探地雷達和地震方法的物理機制和測量的物理量不樣(電磁波和彈性波)，但兩者的運動(dòng)學(xué)特征*，遵循形式相似的波動(dòng)方程，只是其中參數的物理意義不同。這種運動(dòng)學(xué)特征的相似性使得探地雷達方法從數據采集、數據處理(包括處理軟件)到數據解釋都可借鑒地震勘探的方法技術(shù)成果。近年來(lái)隨著(zhù)電磁波理論研究的深入，些電磁特性如極化特性等得到更深入的研究．并在雷達設備、采集技術(shù)和數據處理方法等方面得到開(kāi)發(fā)和應用。

二、*探地雷達原理

探地雷達多采用天線(xiàn)向探測目標發(fā)射高頻脈沖電磁波來(lái)進(jìn)行探測。通常探測目標深度滿(mǎn)足于遠場(chǎng)條件，可近似看做是以平面波形式傳播。平面波的極化是指空間給定點(diǎn)上場(chǎng)矢量方向隨時(shí)間的變化特征。通?？煞譃榫€(xiàn)極化、圓極化和橢圓極化三種類(lèi)型。波的極化是電磁波的個(gè)重要特性，不同極化方式的波有著(zhù)不同的工程應用。當地下介質(zhì)存在各向異性時(shí)，以線(xiàn)極化方式入射的平面波．其反射回波可能轉變成橢圓極化方式。因此，通過(guò)研究雷達波極化方式的變化可以獲得與地下介質(zhì)物性相關(guān)的信息。

三、*探地雷達數據處理方法

探地雷達數據的處理方法類(lèi)似于地震數據的處理方法。比較普遍和傳統的方法般是去除零漂、增益處理、帶通濾波、道均衡等。再深人可以采用二維濾波、偏移歸位、反褶積等方法進(jìn)行處理。隨著(zhù)小波技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等方法的發(fā)展．這此方法也在探地雷達數據處理中得到了令人滿(mǎn)意的應用。

四、*探地雷達系統

探地雷達主要由主機(主控單元)、發(fā)射機、發(fā)射天線(xiàn)、接收機、接收天線(xiàn)五部分組成。其他還可能包括定位裝置(如GPS、里程計或打標器(MARK))、電源以及手推車(chē)等。發(fā)射和接收天線(xiàn)成對出現，用于向地下發(fā)射和接收來(lái)自地下反射的雷達波。主機是個(gè)采集系統，用于向發(fā)射機發(fā)送發(fā)射和接收控制命令(包括起止時(shí)問(wèn)、發(fā)射頻率、重復次數等參數)。發(fā)射機根據主機命令向地下發(fā)射雷達波．而接收機根據控制命令開(kāi)始數據采集。經(jīng)過(guò)采樣和A/D轉換，接收的反射信號轉換成數字信號被顯示和保存。 

隨著(zhù)勘探需求的擴大以及探地雷達技術(shù)的日益成熟．出現了越來(lái)越多的探地雷達系統。國際上影響較大的商用雷達系統有美國GSSI(地球物理測量系統公司)的SIR系列、加拿大SSI(Sensor and Software公司)的與雷迪系列。其他公司的產(chǎn)品如GDE、Penetradar、Rockradar、ERA Technology、NTT、JRC、EMRAD，以及國內LT—1、CBS—9000系列探地雷達系統也各有特色。從發(fā)展趨勢來(lái)看，探地雷達儀器系統將具有以下特點(diǎn)：

①功能專(zhuān)業(yè)化，為滿(mǎn)足某種單探測對象或特殊探測目標而設汁，解決某方面具體問(wèn)題。如公路路面檢測雷達、水泥混凝土無(wú)損檢測雷達；

②小型化，通過(guò)同化高速信號處理芯片(DSP)以及液晶顯示面板使得儀器體積和重量大大降低，便于攜帶和野外施工。如GSSI公司SIR—3000系列、SSI公司的Noggin系列，主控采集單元已非常輕便，可單人走動(dòng)測量；

③多功能、多通道，多道或多陣列天線(xiàn)的開(kāi)發(fā)和應用，實(shí)現三維數據采集、提供更豐富的地下信息。

五、*探地雷達測量方式

高頻電磁波運動(dòng)學(xué)特征與彈性波類(lèi)似．因而地震勘探的數據采集方式也被借鑒用于探地雷達的野外采集工作中．包括反射、折射和透射波法。折射波法目前用得較少，這里只介紹常用反射和透射波法幾種測量方式。某些雷達系統的高頻雷達天線(xiàn)，發(fā)射和接收天線(xiàn)固定間距封裝在個(gè)盒子中，無(wú)法實(shí)施變偏移距的共中心點(diǎn)法(CMP)或透射法測量，只能采用剖面法測量。而另些類(lèi)型的系統，特別是低頻雷達天線(xiàn)(50、100、200MHz)，多采用分立板狀天線(xiàn)，可靈活采用變偏移距或透射測量。

六、*探地雷達剖面法

剖面法是較常用的探地雷達觀(guān)測方式，類(lèi)似于地震勘探中共偏移采集方式，即發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)以同定天線(xiàn)間距、按定測量步距(測點(diǎn)距)沿測量剖面順序移動(dòng)并采集數據，從而得到整個(gè)剖面上的雷達記錄。這是目前大多數雷達系統常用的觀(guān)測方式，只需要發(fā)射和接收兩個(gè)通道，系統設計相對簡(jiǎn)單。剖面法的優(yōu)點(diǎn)是剖面成果不需要或只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理就可用于解釋?zhuān)苤庇^(guān)得到測量成果，非常適合于急需快速提供測量結果的場(chǎng)合。

寬角法

寬角法有兩種工作方式：種方式是個(gè)天線(xiàn)在某點(diǎn)固定不動(dòng)(不論發(fā)射或接收天線(xiàn))；另天線(xiàn)按等間隔沿測線(xiàn)移動(dòng)并采集數據，得到的記錄相當于地震勘探中共炮點(diǎn)記錄(CSP)。另種方式是以地面某點(diǎn)為中心點(diǎn)，發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)對稱(chēng)分置于中心點(diǎn)兩側，按定間隔沿測線(xiàn)向兩側順序移動(dòng)并采集數據．得到的記錄類(lèi)似于地震勘探中共中心點(diǎn)記錄(CMP)，當地下界面水平時(shí)類(lèi)似于共深度點(diǎn)記錄(CDP)。

采用寬角法測量的目的：是求取地下介質(zhì)的雷達波速度，為時(shí)深轉換和數據解釋提供資料。二是實(shí)現水平多次疊加，提高信噪比。采用這種測量方式沿剖面進(jìn)行多點(diǎn)測量，與地震勘探類(lèi)似，可以通過(guò)動(dòng)、靜校正和水平疊加處理獲得高信噪比雷達資料，同時(shí)可以增加勘探深度。

透射波法

透射波法主要測量穿透過(guò)測量對象的直達波到達時(shí)間進(jìn)而計算出雷達波速度，通過(guò)穿透過(guò)測量對象的雷達波速度差異判斷測量對象的質(zhì)量。因此透射波法要求發(fā)射和接收天線(xiàn)分立于測量對象的兩側。由于只解釋和計算早到達的直達波，波形識別和計算相對簡(jiǎn)單。透射波法主要用于工程中墻體、柱體、橋墩、樁的質(zhì)量檢測以及井中雷達測量。井中雷達測量需要預先布置兩個(gè)井孔，類(lèi)似于地震跨孔測量。透射波法也可采用層析成像的觀(guān)測方式工作，從而獲得更精細的孔間介質(zhì)速度成像。

三維測量方式

隨著(zhù)勘探目標要求的提高，二維剖面測量所能給出剖面上異常目標的埋深、范圍等信息已不能滿(mǎn)足業(yè)界對探測目標延伸走向、空間變化等詳細信息的要求?？脊拍繕说囊幠Ｏ鄬^小，二維剖面法很難使測線(xiàn)正好跨過(guò)探測對象，剖面異常的解釋也是問(wèn)題。因此開(kāi)展三維雷達勘探是考古地球物理應用的趨勢和方向，些商用雷達系統從硬件設備到處理軟件都能夠支持三維雷達勘探。

目前探地雷達三維勘探是種偽三維勘探設計，即采用多條二維剖面組合形成面積性三維數據體，再通過(guò)軟件處理和顯示。對于目前只有個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和個(gè)接收天線(xiàn)的雷達系統．這種偽三維設計也是種不錯的替代。隨著(zhù)電子技術(shù)發(fā)展，多通道儀器設備出現將會(huì )帶來(lái)三維雷達勘探技術(shù)的革命。

從效率上講，剖面法點(diǎn)測的低效率也制約著(zhù)三維雷達的應用，些公司如SSI公司采用SMARTCART(小推車(chē))配備里程計或GPS定位系統，這樣可實(shí)現快速移動(dòng)采集．大大提高三維數據采集效率。

七、*探地雷達技術(shù)參數：