[科普中国]-探地雷达

简介

探地雷达(Ground Penetrating Radar．GPR)是利用天线发射和接收高频电磁波来探测介质内部物质特性和分布规律的一种地球物理方法。探地雷达早期有多种叫法．如地面探测雷达(Ground—probing Radar)、地下雷达(Sub—surface Radar)、地质雷达(Geo Radar)、脉冲雷达(Impulse Radar)、表面穿透雷达(Surface Penetrating Radar)等，都是指面向地质勘探目标、利用高频脉冲电磁探测地质目标内部结构的一种电磁波方法。2

由于探地雷达探测的高精度、高效率以及无损的特点，目前主要被用于考古、矿产勘查、灾害地质调查、岩土工程勘察、工程质量检测、建筑结构检测以及军事目标探测等众多领域。

探地雷达的工作频率范围介于1M～1GHz之间，在地下介质中的传播以位移电流为主。虽然探地雷达和地震方法的物理机制和测量的物理量不一样(电磁波和弹性波)，但两者的运动学特征一致，遵循形式相似的波动方程，只是其中参数的物理意义不同。这种运动学特征的相似性使得探地雷达方法从数据采集、数据处理(包括处理软件)到数据解释都可借鉴地震勘探的方法技术成果。近年来随着电磁波理论研究的深入，一些电磁特性如极化特性等得到更深入的研究．并在雷达设备、采集技术和数据处理方法等方面得到开发和应用。

原理探地雷达多采用天线向探测目标发射高频脉冲电磁波来进行探测。通常探测目标深度满足于远场条件，可近似看做是以平面波形式传播。平面波的极化是指空间给定点上场矢量方向随时间的变化特征。通常可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种类型。波的极化是电磁波的一个重要特性，不同极化方式的波有着不同的工程应用。当地下介质存在各向异性时，以线极化方式入射的平面波．其反射回波可能转变成椭圆极化方式。因此，通过研究雷达波极化方式的变化可以获得与地下介质物性相关的信息。

数据处理方法探地雷达数据的处理方法类似于地震数据的处理方法。比较普遍和传统的方法一般是去除零漂、增益处理、带通滤波、道均衡等。再深人可以采用二维滤波、偏移归位、反褶积等方法进行处理。随着小波技术和神经网络等方法的发展．这此方法也在探地雷达数据处理中得到了令人满意的应用。

探地雷达系统探地雷达主要由主机(主控单元)、发射机、发射天线、接收机、接收天线五部分组成。其他还可能包括定位装置(如GPS、里程计或打标器(MARK))、电源以及手推车等。发射和接收天线成对出现，用于向地下发射和接收来自地下反射的雷达波。主机是一个采集系统，用于向发射机发送发射和接收控制命令(包括起止时问、发射频率、重复次数等参数)。发射机根据主机命令向地下发射雷达波．而接收机根据控制命令开始数据采集。经过采样和A/D转换，接收的反射信号转换成数字信号被显示和保存。3

随着勘探需求的扩大以及探地雷达技术的日益成熟．出现了越来越多的探地雷达系统。国际上影响较大的商用雷达系统有美国GSSI(地球物理测量系统公司)的SIR系列、加拿大SSI(Sensor and Software公司)的pulseEKKO系列和瑞典Mala公司的RAMAC系列。其他公司的产品如GDE、Penetradar、Rockradar、ERA Technology、NTT、JRC、EMRAD，以及国内LT—1、CBS—9000系列探地雷达系统也各有特色。从发展趋势来看，探地雷达仪器系统将具有以下特点：

①功能专业化，为满足某种单一探测对象或特殊探测目标而设汁，解决某一方面具体问题。如专用公路路面检测雷达、水泥混凝土无损检测雷达；

②小型化，通过同化高速信号处理芯片(DSP)以及液晶显示面板使得仪器体积和重量大大降低，便于携带和野外施工。如GSSI公司SIR—3000系列、SSI公司的Noggin系列，主控采集单元已非常轻便，可单人走动测量；

③多功能、多通道，多道或多阵列天线的开发和应用，实现三维数据采集、提供更丰富的地下信息。

测量方式高频电磁波运动学特征与弹性波类似．因而地震勘探的数据采集方式也被借鉴用于探地雷达的野外采集工作中．包括反射、折射和透射波法。折射波法目前用得较少，这里只介绍常用反射和透射波法几种测量方式。某些雷达系统的高频雷达天线，发射和接收天线固定间距封装在一个盒子中，无法实施变偏移距的共中心点法(CMP)或透射法测量，只能采用剖面法测量。而另一些类型的系统，特别是低频雷达天线(50、100、200MHz)，多采用分立板状天线，可灵活采用变偏移距或透射测量。

剖面法剖面法是最常用的探地雷达观测方式，类似于地震勘探中共偏移采集方式，即发射天线和接收天线以同定天线间距、按一定测量步距(测点距)沿测量剖面顺序移动并采集数据，从而得到整个剖面上的雷达记录。这是目前大多数雷达系统常用的观测方式，只需要发射和接收两个通道，系统设计相对简单。剖面法的优点是剖面成果不需要或只需进行简单的处理就可用于解释，能直观得到测量成果，非常适合于急需快速提供测量结果的场合。

宽角法宽角法有两种工作方式：一种方式是一个天线在某点固定不动(不论发射或接收天线)；另一天线按等间隔沿测线移动并采集数据，得到的记录相当于地震勘探中共炮点记录(CSP)。另一种方式是以地面某点为中心点，发射天线和接收天线对称分置于中心点两侧，按一定间隔沿测线向两侧顺序移动并采集数据．得到的记录类似于地震勘探中共中心点记录(CMP)，当地下界面水平时类似于共深度点记录(CDP)。

采用宽角法测量的目的：一是求取地下介质的雷达波速度，为时深转换和数据解释提供资料。二是实现水平多次叠加，提高信噪比。采用这种测量方式沿剖面进行多点测量，与地震勘探类似，可以通过动、静校正和水平叠加处理获得高信噪比雷达资料，同时可以增加勘探深度。

透射波法透射波法主要测量穿透过测量对象的直达波到达时间进而计算出雷达波速度，通过穿透过测量对象的雷达波速度差异判断测量对象的质量。因此透射波法要求发射和接收天线分立于测量对象的两侧。由于只解释和计算最早到达的直达波，波形识别和计算相对简单。透射波法主要用于工程中墙体、柱体、桥墩、桩的质量检测以及井中雷达测量。井中雷达测量需要预先布置两个井孔，类似于地震跨孔测量。透射波法也可采用层析成像的观测方式工作，从而获得更精细的孔间介质速度成像。

三维测量方式随着勘探目标要求的提高，二维剖面测量所能给出剖面上异常目标的埋深、范围等信息已不能满足业界对探测目标延伸走向、空间变化等详细信息的要求。考古目标的规模相对较小，二维剖面法很难使测线正好跨过探测对象，剖面异常的解释也是问题。因此开展三维雷达勘探是考古地球物理应用的趋势和方向，一些商用雷达系统从硬件设备到处理软件都能够支持三维雷达勘探。

目前探地雷达三维勘探是一种伪三维勘探设计，即采用多条二维剖面组合形成面积性三维数据体，再通过软件处理和显示。对于目前只有一个发射天线和一个接收天线的雷达系统．这种伪三维设计也是一种不错的替代。随着电子技术发展，多通道仪器设备出现将会带来三维雷达勘探技术的革命。

从效率上讲，剖面法点测的低效率也制约着三维雷达的应用，一些公司如SSI公司采用SMARTCART(小推车)配备里程计或GPS定位系统，这样可实现快速移动采集．大大提高三维数据采集效率。