*探地雷達(dá)

、*探地雷達(dá)簡(jiǎn)介：探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar．GPR)是利用天線發(fā)射和接收高頻電磁波來探測(cè)介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)特性和分布規(guī)律的種地球物理方法。探地雷達(dá)早期有多種叫法．如地面探測(cè)雷達(dá)(Ground—probing Radar)、地下雷達(dá)(Sub—surface Radar)、地質(zhì)雷達(dá)(Geo Radar)、脈沖雷達(dá)(Impulse Radar)、表面穿透雷達(dá)(Surface Penetrating Radar)等，都是指面向地質(zhì)勘探目標(biāo)、利用高頻脈沖電磁探測(cè)地質(zhì)目標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的種電磁波方法。 

由于探地雷達(dá)探測(cè)的高精度、高效率以及無損的特點(diǎn)，目前主要被用于考古、礦產(chǎn)勘查、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、巖土工程勘察、工程質(zhì)量檢測(cè)、建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)以及軍事目標(biāo)探測(cè)等眾多域。

探地雷達(dá)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(dá)和地震方法的物理機(jī)制和測(cè)量的物理量不樣(電磁波和彈性波)，但兩者的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征*，遵循形式相似的波動(dòng)方程，只是其中參數(shù)的物理意義不同。這種運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的相似性使得探地雷達(dá)方法從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理(包括處理軟件)到數(shù)據(jù)解釋都可借鑒地震勘探的方法技術(shù)成果。近年來隨著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(dá)設(shè)備、采集技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法等方面得到開發(fā)和應(yīng)用。

二、*探地雷達(dá)原理

探地雷達(dá)多采用天線向探測(cè)目標(biāo)發(fā)射高頻脈沖電磁波來進(jìn)行探測(cè)。通常探測(cè)目標(biāo)深度滿足于遠(yuǎn)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。通常可分為線極化、圓極化和橢圓極化三種類型。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不同的工程應(yīng)用。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)存在各向異性時(shí)，以線極化方式入射的平面波．其反射回波可能轉(zhuǎn)變成橢圓極化方式。因此，通過研究雷達(dá)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(dá)數(shù)據(jù)處理方法

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理方法類似于地震數(shù)據(jù)的處理方法。比較普遍和傳統(tǒng)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(dá)數(shù)據(jù)處理中得到了令人滿意的應(yīng)用。

四、*探地雷達(dá)系統(tǒng)

探地雷達(dá)主要由主機(jī)(主控單元)、發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、接收機(jī)、接收天線五部分組成。其他還可能包括定位裝置(如GPS、里程計(jì)或打標(biāo)器(MARK))、電源以及手推車等。發(fā)射和接收天線成對(duì)出現(xiàn)，用于向地下發(fā)射和接收來自地下反射的雷達(dá)波。主機(jī)是個(gè)采集系統(tǒng)，用于向發(fā)射機(jī)發(fā)送發(fā)射和接收控制命令(包括起止時(shí)問、發(fā)射頻率、重復(fù)次數(shù)等參數(shù))。發(fā)射機(jī)根據(jù)主機(jī)命令向地下發(fā)射雷達(dá)波．而接收機(jī)根據(jù)控制命令開始數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過采樣和A/D轉(zhuǎn)換，接收的反射信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)被顯示和保存。 

隨著勘探需求的擴(kuò)大以及探地雷達(dá)技術(shù)的日益成熟．出現(xiàn)了越來越多的探地雷達(dá)系統(tǒng)。國(guó)際上影響較大的商用雷達(dá)系統(tǒng)有美國(guó)GSSI(地球物理測(cè)量系統(tǒng)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(guó)內(nèi)LT—1、CBS—9000系列探地雷達(dá)系統(tǒng)也各有特色。從發(fā)展趨勢(shì)來看，探地雷達(dá)儀器系統(tǒng)將具有以下特點(diǎn)：

①功能專業(yè)化，為滿足某種單探測(cè)對(duì)象或特殊探測(cè)目標(biāo)而設(shè)汁，解決某方面具體問題。如公路路面檢測(cè)雷達(dá)、水泥混凝土無損檢測(cè)雷達(dá)；

②小型化，通過同化高速信號(hào)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(cè)量；

③多功能、多通道，多道或多陣列天線的開發(fā)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)采集、提供更豐富的地下信息。

五、*探地雷達(dá)測(cè)量方式

高頻電磁波運(yùn)動(dòng)學(xué)特征與彈性波類似．因而地震勘探的數(shù)據(jù)采集方式也被借鑒用于探地雷達(dá)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(cè)量方式。某些雷達(dá)系統(tǒng)的高頻雷達(dá)天線，發(fā)射和接收天線固定間距封裝在個(gè)盒子中，無法實(shí)施變偏移距的共中心點(diǎn)法(CMP)或透射法測(cè)量，只能采用剖面法測(cè)量。而另些類型的系統(tǒng)，特別是低頻雷達(dá)天線(50、100、200MHz)，多采用分立板狀天線，可靈活采用變偏移距或透射測(cè)量。

六、*探地雷達(dá)剖面法

剖面法是較常用的探地雷達(dá)觀測(cè)方式，類似于地震勘探中共偏移采集方式，即發(fā)射天線和接收天線以同定天線間距、按定測(cè)量步距(測(cè)點(diǎn)距)沿測(cè)量剖面順序移動(dòng)并采集數(shù)據(jù)，從而得到整個(gè)剖面上的雷達(dá)記錄。這是目前大多數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)常用的觀測(cè)方式，只需要發(fā)射和接收兩個(gè)通道，系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)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，能直觀得到測(cè)量成果，非常適合于急需快速提供測(cè)量結(jié)果的場(chǎng)合。

寬角法

寬角法有兩種工作方式：種方式是個(gè)天線在某點(diǎn)固定不動(dòng)(不論發(fā)射或接收天線)；另天線按等間隔沿測(cè)線移動(dòng)并采集數(shù)據(jù)，得到的記錄相當(dāng)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)射天線和接收天線對(duì)稱分置于中心點(diǎn)兩側(cè)，按定間隔沿測(cè)線向兩側(cè)順序移動(dòng)并采集數(shù)據(jù)．得到的記錄類似于地震勘探中共中心點(diǎn)記錄(CMP)，當(dāng)?shù)叵陆缑嫠綍r(shí)類似于共深度點(diǎn)記錄(CDP)。

采用寬角法測(cè)量的目的：是求取地下介質(zhì)的雷達(dá)波速度，為時(shí)深轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)解釋提供資料。二是實(shí)現(xiàn)水平多次疊加，提高信噪比。采用這種測(cè)量方式沿剖面進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，與地震勘探類似，可以通過動(dòng)、靜校正和水平疊加處理獲得高信噪比雷達(dá)資料，同時(shí)可以增加勘探深度。

透射波法

透射波法主要測(cè)量穿透過測(cè)量對(duì)象的直達(dá)波到達(dá)時(shí)間進(jìn)而計(jì)算出雷達(dá)波速度，通過穿透過測(cè)量對(duì)象的雷達(dá)波速度差異判斷測(cè)量對(duì)象的質(zhì)量。因此透射波法要求發(fā)射和接收天線分立于測(cè)量對(duì)象的兩側(cè)。由于只解釋和計(jì)算早到達(dá)的直達(dá)波，波形識(shí)別和計(jì)算相對(duì)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(cè)以及井中雷達(dá)測(cè)量。井中雷達(dá)測(cè)量需要預(yù)先布置兩個(gè)井孔，類似于地震跨孔測(cè)量。透射波法也可采用層析成像的觀測(cè)方式工作，從而獲得更精細(xì)的孔間介質(zhì)速度成像。

三維測(cè)量方式

隨著勘探目標(biāo)要求的提高，二維剖面測(cè)量所能給出剖面上異常目標(biāo)的埋深、范圍等信息已不能滿足業(yè)界對(duì)探測(cè)目標(biāo)延伸走向、空間變化等詳細(xì)信息的要求。考古目標(biāo)的規(guī)模相對(duì)較小，二維剖面法很難使測(cè)線正好跨過探測(cè)對(duì)象，剖面異常的解釋也是問題。因此開展三維雷達(dá)勘探是考古地球物理應(yīng)用的趨勢(shì)和方向，些商用雷達(dá)系統(tǒng)從硬件設(shè)備到處理軟件都能夠支持三維雷達(dá)勘探。

目前探地雷達(dá)三維勘探是種偽三維勘探設(shè)計(jì)，即采用多條二維剖面組合形成面積性三維數(shù)據(jù)體，再通過軟件處理和顯示。對(duì)于目前只有個(gè)發(fā)射天線和個(gè)接收天線的雷達(dá)系統(tǒng)．這種偽三維設(shè)計(jì)也是種不錯(cuò)的替代。隨著電子技術(shù)發(fā)展，多通道儀器設(shè)備出現(xiàn)將會(huì)帶來三維雷達(dá)勘探技術(shù)的革命。

從效率上講，剖面法點(diǎn)測(cè)的低效率也制約著三維雷達(dá)的應(yīng)用，些公司如SSI公司采用SMARTCART(小推車)配備里程計(jì)或GPS定位系統(tǒng)，這樣可實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)采集．大大提高三維數(shù)據(jù)采集效率。

七、*探地雷達(dá)技術(shù)參數(shù)：