探地雷达_浅表地球物理科学技术中的重要工具_刘澜波

第５８卷第８期２０１５年８月
地　球　物　理　学　报
ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖｏｌ．５８，Ｎｏ．８
Ａｕｇ
．，２０１５刘澜波，钱荣毅．２０１５．探地雷达：浅表地球物理科学技术中的重要工具．地球物理学报，５８（８）：２６０６－２６１７，ｄｏｉ：１０．６０３８／ｃｊｇ
２０１５０８０２．Ｌｉｕ　Ｌ　Ｂ，Ｑｉａｎ　Ｒ　Ｙ．２０１５．Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ：Ａ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｔｏｏｌ　ｉｎ　ｎｅａｒ－ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ），５８（８）：２６０６－２６１７，ｄｏｉ：１０．６０３８／ｃｊｇ
２０１５０８０２．探地雷达：浅表地球物理科学技术中的重要工具
刘澜波１，钱荣毅２
１美国康涅狄格大学土木与环境工程系，ＣＴ　０６２６９，ＵＳＡ２中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京　１０００８３
摘要　探地雷达（ＧＰＲ）是浅表地球物理科学技术中的一项重要手段．其重要性体现在它的应用广泛性和有效性．在工程检测、环境保护、文物考古、灾害救援、反恐安检、资源勘探、水文水利等科学技术领域中探地雷达都在发挥着其他手段无法取代的重要作用．关于探地雷达发展历史、
基本系统及原理、信号处理与成像等方面的综述性文章已经很多．本文将重点评述作为浅表地球物理观测技术重要手段的探地雷达在几个基础地学与工程技术领域中的应用．这些方面包括沙漠中高大沙丘的内部结构与形成机理，永久冻土的现状探测与演化预测，民用基础设施（公路、桥梁、大坝、堤防）内部或地基内空洞及软弱带的检测，以及地震灾害现场生命探测与救援．本文还将用一定篇幅评述探地雷达技术的变异形式（如钻孔雷达、探月雷达）．评述将结合观测实例，尤其是在中国大陆的实例．最后将就探地雷达技术现存的问题及发展方向提出个人见解．需要强调的是，尽管本文以探地雷达的科研应用为主题，浅表地球物理科技成果在各个领域的成功应用绝对不可能倚赖任何单一手段或方法．所有成功的实例都证明一定要强调某一方法为主，其他手段为辅，多手段、多方法的有效配合，才有可能最大程度的减小探测结果的非唯一性，
提高准确度和精确度．关键词　浅表地球物理；探地雷达；高大沙丘；永久冻土；生命探测与救援ｄｏｉ：１０．６０３８／ｃｊｇ
２０１５０８０２中图分类号　Ｐ６３１
收稿日期２０１５－０３－０６，２０１５－０８－
１４收修定稿基金项目　国家自然科学基金项目（４１２７４１３８，４１３７４１４６）；教育部海外名师项目（ＭＳ２０１３ＢＪＤＸ００１
）资助．作者简介　刘澜波，北京大学地球物理学本科、硕士，美国斯坦福大学土木与环境工程硕士、地球物理学博士．现为美国康涅狄格大学教授．主
要从事应用地球物理在土木与环境工程方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：Ｌａｎｂｏ．Ｌｉｕ＠Ｕ
Ｃｏｎｎ．ｅｄｕＧｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　
Ｒａｄａｒ：Ａ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｔｏｏｌ　ｉｎ　ｎｅａｒ－ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓＬＩＵ　Ｌａｎ－Ｂｏ１，ＱＩＡＮ　Ｒｏｎｇ
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１　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ，Ｓｔｏｒｒｓ，ＣＴ０６２６９，ＵＳＡ２　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　
ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ（ＧＰＲ）ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｉｎ　ｎｅａｒ－ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ．Ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｒｏｌｅ　ｉｓ　ｂｅｓｔ　ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｗｉｄｅ　ｂｒｅａｄｔｈ　ｏｆ　ｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｌｌ　ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅｓ　ｏｆ　ｎｅａｒ－ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｇ
ｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ，ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ　ｍｉｇｒａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｃｕｌｔｕｒａｌｈｅｒｉｔａｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｌｉｆｅ　ｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｒｅｓｃｕｅ　ａｔ　ｈａｚａｒｄ　ｓｉｔｅｓ，ｎａｔｉｏｎａｌ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　
ａｎｄ　ｃｏｕｎｔｅｒ－ｔｅｒｒｏｒｉｓｍ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｎａｔｕｒａｌ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ＧＰＲ　ｉｓ　ｐｌａｙｉｎｇ　ａ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｒｏｌｅ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｅａｓｉｌｙｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅ　ｂｙ　ｏｔｈｅｒ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｖｉｅｗｓ　ａ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｉｎＧＰＲ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｅａｒｔｈ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　ｗｉｔｈｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｅａｒｔｈ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ｗｅ　ｒｅｖｉｅｗ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｔｏ　ｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓａｎｄ－ｄｕｎｅｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ＧＰＲ　ｃａｎ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｌｙ　
ｒｅｓｐｏｎｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ
　８期刘澜波等：探地雷达：浅表地球物理科学技术中的重要工具
ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｉｎｓｉｄｅ　ａ　ｓａｎｄ　ｄｕｎｅ，ａｎｄ　ｒｅｖｅａｌ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｃｒｉｔｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｎ　ｄｅｓｅｒｔ　ａｒｅａ．Ｉｎ　ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ＧＰＲ　ｉｓ　ａ　ｐｏｗｅｒｆｕｌ　ｔｏｏｌ　ｔｏ　ｄｅｌｉｎｅａｔｅ　ｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｌａｙｅｒ　ａｂｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ，ａｎｄ　ｉｓ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ｉｍａｇｅ　ａ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ｉｎｓｉｄｅｔｈｅ　ｆｒｏｚｅｎ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｉｃｅ　ｌｅｎｓ，ｉｃｅ　ｗｅｄｇｅ，ａｎｄ　ｂｏｕｌｄｅｒｓ．Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　ｎａｔｕｒｅｆｏｒ　ａｌｌ　ｔｈｅｓｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ　ｔａｒｇｅｔｓ，ｔｈｅ　ｓｕｃｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＧＰＲ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｂｒｏａｄ－ｂａｎｄ，ｍｕｌｔｉ－ｏｆｆｓｅｔ，ｆｕｌｌ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ．Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｗｅｒｅｖｉｅｗ　ＧＰＲ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｈｅａｌｔｈ　ｓｔａｔｕｓ　ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅａｎｏｍａｌｙ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ＧＰＲ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ．Ｗｅ　ａｌｓｏ　ｒｅｖｉｅｗ　ｔｈｅ　ｔｏｐｉｃ　ｏｆ　ｈｕｍａｎ　ｖｉｔａｌ　ｓｉｇｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｒｅｓｃｕｅ，ａ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｒｅａ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｍｕｃｈ　ｉｎｔｅｒｅｓｔ　ｉｎ　ｎｅａｒ－ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ．Ｆｏｒｃｏｍｐｌｅｔｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｖｉｅｗ　ｗｅ　ａｌｓｏ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｄｉｓｃｕｓｓ　ｓｏｍｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｅｖｏｌｖｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＧＰＲ　ｗｉｔｈｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅｓ　ｉｎ　ｂｏｒｅｈｏｌｅ　ｒａｄａｒ，ａｎｄ　ｌｕｎａｒ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　ｒａｄａｒ（ＬＰＲ）．Ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｓｅｃｔｉｏｎｗｅ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｏｕｒ　ｐｅｒｓｏｎａｌ　ｖｉｅｗ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｂｏｔｔｌｅ－ｎｅｃｋｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆＧＰＲ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｎｅａｒ－ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ；Ｇｒｏｕｎｄ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｒａｄａｒ；Ｓａｎｄ　ｄｕｎｅｓ；Ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ；Ｌｉｆｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｃｕｅ
１　引言
探地雷达（Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ，ＧＰＲ）是以探察地下不同介质的电磁性质（介电常数、电导率、磁导率）的差异为物理前提的一种射频（０．１０～３ＧＨｚ）电磁技术．ＧＰＲ发射天线发射的电磁波在地层中传播时，如果遇到电磁性质不同的物体（目标），将发生前向和后向的散射．散射波在多个目标之间以及目标内部还会形成新的散射．向地面传播的散射波将被接收天线接收．随着天线的移动，ＧＰＲ记录到各测量点处的电磁波信号，经过数学处理和分析后可判断地质分层情况和各层的材质等，同时可以识别地下目标体．
从国际视野来看，自从１９８６年在美国乔治亚州的Ｔｉｆｔｏｎ召开第一次探地雷达国际研讨会之后，探地雷达国际研讨会系列每两年一次在世界各地召开，已经不间断的延续了近３０年，同济大学成功地主办了２０１２年在上海举行的第１４届会议；鲁汶大学主办了２０１４年在比利时首都布鲁塞尔的第１５届会议．香港理工大学将在中国香港主办２０１６年的第１６届会议．这一事实说明１）各国科技界对探地雷达有着持续不断的需求与热情；２）中国科技界在探地雷达的研究、开发及应用上开始发挥日益增强的作用．
ＧＰＲ紧随着无线电技术的出现而萌生，至今已有近百年的历史，虽然当今的电磁学理论已相当成熟，然而ＧＰＲ技术还处在不断完善的过程中．在现有的计算机水平下，地质结构和地质材料的多样性、目标的电磁特性和几何形状的复杂性不断向ＧＰＲ提出新的挑战，日趋广泛的地下探测活动推动着ＧＰＲ硬件系统不断发展完善，数据信号处理技术持续创新、拓展．
限于篇幅，本文无意对ＧＰＲ技术作包罗万象的全面综述．已有很多文章论及探地雷达的工作原理及基本系统构成（例如，Ｓｌｏｂ　ｅｔ　ａｌ．，２０１０），也有很多文章涉及探地雷达对不同目标体探测的正演模拟（例如，Ｉｒｖｉｎｇ　ａｎｄ　Ｋｎｉｇｈｔ，２００６；Ｈｕａｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，２０１０；Ｗａｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，２０１４），本文不再赘述．本文的重点将放在与中国科技发展紧密相关的几个问题上．我们将论及ＧＰＲ在沙丘内部结构及形成机理，多年冻土活动程度及演化，民用基础设施结构地基
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地球物理学报（Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．）５８卷　
及堤坝中的空洞和软弱带的检测，灾后伤员搜救方面的应用．本文还将利用一定篇幅评述探地雷达技术的变异形式（如钻孔雷达、探月雷达（ＬＰＲ））．在每个部分的结尾本文作者将就探地雷达技术现存的问题及发展方向提出个人的见解．
２　探地雷达在浅地表地球物理科学技术中的应用
２．１　沙丘内部结构及形成机理
随着亚洲内陆干旱化、水资源与生态恢复、沙尘暴源区等研究的不断深入，风沙形成的机理研究已成为国内外十分关切的问题（Ｙａｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，２０１０；Ｄｏｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，２０１３）．高大沙丘（沙山）的形态能够提供沙漠及沙漠边缘地带的古气候条件的宝贵信息，包括风况的演化历史（Ｌａｎｃａｓｔｅｒ，２００８）．内蒙古西部的巴丹吉林沙漠东南部的高大沙丘是一种独特的风沙地貌．当地干旱少雨，地表水源缺稀，而其中的高大沙丘之间却分布着众多常年性湖泊．是罕见而珍贵的世界性地质遗产，为世界上规模最宏大的沙山地貌．自２０世纪３０年代以来，吸引了众多国内外学者对其进行研究（杨小平，２００２；Ｇａｔｅｓ　ｅｔａｌ．，２００８）．而其湖泊水的来源仍是学者探索的热点和难点．虽然人们对沙丘表面地貌已有较多的了解，但沙丘的内部结构对地下水运移、沙丘间湖泊形成的影响却知之甚少．解释高大沙丘的成因需将表面地貌和内部结构统一考虑．探地雷达是了解沙山内部结构最为有效的探测手段．
Ｂｒｉｓｔｏｗ和Ｍｏｕｎｔｎｅｙ（２０１３）对于沙漠中沙丘的形成、分类、演化和内部结构作了详细阐述．其基本观测依据几乎都来自于ＧＰＲ．ＧＰＲ与释光测年方法相结合，为研究沙丘形成和迁移的动力学过程提供了最有力的研究方法．释光测年（包括ＴＬ，ＩＲＳＬ和ＯＳＬ）是现在最为准确的对风成沉积的方法．ＧＰＲ可以提供沙丘内部结构以及地层学方面的宝贵信息．因此，ＧＰＲ可为释光测年样本的采集地点和深度提供重要信息和约束条件（Ｂｒｉｓｔｏｗ　ｅｔａｌ．，２００５；Ｌａｎｃａｓｔｅｒ，２００８；白旸等，２０１１）．Ｂｒｉｓｔｏｗ等（２０１１）利用ＧＰＲ和光释光测年（ＯＳＬ）研究了南极洲维多利亚谷地的沙丘内部结构和形成年代．沙丘的形成自１３００年前开始，光释光测年结果用来计算这一期间的沙丘迁移速率为每年０．０５～１．５ｍ．在距今１３００年左右，沙丘的形成发展主要受控于那时候西风带极环流的增强以及相对寒冷、干燥的气候条件，因此使得沙丘稳定．３００年前沙丘的活化与１７００—１８５０的全球冷却和南向极环流的加强有关．在此之后在大约２００年前开始的沙丘迁移速率的增加对应于现代二氧化碳排放的增加．使用类似的方法Ｂｒｉｓｔｏｗ等（２００７）还研究了纳米比亚线状沙丘的迁移规律．他们认为线状沙丘还存在侧向迁移．在过去的２５００年间，这些线状沙丘可能侧向迁移了高达３００ｍ．Ｖｒｉｅｎｄ等（２０１２）利用ＧＰＲ研究了美国加利福尼亚Ｍｏｊａｖｅ　Ｄｅｓｅｒｔ中两个高大沙丘（一个线状沙丘和一个新月形沙丘）的内部结构．他们认为沙丘内部经过固结后的层状结构有利于沙丘的稳定并影响其迁移形式．沙丘内部结构特征为研究沙丘的形成，沙漠中风况和降水的历史演变提供了重要的证据．
Ｇｕｉｌｌｅｍｏｔｅａｕ等（２０１２）用沙粒的颗粒度分布、压实度和沙粒的形状分布解释了沙丘内部成层结构的原因．他们将这三个参数代入介电常数的混成模型来预测雷达波的速度及反射系数，利用一维小波模型将模拟波形与在Ｃｈａｄｉａｎ沙漠一个干沙丘上的ＧＰＲ观测做了对比，结果显示一致性很好．由此可以区分出沙丘内部的反射面，并可以划分为由沙崩、风成次沙丘以及沙丘－基岩之间的界面所引起．利用探地雷达反射剖面技术，Ｑｉａｎ和Ｌｉｕ（２０１５）研究了巴丹吉林沙漠中两个典型的沙丘的内部结构，如图１所示．巴丹吉林沙漠中的沙丘的主要走向是ＮＮＥ，而主要风向是ＮＷＷ，主要风向与沙丘主要走向基本正交．
如图１所示，ＧＰＲ剖面清晰地显示了沙丘内部与松散沙粒自然堆积角（大约３４°）相平行的层状结构．在巴丹吉林沙漠中西风是主要风向，离沙漠边缘较远的庙海子沙丘西坡为迎风坡，沙丘内部板结层状结构向东倾斜．毫无疑义，庙海子沙丘的形成与内部结构主要受西风控制．而巴丹吉林沙漠东南边界横亘海拔较高的雅布赖山脉，由此造成了西北风的折返，所以，巴丹吉林沙漠东南边界附近的沙丘反而受到东南风的控制．这就是为什么在离沙漠东南边界较近的巴丹湖沙丘的东坡成为迎风坡，从而造成巴丹湖沙丘东坡内部板层结构的西向倾斜（图１ｃ）．如前所述，在探地雷达剖面上形成反射特性的物理原因是颗粒度的周期性变化，以及由此带来的含水量的变化．而沙丘表面起伏不平，所以，沙丘内部结构的探测是一个真正的三维问题．在未来的研究中，进行探地雷达在沙丘地区的三维数据采集，然后进行叠前深度逆时偏移处理（Ｆｉｓｈｅｒ　ｅｔ　ａｌ．，１９９２ａ，
８０６２
　８期刘澜波等：探地雷达：
浅表地球物理科学技术中的重要工具图１　（ａ）沙丘形成、堆积、迁移的示意图，（ｂ）１００ＭＨｚ　ＧＰＲ在庙海子沙丘西坡（迎风坡）的探测结果（水平长度８０ｍ，高差２０ｍ），（ｃ）５０ＭＨｚ　
ＧＰＲ在巴丹湖沙丘横断面的探测结果（沙丘内部结构及潜水面清晰可见，水平长度７５ｍ，高差２０ｍ）
Ｆｉｇ．１　（ａ）Ｔｈｅ　ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｉｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｓａｎｄ　ｄｕｎｅ，（ｂ）Ｔｈｅ　ｓｕｒｖｅｙ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　１００ＭＨｚＧＰＲ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｅｓｔ　ｓｌｏｐｅ　ｏｆ　Ｍｉａｏｈａｉｚｉ　ｓａｎｄ　ｄｕｎｅ（ｗｉｔｈ　ａ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　８０ｍ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎｏｆ　２０ｍ），（ｃ）Ｔｈｅ　ｓｕｒｖｅｙ　
ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　５０ＭＨｚ　ＧＰＲ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓａｎｄ　ｄｕｎｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｂａｄｄａｍ　Ｌａｋｅｓ（ｗｉｔｈ　ａ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｅｎｇ
ｔｈ　ｏｆ　７５ｍ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　２０ｍ）１９９２ｂ；Ｂｒａｄｆｏｒｄ，２０１４），将会提供沙丘内部结构和地下水资源更为准确和详细的信息．相对其他方法而言，逆时偏移用全程波方程对波场延拓，避免对波动方程的近似，
因此没有倾角限制，原理上可以利用转换波、棱镜波、或者多次反射波成像，并获得更精确的振幅等动力学信息，
实现保幅成像．叠前深度逆时偏移可以更好地对像沙丘地貌这样的复杂地形和复杂速度结构的目标区进行更细化更精确的结构勾画，成像方法不受介质速度变化的影响，能够对复杂区域进行较为准确的成像（周辉等，２００４；傅磊等，２０１４；Ｂｒａｄｆｏｒｄ，２０１４）．
因此，在沙漠地区实现探地雷达的三维数据采集，
进行数据的叠前深度逆时偏移将会提供更加丰富的沙丘内部结构的信息．２．２　多年冻土现状，
演化及对基础设施地基稳定性的影响
多年冻土是指保持在０℃或０℃以下至少两年的岩土体．永久冻土分为两层：上部是夏融冬冻的季节活动层；
下部是终年不融的多年冻结层．按体积含冰量划分，多年冻结层可细划分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土、含土冰层等五种类型．饱冰冻土和少冰冻土可视为最主要的两种典型冻土类型．
饱冰冻土内部冰晶体通常呈层状或斑状构造，体积含冰量在５０％以上；少冰冻土内部冰晶体通常呈整体状或网状构造，体积含冰量在２５％以下．多年冻土在中国有着广泛的分布，其面积约占国土总面积的２２％．青藏高原多年冻土层对气候变迁极为敏感．现有的观测表明，青藏高原浅表地温在增高，与此相伴随的则有冻土季节活动层的增厚．在地面的表现则是水面和湖面水位的下降，和气候变干之后造成的荒漠化（Ｃｈｅｎｇ　
ａｎｄ　Ｗｕ，２００７）．随着对多年冻土区研究的深入，探地雷达以其快速、高效、无损等优点，从２０世纪９０年代开始被广泛应用．探地雷达用于多年冻土的研究主要在于如下几个方面：１）永久冻层中冰体的大小，形态与分布；２）热状态的成层结构；３）季节活动层中含水量的空间变化；
更具有挑战性的还有４）永久冻层下界面９
０６２
地球物理学报（Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．）５８卷　
的形态．
探地雷达可以清晰地、常规性地探测到夏融冬冻的季节活动层与多年冻结层界面．这一点基本上没有疑义．探地雷达用于探测冻结层中冰体的大小和形态分布则需要更为仔细的研究分析．小于ＧＰＲ分辨率的透镜状冰体分布在雷达剖面上通常显示为杂散的、相互干涉的双曲线反射，而大的冰体在雷达剖面上显示为连续的反射面．并且，反射面以下相对干净，没有太多的杂散波．这个特征使得我们可以对大的冰体的深度和水平展布做出较好的估计．如果多年冻结层以上季节活动层的土质较为均匀，我们则可以在地面进行共中心点（ＣＭＰ）ＧＰＲ测量，并利用雷达直达波在地下的传播速度直接估算活动层中含水量的空间变化（Ｍｏｏｒｍａｎ　ｅｔ　ａｌ．，２００７）．美国陆军工程兵寒带研究与工程实验室（ＣＲＲＥＬ）的Ａｒｃｏｎｅ等（１９９８，２００２）使用１００ＭＨｚ和５０ＭＨｚ的ＧＰＲ在阿拉斯加的多年冻土中成功地探测到冻土层以下的地下水．他们的工作还报道了如何识别永久冻层内部存在的岩体．Ｄｅ　Ｐａｓｃａｌｅ等（２００８）用ＧＰＲ与电容耦合电阻率剖面测量相结合在加拿大北极地区西部的Ｒｉｃｈａｒｄｓ　Ｉｓｌａｎｄ的数条剖面上检测了多年冻结层中冰体的分布．这两种测量的互补性得以使我们更好地探测到大量的地下冰体、富冰沉积层、冰透镜体、热岩溶以及基本的成层结构关系．
Ｗｕ等（２００５）使用５０ＭＨｚ探地雷达在青藏高原多年冻土层北缘的西大滩沿９个剖面于２００２年进行了多年冻土层上下界面的测定．测量结果表明，与１９７５年的研究结果相对比，２７年间多年冻土层的下界面抬升了大约２５ｍ，西大滩多年冻土层的面积缩小了大约１２％．俞祁浩等（２００８）在东北的小兴安岭就冻土的退化特征使用探地雷达进行了研究．青藏公路始建于１９５３年．随着运输任务的日趋繁忙，２０世纪七八十年代由砂石路面改成沥青路面公路修建以来，由多年冻土引起的病害接连不断．改建沥青路面采取了加高路基等防冻措施，但由于黑色路面吸热增大和路面蒸发耗热大大减少，使路基多年热量收人大大超过支出，在高温多年冻土分布区内形成每年融化深度大于冻结深度，出现季节冻结层与多年冻土层不衔接的现象．伴随着经济的高速发展，在青藏高原多年冻土区修建高速公路已提到日程上．俞祁浩等（２０１４）对多年冻土区高速公路建设所面临问题进行了分析并提出了警示．他们的研究发现：与青藏铁路和青藏普通公路相比，多年冻土区高速公路修筑后，路基吸热强度将成倍提高，更多的热量将向路基中心部位聚集且难以扩散，导致冻土退化速率和范围的增加．因此，了解公路路面下多年冻土的状况———多年冻土与季节冻土的分布范围、冻土人为上限的深度、冻土组构特别是高含冰地段的分布是高速公路发展、设计，现有公路整治方案制定所急需的资料．
曾仲巩等（１９９３）最早在中国开展了公路路面下多年冻土分布的雷达勘察工作．结合青藏公路、宁张公路、青康公路、黑大公路等路线，进行了大量以探地雷达为主的工作，查明了冻土的上限，了解了多年冻土与季节冻土的分布范围．
Ｘｉａｏ和Ｌｉｕ（２０１５）对沿青藏铁路同时采集的双频（１００ＭＨｚ和４００ＭＨｚ）探地雷达数据用确定性拓展反褶积（ＥＤＤ）方法作了处理．ＥＤＤ法结合双频雷达数据各自的优势，即低频数据的大穿透深度和高频数据的高分辨率，有效地提高了探地雷达数据利用率．与钻芯资料相结合，基本上可以确定多年路基状态、路基－原生土界面、非饱和带、季节活动层、冻土上顶面等重要层状界面，使有效探测深度提高到７～１０ｍ．
由于多年冻土地层状态复杂，含有不同尺度的散射体（卵石、孤石、冰透镜体、热岩溶等），经常出现层状结构的缺失（季节活动层的不均匀分布），使用传统的反射法来分析探地雷达的数据已是勉为其难了．未来的研究应向多收发距、多通道、多频率的探地雷达阵列式数据采集发展．与此相适应的数据分析处理算法也应是基于宽频带散射，而不是层状反射的电磁波传播的全波理论．这将是工程地质学家和浅表地球物理学家所要面临的新挑战．
２．３　民用基础设施地基及堤坝中的空洞和软弱带的检测
探地雷达作为无损检测与探伤（ＮＤ＆Ｅ）的一个重要手段已在工程实践中得到广泛应用．在这一应用领域，有两个方面的问题须研究者予以特别注意．１）空洞或软弱带大小与雷达波长之间的相对关系；２）探地雷达一定要与其他探测手段联合使用以提高检测结果的准确性．当空洞或软弱带的尺寸远大于雷达波长时，这应是最简单最容易探测的情况．几何波动学的原理雷达适用．空洞或软弱带的尺寸和形状应该得到最好的描述（Ｃｈｌａｉｂ　ｅｔ　ａｌ．，２０１４）．当空洞或软弱带的尺寸小于雷达波长，不管是使用雷达或其他基于波动理论的探测方法，基本上已无法区分出独立的空洞或软弱带．可幸的是，利用有效
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　８期刘澜波等：探地雷达：浅表地球物理科学技术中的重要工具
介质理论探地雷达仍有可能对软弱带的大小和弱化程度做出一定评估．最有意思的情况是如果雷达波长与空洞或软弱带尺寸相当时，空洞可以明确地表现为共振腔而使雷达波在空气波的波长上发生谐振．在雷达反射剖面图上，这使空洞的存在更为明显（Ｐｕｅｙｏ－Ａｎｃｈｕｅｌａ　ｅｔ　ａｌ．，２００９）．雷达波长与空洞或软弱带尺寸不相上下时空洞的最大特点是其顶部有强烈凸面状的反射体，其下面有低频谐振．最为常用的探地雷达空洞或软弱带探测方式是用直线剖面法，所以，当空洞或软弱带是一个三维体，而不是近似的二维体时，空洞或软弱带的三维效应是不可忽视的．这时最好的办法是在地表进行二维扫描，以得出空洞或软弱带在地面水平方向上的二维投影．钱荣毅和任明星（未发表）在北京于２００３年在国内开展大规模的道路隐蔽空洞实验探测，在数年间每年进行了５００ｋｍ测线长度的探地雷达探测，进行了空洞探测数据采集设计、数据处理和快速解释方法的研究．同济大学谢雄耀研究团队（Ｘｉｅ　ｅｔａｌ．，２０１３）尝试了用支持向量机（ＳＶＭ）人工智能算法自动识别钢筋混凝土铸件内部孔洞缺陷．浙江水利研究院和同济大学的研究团队近１０年来持续进行大坝和海塘堤防隐患的雷达探测研究（葛双成等，２００５，２００７，２０１３）．针对海塘堤脚淘空损伤检测，详细分析了浙江某海塘堤脚沉井防冲结构及其相关介质的物理性质和空间分布特点以识别海堤内部的软弱带．检测试验和综合分析表明，采用雷达检测可指出淘空损伤现象存在的可能性及大致位置和范围，而难以断定损伤的性质及尺寸．这一事实再次证明探地雷达一定要与其他探测手段联合使用以提高检测结果的准确性．单一使用探地雷达有时无法达到预期检测效果．
２．４　灾害现场生命探测与救援
大部分的救生系统，例如视频（ｖｉｄｅｏ）系统，侦测的范围非常有限并且只有在移动的遇险者进入视频监测系统的视野（直视通视性，或ＬＯＳ）之后才能报警．另一方面，基于音频（ａｕｄｉｏ）的侦测系统大大受限于间隔、障碍物、残垣以及遇险者是否还强壮和清醒到能够发出声音．而探地雷达可以穿透障碍物（例如钢筋混凝土砖墙、柏油层、泥石流和雪崩造成的积雪）进行侦测．
进行灾害现场的生命探测与救援时，探地雷达主要是靠探测伤员的呼吸运动或者移动来工作的．雷达天线连续发射电磁波，对一定空间进行扫描，接收器不断接收到反射波并对返回信号进行算法处理．基于这样的工作原理，所以，探地雷达搜救既不受ＬＯＳ的限制，也不受救援现场复杂介质造成的杂散波的影响．假如被探测者已死亡，返回信号是相同的．假如目标在动，则信号有差异．通过对不同时间段接收的信号进行比较等算法处理，就可以判定目标是否在活动．呼吸与心跳是两个最重要的生命体征．呼吸运动造成的胸腔运动幅度可达１～２ｃｍ；有规律而且频率较低，一般是０．１～０．４Ｈｚ，因此，可以把呼吸运动和其他较高频率的运动区分开来．由于心跳幅度较小，探地雷达很难在复杂的救灾现场探测到心跳信号．
莫斯科国立鲍曼科技大学的遥感实验室在俄国率先从生物医学工程方面开展了人类生命体征的雷达探测研究（Ｉｖａｓｈｏｖ　ｅｔ　ａｌ．，２００４；Ｂｕｇａｅｖ　ｅｔ　ａｌ．，２００６）．西安第四军医大学王健琪研究团队将探地雷达应用于灾害现场生命探测与救援推向实用化（Ｗａｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，２００７），并应用于２００８年汶川地震灾区搜救现场（国家自然科学基金委员会信息科学部，２００８）．利用伪随机噪声雷达技术，在实际现场条件下Ｓａｃｈｓ等（２０１４）有效地探测到１３ｍ以内被探测者的呼吸运动体征．
Ｌｉｕ等（２０１４）使用的搜救现场模型有两个被压在建筑物废墟水泥块下的伤员（图２）．离雷达天线比较远的伤员１的呼吸频率在０．１２Ｈｚ，离雷达天线比较近的伤员２的呼吸频率是０．３５Ｈｚ．伤员１取腹卧式；伤员２取右向侧卧式．Ｌｉｕ　Ｌ　Ｂ和Ｌｉｕ　Ｓ　Ｘ（２０１４）的实验结果表明，被探测者的姿势对呼吸运动信号的探测无重大影响．
图２ｂ是基于图２ａ模型的合成记录图，由２００道合成记录组成的．道与道之间的记录间隔为０．１ｓ，总共的记录时间是２０ｓ．每一道的长度是５０ｎｓ的雷达波传播时间，这个量值足以捕捉雷达天线３ｍ以内的任何电磁环境变化．在图２ｂ中伤员的呼吸运动体征在记录时间方向上表现为周期性波动．伤员１的呼吸频率是０．１２Ｈｚ，在２０ｓ的时间中呼吸了２．４次；其呼吸运动体征在传播时间３７ｎｓ时出现．离雷达天线比较近的伤员２的呼吸频率是０．３５Ｈｚ，在２０ｓ的时间中应该呼吸７次．因离雷达天线较伤员１近，其呼吸运动体征在传播时间为１５ｎｓ时出现．在任一给定的传播时间沿记录时间做频谱分析即可检验是否有生命体征存在．更为全面的搜索可利用各种更为先进的时－频分析方法（Ｌｉｕ　ｅｔ　ａｌ．，２０１１，２０１４；Ｌｉ　ｅｔ　ａｌ．，２０１４）．
在利用探地雷达进行灾害现场的生命探测救援
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地球物理学报（Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．）５８卷
图２　（ａ）探地雷达探测建筑物废墟下伤员的生命体征数值模型（３．８ｍ×２ｍ）．彩色背景是雷达脉冲传播２４ｎｓ后的波场快照．（ｂ）两个伤员的生命体征（呼吸运动）在雷达记录上的表现特征．伤员２的呼吸运动体征在１５ｎｓ时收到；伤员１的呼吸运动体征在３７ｎｓ时收到．详细阐述见Ｌｉｕ等（２０１４）．
Ｆｉｇ．２（ａ）Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ＧＰＲ　ｖｉｔａｌ　ｓｉｇｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｖｉｃｔｉｍｓ　ｕｎｄｅｒｎｅａｔｈ　ａ　ｃｏｌｌａｐｓｅｄ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ（３．８ｍ×２ｍ）；（ｂ）ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｖｉｔａｌ　ｓｉｇｎ（ｂｒｅａｔｈｉｎｇ）ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｖｉｃｔｉｍｓ　ｏｎ　ｒａｄａｒ　ｒｅｃｏｒｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅｂｒｅａｔｈｉｎｇ　ｏｆ　Ｖｉｃｔｉｍ　２ｉｓ　ｒｅｃｏｒｄｅｄ　ａｔ　１５ｎｓ；ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｂｒｅａｔｈｉｎｇ　ｏｆ　Ｖｉｃｔｉｍ　１ｉｓ　ｒｅｃｏｒｄｅｄ　ａｔ
３７ｎｓ．Ｄｅｔａｉｌｓ　ｃａｎ　ａｌｓｏ　ｂｅ　ｆｏｕｎｄ　ｉｎ　Ｌｉｕ　ｅｔ　ａｌ．（２０１４）．
这一研究领域亟待解决的问题有：增大雷达探测的有效搜救范围；废墟或障碍物内伤员的高速、准确定位；搜救人员自身生命体征干扰的有效消除．这些都需要在探地雷达硬件、软件两方面进行改善，以适用于复杂的现场搜救条件．
３　探地雷达技术的变异形式
３．１　钻孔雷达
钻孔雷达技术可以弥补常规地面雷达技术及地质勘探技术的不足，更大范围地提供了地下目标更为直接的信息．其主要应用领域在环境评价、工程地质、岩土工程、考古、水文地质和高放射性废料储存场所选址等方面的研究上．在国际上，钻孔雷达的研制始于无定向单孔雷达，发展到无定向跨孔雷达并可做跨孔层析成像．浅层无定向钻孔雷达已经发展到实用阶段．在商用市场上常见的有瑞典的ＭＡＬＡＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅ的Ｒａｍａｃ钻孔雷达系统，测量深度可达１５０ｍ．该系统已大量用于地下水资源与地下水污染，基岩中裂隙发育展布的野外调查（Ｌｉｕ　ｅｔ　ａｌ．，１９９８；Ｚｈｏｕ　ｅｔ　ａｌ．，２００１；Ｚｈｏｕ　ａｎｄ　Ｌｉｕ　２００１；Ｇｒéｇｏｉｒｅｅｔ　ａｌ．，２００６；Ｌｉｕ　ａｎｄ　Ｓａｔｏ，２００６；刘四新等，２００６；Ｄｏｒｎ　ｅｔ　ａｌ．，２０１１）．
由于电磁波传播的全方向性，反射式的单孔雷达可给出目标体的深度、距离、形态等信息，但不能给出目标体的方位角，即无法获知目标体在以探测
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