探地雷达的现状与展望-文献综述

文献综述
综述题目：探地雷达使用现状及未来发展趋势姓名：
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专业：勘查技术与工程
学院：核工程与地球物理学院
完成时间：20--年-月
探地雷达使用现状及未来发展趋势
探地雷达（Ground Penetrating Radar ，简称GPR ）技术是通过发射天线向地下介质发射有一定延续时间的宽频带电磁波，进而通过接收到的反射电磁波来达到推测地下介质分布形态及特征的一种物探方法。

早在1910年，德国人Leimbach 和Löwy 就在一份德国专利中道明了探地雷达的基本概念。

1926年，H ülsenbeck 第一次使用电磁脉冲技术来研究地下岩性构造并获得成功。

这两次成果为探地雷达正式进入物探方法行列奠定了基础。

此后的40年里，探地雷达技术有了很大改进，但由于地下介质比空气具有强得多的衰减特性，而且波在地下介质的传播比在空气中要复杂得多，所以它仅限于研究介质相对均匀，对电磁波吸收很弱的地质环境，如极地冰层、淡水湖泊、沙漠及岩盐等。

七十年代以后，随着电子技术的迅速发展及现代雷达数据处理技术的应用，许多商业化的探地雷达系统先后开始问世，其中具有代表性的有美国地球物理探测设备公司（SSI ）的SIR 系统、加拿大探头及软件公司（SSI ）的pluse EKKO 系列、瑞典地质公司（SGAB ）的RAMAC 钻孔地质雷达系统及日本应用地质株式会社（OYO ）的GEORADAR 系列等。

如今探地雷达技术已经有了广泛的应用，覆盖领域包括矿产资源勘查、基岩面的探查、土体中土洞探查、地下溶洞探查、超前预报、考古探查、地下管线探查、军事探测等多个方面。

一、探地雷达的原理
探地雷达和探空雷达相似，利用高频电磁波（主频为数十至数百乃至数千兆赫）以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线传入地下，经地下地层或目的物反射后返回地面，被另一天线接收。

脉冲波旅行时间为T 。

当地下介质的波速已知时，可根据测到的准确T 值计算反射体的深度。

电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。

不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。

探地雷达在勘查中的参数有以下关系：
（一）电磁波行走时间
v H v x H T 2422≈+=
式中H 代表目标埋藏深度；v 代表电磁波在介质中的运行速度；T 代表电磁波的双程
走。

时。

（二）电磁波在介质中的传播速度 r r /c v με=≈r /c ε
式中 c 代表电磁波在真空中的传播速度（0.29979m/ns ）；r ε代表介质的相对介电常数；r μ代表介质的相对磁导率（一般r μ1≈）。

（三）目标体的埋深与电磁波行走时间的关系
T H •=v 2
1 式中H 代表目标体埋藏深度；v 代表电磁波传播速度；T 代表电磁波双程走时。

二、探地雷达的使用现状
（一）地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用
隧道施工时，对掌子面前方地质情况进行及时准确的预测，至关重要。

隧道施工过程中遇到的主要不良地质情况有溶洞、地下暗河、断层、破碎带和瓦斯等，对这些不良地质条件及时准确的预报，不仅可以提前采取相应的措施以提高隧道施工的工作效率，还可以确保施工的安全进行[1]。

地质雷达是一种快速便捷、不影响施工的超前跟踪探测技术，它对上述不良地质条件有较好的探测结果。

一般根据现场要求探测的深度，我们的主要技术参数选择为：1）50MHz 非屏蔽天线，天线间距1m 。

2）100MHz 屏蔽天线；天线间距0.5m 。

记录时间、叠加次数和采样率根据实际情况做适当调整。

根据实际情况，采用点测和连续扫描两种方式进行探测。

一般情况下，根据探地雷达的图像资料，我们能做出超前的预报。

（二）地质雷达在公路路面检测中的应用
根据道路的施工要求一般情况下，检测的路面都是分层的，这就为探地雷达在检测路面的应用提供了条件。

不同的层对应不同的介电常数，当雷达的透射波透过第一层介质到达第二层，电磁波将发生反射。

根据雷达图像可以清楚地看到图直达波，面层与上基层界面之间的反射波，根据雷达图像亦可以清楚地看到存在缺陷的地方。

各个界面或缺陷位置的深度利用公式（V*Δt/2）即可求出，其中ν既可通过理论公式或宽角法计算确定，亦可通过孔取芯标定来确定，△t 直接从雷达时间剖面上依据同相轴的连续性判读。

（三）地质雷达在隧道初期支护质量检测中的应用
新奥法是目前我国隧道施工所采用的基本方法。

这种方法所修建的隧道，其喷锚初期支护作为主要受力结构，二次模筑混凝土衬砌主要作为安全储备和防水等用。

因此初期支护的喷射混凝土层厚度检测是十分重要的，但目前隧道衬砌检
测中，因喷层薄(仅5～20cm)，检测喷层厚度的不多，难度也很大。

地质雷达这一检测方法的推广应用正好解决了以上难题。

它采用高科技手段，以其高分辨率和高准确率，快速、连续且高效的无损检测方法很快得到人们的认可，人们在实际工程中的推广和应用，经过长期实践和不断发展，现已形成一套完整的检测系统[2]。

探地雷达在这方面的工作依据是：雷达的发射天线向隧道初期支护喷混凝土内发射高频宽带短脉冲电磁波，电磁波遇到具有不同介电特性的喷混凝土与围岩界面时有部分返回，接收天线接收反射波并记录反射波的旅行时间。

当发射和接收天线沿物体表面逐点同步移动时，就能得到其内部介质的剖面图像。

根据接收到波的旅行时间(双程走时)、幅度频率与波形变化资料，可以推断介质的内部结构以及目标体的深度、形状等特征参数。

（四)探地雷达在非金属管线探测中的应用
随着国民经济的迅猛发展，PE、PVC、混凝土等非金属管线在市政建设中越来越多的得到应用。

而非金属管线的探测也逐渐成为管线管理部门和工程单位的一大难题。

探地雷达的出现多少给管线探测带来了不少方便。

在城市地下管线普查中，与其它探测设备相比，探地雷达不仅能够探测金属管线，而且成为PE、PVC、混凝土等非金属管线探查的主要手段[3]。

探地雷达利用超高频短脉冲电磁波在介质中传播时其路径、电磁场强度与波形随通过介质的电性质和几何形态的不同而变化的特点，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料来判断管线的深度、位置和估算管线直径等。

当管线方向已知时，测线应垂直管线长轴。

探地雷达系统会自动把不同水平位置采集到的电磁波信号（每一信号亦称之为一道）从时间域转换成空间域，不同水平位置采集的道信号组合起来，最终得到雷达剖面图上的波形反应，其典型特征为黑、白相间的抛物线（不同雷达，变现形式有差异）。

雷达剖面图上抛物线顶点横向坐标值是管线中心轴线距测量起始点的水平距离，抛物线顶点竖向坐标值为管线上表面距测量表面的深度值。

（五）探地雷达在考古探查中的应用
对考古来讲，通常实地挖掘耗资昂贵，但是探底雷达技术通过提供关于地层，覆盖物位置和深度的异常数据来给这个尴尬的局面提供了一个合乎逻辑的答复。

探地雷达设备不贵，而且这项技术的成本在最近几年有所下降，这促使越来越多的考古学家开始利用这一不断发展的技术优势。

GPR中心频率大约500兆赫经常被用在考古学上，因为对于大部分的土壤类型，在分辨率和穿透力上这一频段的GPR通常能给出足够的权衡。

较高的频率可以在浅层检测并探测出更小的物体[4]。

较低的中心频率于其相反，尤其是在高损耗的土壤里。

通常情况下，埋在地下的文物或者空洞（如古墓，容器类器物）与周围的土
壤在材质方面是有很大区别的，这就给探地雷达的应用提供了条件，通常情况下，探地雷达能很好地显示地下介质不均匀体的埋藏参数。

三、探地雷达的发展展望
随着探地雷达应用范围的扩展，如今对探地雷达的要求将越来越高。

它要求探地雷达系统具有更高的分辨率，更大的穿透深度，能提供更丰富的地下信息。

关于分辨率和穿透深度，由于探地雷达的天线频率在分辨率和穿透深度两个方面互相矛盾，人们不能在发射频率上再做更大的文章。

如今能做的是研发一种方向性更强，频带更宽，发射率更高的天线。

此外，变频天线将是一种强大的天线，它不但具有改变中心频率的能力，而且可以发射较低频率的信号。

它可以利用各种频率扫描并进行综合分析，不但可以获得更丰富的地下信息，而且还使薄层的识别成为可能。

它避免了传统雷达系统常需配置多种工作频率的天线从而导致系统重量增加，操作复杂的弊端。

三维成像技术如今能带给我们对事物的直观认识。

如今三维探地雷达技术也得到了一定发展，国外已有一些公司研发出具有三维成像技术的雷达，但总体来说，三维探地雷达技术还有很大的发展空间。

这种探地雷达的技术是：以多道雷达系统为基础，以大量模型为核心，综合二维断面信息，最后形成底层三维图象[5]。

在数据处理方面，如今带通滤波、频率-波数滤波已发展得很成熟。

现在研究最广泛的当属反褶积及小波变换。

对反褶积来说，探地雷达记录可以看成是反射系数序列与地震子波的褶积，反褶积就是要消除这种褶积过程，从探地雷达记录得到反射系数序列。

一般说来，反褶积的目的是消除某种已知的或未知的褶积过程的运算。

利用小波变换的调焦功能和频域-时域双重局部性来压制噪声是雷达数据处理技术的一条新途径[6]。

研究表明，雷达信号小波算子法成像具有良好的地下界面准确定位功能，而且根据高频电磁波在有耗介质中的衰减特性，在精确校正电磁波振幅衰减和相位偏移的基础上，利用时变反褶积和小波去噪可以得到高分辨率的探地雷达图像。

参考文献
[1]王正成,谭巨刚,纪勇鹏,. 地质雷达在隧道超前预报中的应用[R] 2005.
[2]龚伦,仇文革,王飞.地质雷达在隧道初期支护质量检测中的应用[R] 2005.
[3]钱荣毅,王正成,孔祥春,. 探地雷达在非金属管线探测中的应用[R] 2005.
[4]Faize and A. Driouach, GPR Survey at the Archaeological Site of Almazamma, Al Hoceima (Mo
rocco)[D], International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), 2003 ,M. STOUTI.
1-2.
[5] Van Deen J K. de Feijter J W. Three-dimensional ground probing radar[A].In:Proc.Fourth Int Conf.
on Ground Penerating Radar[C] Finland:Rovanemi,1992,35-40.
[6]肖兵,周翔,汤井田.探地雷达技术及其应用和发展[J].IECE Transactions，1991，E74（2）：289-294.。