*探地雷達

*探地雷達

、*探地雷達簡介：探地雷達(Ground Penetrating Radar．GPR)是利用天線發(fā)射和接收高頻電磁波來探測介質(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(nèi)部結(jié)構(gòu)的種電磁波方法。 

由于探地雷達探測的高精度、高效率以及無損的特點，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、建筑結(jié)構(gòu)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)，但兩者的運動學(xué)特征*，遵循形式相似的波動方程，只是其中參數(shù)的物理意義不同。這種運動學(xué)特征的相似性使得探地雷達方法從數(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、*探地雷達原理

探地雷達多采用天線向探測目標發(fā)射高頻脈沖電磁波來進行探測。通常探測目標深度滿足于遠場條件，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上場矢量方向隨時間的變化特征。通?？煞譃榫€極化、圓極化和橢圓極化三種類型。波的極化是電磁波的個重要特性，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，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(shù)據(jù)處理方法

探地雷達數(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數(shù)據(jù)處理中得到了令人滿意的應(yīng)用。

四、*探地雷達系統(tǒng)

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

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

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

②小型化，通過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，可單人走動測量；

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、*探地雷達測量方式

高頻電磁波運動學(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(tǒng)的高頻雷達天線，發(fā)射和接收天線固定間距封裝在個盒子中，無法實施變偏移距的共中心點法(CMP)或透射法測量，只能采用剖面法測量。而另些類型的系統(tǒng)，特別是低頻雷達天線(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量。

六、*探地雷達剖面法

剖面法是較常用的探地雷達觀測方式，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、按定測量步距(測點距)沿測量剖面順序移動并采集數(shù)據(jù)，從而得到整個剖面上的雷達記錄。這是目前大多數(shù)雷達系統(tǒng)常用的觀測方式，只需要發(fā)射和接收兩個通道，系統(tǒng)設(shè)計相對簡單。剖面法的優(yōu)點是剖面成果不需要或只需進行簡單的處理就可用于解釋，能直觀得到測量成果，非常適合于急需快速提供測量結(jié)果的場合。

寬角法

寬角法有兩種工作方式：種方式是個天線在某點固定不動(不論發(fā)射或接收天線)；另天線按等間隔沿測線移動并采集數(shù)據(jù)，得到的記錄相當(dāng)于地震勘探中共炮點記錄(CSP)。另種方式是以地面某點為中心點，發(fā)射天線和接收天線對稱分置于中心點兩側(cè)，按定間隔沿測線向兩側(cè)順序移動并采集數(shù)據(jù)．得到的記錄類似于地震勘探中共中心點記錄(CMP)，當(dāng)?shù)叵陆缑嫠綍r類似于共深度點記錄(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，為時深轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)解釋提供資料。二是實現(xiàn)水平多次疊加，提高信噪比。采用這種測量方式沿剖面進行多點測量，與地震勘探類似，可以通過動、靜校正和水平疊加處理獲得高信噪比雷達資料，同時可以增加勘探深度。

透射波法

透射波法主要測量穿透過測量對象的直達波到達時間進而計算出雷達波速度，通過穿透過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)射和接收天線分立于測量對象的兩側(cè)。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(yù)先布置兩個井孔，類似于地震跨孔測量。透射波法也可采用層析成像的觀測方式工作，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?guī)模相對較小，二維剖面法很難使測線正好跨過探測對象，剖面異常的解釋也是問題。因此開展三維雷達勘探是考古地球物理應(yīng)用的趨勢和方向，些商用雷達系統(tǒng)從硬件設(shè)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(shè)計，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。對于目前只有個發(fā)射天線和個接收天線的雷達系統(tǒng)．這種偽三維設(shè)計也是種不錯的替代。隨著電子技術(shù)發(fā)展，多通道儀器設(shè)備出現(xiàn)將會帶來三維雷達勘探技術(shù)的革命。

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

七、*探地雷達技術(shù)參數(shù)：