物探中的一只眼——探地雷达

物探中的一只眼——探地雷达

生活在高科技时代，我们对雷达这一名词早已不陌生了，那么是否大家知道什么叫做探地雷达？它又是如何在地球物理中发挥作用的呢？别着急，接下来给大家一一介绍。

美国林肯实验室研制定位探地雷达

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什么是探地雷达？

探地雷达（GroundPenetratingRadar简称GPR）又称地质雷达，透地雷达，是用频率介于106~109Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种方法。

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探地雷达的工作原理是什么？

探地雷达的使用方法和原理是通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。

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探地雷达可以用来干什么？

探地雷达可用于检测各种材料，如岩石、泥土、砾石，以及人造材料如混凝土、砖、沥青等的组成。雷达可确定金属或非金属管道、下水道、缆线、缆线管道、孔洞、基础层、混凝土中的钢筋及其它地下埋件的位置。它还可检测不同岩层的深度和厚度，并常用于地面作业开工前对地面作一个广泛的调查。

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探地雷达是怎么发展起来的？

1910年，德国的G.letmbach和H.lowy首次提出了利用探地雷达技术来探测地下目标体的概念和理论；1926年，Hulsenbech首次提出了应用脉冲技术来确定地下结构；1970年，Harison前往南极进行冰层探测，取得了1200m深度的资料；1974年，UnterbergerR.R对盐层进行了探测；探地雷达早期只应用于低电导率介质中。

70年代以来，随着计算机技术的高速发展，很多国家开始研究早期探地雷达仪器，如美国GSSI公司的SIR系列、日本OYO公司的YLRZ系列，使得浅层目标体探测得以实现，目前国际上广泛使用的仪器有美国地球物理勘探设备公司的SIR系列、日本应用地质株式会社的GeoRadar系列、加拿大探头及软件公司的PluseEKKO系列和瑞典地质公司的RAMAC/GPR钻孔雷达系统等，这些仪器中心频率大概在10~1000MHz左右，探测深度从几米到五十几米，可应用于地面、钻孔和航空。

国内探地雷达技术和理论发展得比国外要晚，但是也有很多高校和研究机构都陆陆续续推出了自己的试验性雷达仪器，理论和应用也得到了不断发展并且日趋成熟，探地雷达的应用在工程物探等方面也作出了较大贡献。

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探地雷达有哪些优点？

1、高效率：野外操作方便简单，轻巧易携带，采样高效，可快速移动天线；

2、无损勘探：探地雷达可以在不损坏地表的情况下利用电磁波进行勘探，适合在城市和工程中应用；

3、精度高：探地雷达的中心频率可以达到几千兆赫兹，探测分辨率可以达到几厘米，可以很精确的确定目标体产状、结构和埋深；

4、抗干扰能力强：可以实现定向对地面进行发射，能较强地屏蔽地表电磁干扰，能适应很多恶劣的工作环境；

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探地雷达仪器有哪些部分组成？

探地雷达系统主要由主机（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、里程计等）、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（包括起止时间、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。

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探地雷达有哪些测量方式？

1.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。

2.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。

3.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。

4.三维测量方式

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。

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。

参考文献：

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