本文關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)在工程物探中的應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

采集、處理及資料解釋。

４．影響雷達(dá)探測精度的因素。本章研究的主要內(nèi)容有：頻率、外界干擾及能量衰減對雷達(dá)探測精度的影響。

５．探地雷達(dá)在工程物探中的應(yīng)用研究。本章研究的主要內(nèi)容有：探地雷達(dá)在公路及隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究。

１．３論文的主要成果

系統(tǒng)分析了地質(zhì)雷達(dá)在公路面層測厚及隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用，總結(jié)了各種情況下的地質(zhì)雷達(dá)圖像并分析了其中的差異及生成此圖像的機(jī)理。此對以后的工作有重要的指導(dǎo)意義。２

第２章探地雷達(dá)系統(tǒng)與電磁波理論

第２章探地雷達(dá)系統(tǒng)與電磁波理論

２．１探地雷達(dá)系統(tǒng)概述

２．１．１探地雷達(dá)概念

探地雷達(dá)ＧＰＲ（ＧｒｏｕｎｄＰｅｎｅｔｒａｔｉｎｇＲａｄａｒ），亦稱地質(zhì)雷達(dá)，有時又稱為表層穿透雷達(dá)（ｓｕｒｆａｃｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｒａｄａｒ，ＳＰＲ）和表層下雷達(dá)（ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｒａｄａｒ，ＳＳＲ）。此方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜（１朋Ⅳ，一１鯽，）電磁技術(shù)。它利用一個天線發(fā)射高頻電磁波，另一個天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射回波。當(dāng)ＧＰＲ方法采用自激自收的天線和地層傾角不大時，反射波的全部路徑幾乎是垂直地面的，因為電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度和波形隨所通過的介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，，所以根據(jù)接收到的波的旅行時間、幅度與波形資料，可以推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

探地雷達(dá)是近幾十年發(fā)展起來的對地下目標(biāo)有效探測的一種手段。與電阻率法、低頻電磁感應(yīng)法及地震法等常規(guī)的地下探測方法相比，探地雷達(dá)具有探測速度快、探測過程連續(xù)、分辨率高、操作方便靈活、探測費用低、探測范圍廣（能探測金屬和非金屬）等優(yōu)越性。因此，近年來探地雷達(dá)一直是國際學(xué)術(shù)界的熱點之一。探地雷達(dá)目前在國防、公安、城市建設(shè)、公路、鐵路、機(jī)場、水利、運輸、礦山、隧道、考古等許多領(lǐng)域都表現(xiàn)出強勁的生命力和廣闊的應(yīng)用前景，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有十分重要的意義。

在探地雷達(dá)的發(fā)展史上，曾出現(xiàn)過多種體制的探地雷達(dá)，主要有調(diào)頻連續(xù)波、脈沖展寬一壓縮技術(shù)、連續(xù)波發(fā)射技術(shù)、極化調(diào)制、幅度調(diào)制等。其中探地雷達(dá)系統(tǒng)采用的幅度調(diào)制方式通常有兩種，一種是脈沖調(diào)制雷達(dá)，另一種是沖擊脈沖雷達(dá)，也稱無載頻脈沖探地雷達(dá)，沖擊脈沖體制由于在分辨率和穿透深度等方面的優(yōu)勢，使它更具有通用性，國外形成商品的探地雷達(dá)大多采用這種體制。２．１．２探地雷達(dá)研究的發(fā)展史

２．１．２．１國外發(fā)展概況

早在１９０４年，德國的Ｈｕｌｓｍｅｙｅｒ就采用電磁波探測地下的金屬物體；但是直到１９１０年，Ｌｅｔｍｂａｃｋ和Ｌｏｗｙ在一項德國專利中正式提出了探地雷達(dá)這一概念，利用電磁波對埋藏物體進(jìn)行定位的第一次描述。Ｈｕｌｓｅｎｂｅｃｈ在１９２６年第一

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個提出了應(yīng)用脈沖技術(shù)確定地下結(jié)構(gòu)的思路，在１９２６年Ｈｕｌｓｅｎｂｅｃｈ第一次使用脈沖技術(shù)探測埋藏介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，他發(fā)現(xiàn)任何電介質(zhì)的變化都會產(chǎn)生反射，從而可以對埋藏目標(biāo)進(jìn)行探測。Ｓｔｅｅｎｓｏｎ（１９５１年）和Ｅｖａｎｓ（１９６３年）利用沖激探地雷達(dá)實現(xiàn)對冰層厚度的探測；但是由于地下介質(zhì)比空氣具有較強的電磁衰減特性，加之地質(zhì)情況的多樣性，電磁波在地下的傳播要比空氣中復(fù)雜的多。因此在探地雷達(dá)的初期，應(yīng)用僅限于對電磁波吸收較弱的冰層、鹽層等介質(zhì)中。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，從上個世紀(jì)七十年代美國登陸研究的時候開始，探地雷達(dá)就一直是一個重要的研究課題；因為探地雷達(dá)相對于地震測量的爆破技術(shù)，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙感和測量，不需要和地面接觸就可以對地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘察。ＧＰＲ技術(shù)在７０年代后開始應(yīng)用于實際，逐漸從冰層、鹽礦等弱損耗介質(zhì)擴(kuò)展到土層、煤層、巖層等有耗介質(zhì)中。Ｍｏｒｅｙ（１９７４年）實現(xiàn)對水的剖面成像，并探討了探地雷達(dá)在民用工程中的應(yīng)用；ＣＯｏｋ（１９７４年）和Ｕｎｔｅｒｂｅｒｇｅｒ（１９７８年）利用探地雷達(dá)實現(xiàn)對鹽層的測量；Ｋａｄａｂａ（１９７６年）利用沖激探地雷達(dá)實現(xiàn)對煤層厚度的測量；Ｍｃｃａｎｎ（１９８８年）給出了在地質(zhì)勘察中地震法和探地雷達(dá)法的對比。

在２０世紀(jì)８０年代，ＧＰＲ被廣泛用于測量煤層的厚度，檢測管道和電纜；而且一些軍事應(yīng)用包括隧道檢測和非金屬地雷的檢測等也被提出；如：Ｃｏｏｎ，Ｆｏｗｌｅｒ（１９８０）：Ｒｏｅ和Ｗｉｔｔｍａｎｎ（１９８２）；Ｐｉｔｔｍａｎ等（１９８４年）；Ｃａｌｄｅｃｏｔｔ等（１９８８）；１ｉｚｕｋａ和Ｆｒｅｕｎｄｏｒｆｅｒ（１９８３）等。

進(jìn)入２０世紀(jì)９０年代以后直到現(xiàn)在，ＧＰＲ的應(yīng)用已經(jīng)拓展到各行各業(yè)，從而促進(jìn)了ＧＰＲ技術(shù)的全面發(fā)展。世界各國均加大對ＧＰＲ研究的力度，比如：美國、英國、加拿大、荷蘭、俄羅斯、丹麥、澳大利亞、法國、德國、比利時、意大利、瑞典、日本、挪威、南非等。而且出現(xiàn)很多探地雷達(dá)研究機(jī)構(gòu)，比如：荷蘭的應(yīng)用科學(xué)研究組織和代爾夫大學(xué)，法國一德國的Ｓａｉｎｔ—Ｌｏｕｉｓ研究所（ＩＳＬ），英國的ＤＥＲＡ，瑞典的ＦｏＡ，挪威科技大學(xué)和地質(zhì)研究所，比利時Ｉ姒，南非的開普敦大學(xué)，美國的林肯實驗室和ＬａＷｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅ國家實驗室等，澳大利亞昆士蘭大學(xué)，以及日本的一些研究機(jī)構(gòu)等等。

２．１．２．２國內(nèi)發(fā)展概況

國內(nèi)探地雷達(dá)研制工作起步較晚，基本上是在國外探地雷達(dá)產(chǎn)品出現(xiàn)后開始的。大致分為兩個階段：上世紀(jì)７０年代初期，地質(zhì)礦產(chǎn)部物探研究所、煤炭部煤炭科學(xué)院重慶分院以及一些高等院校和其它一些部門均做過探地雷達(dá)儀器研制和野外實驗工作。當(dāng)時使用的是同點天線，以高頻示波器顯示回波，直接讀取初值后照相記錄波形。但是由于種種原因，這一技術(shù)未能用于實際。

上世紀(jì)９０年代以后，國家地震局、水電勘察設(shè)計院、煤炭部門、鐵道部門４

第２章探地雷達(dá)系統(tǒng)與電磁波理論

以及中國地質(zhì)大學(xué)相繼引進(jìn)了外國的儀器，探地雷達(dá)的應(yīng)用和理論工作也正日益擴(kuò)大。根據(jù)相關(guān)報道�？梢粤私獾絿鴥�(nèi)不少高校和科研單位開展過地下目標(biāo)探測方面的工作，其中電子科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、二十二所、五十所、長春物理所、北京遙感設(shè)備研究所、西南交通大學(xué)等單位先后研制過探地雷達(dá)實驗系統(tǒng)，并在其中某些技術(shù)上取得一些成果。目前國內(nèi)比較成功的是中國科技集團(tuán)公司第二十二研究所，他們研制了ＬＴＤ系列探地雷達(dá)以及ＩＤＳＰ系列探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件。

２．１．２．３探地雷達(dá)儀器

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代的探地雷達(dá)設(shè)備早已由龐大、笨重的結(jié)構(gòu)改進(jìn)為現(xiàn)場使用的輕便工具。目前，已推出的商用探地雷達(dá)有：中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所的ＬＴＤ系列，美國地球物理測量系統(tǒng)公司（ＧＳＳＩ）的ＳＩＲ系列，加拿大探頭及軟件公司（ＳＳＩ）的ｐｕｌｓｅＥＫＫＯ系列，日本ＫＯＤＥＮ公司的ＫＳＤ一２１等。這些商用雷達(dá)所使用的中心頻率在１０—５０００姍ｚ范圍，時窗在０—２０００ｎｓ。據(jù)報道，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，探測深度約在３０—５０米，分辨率可達(dá)數(shù)厘米。

在以上介紹的國外探地雷達(dá)產(chǎn)品中，以ＧＳＳＩ公司的ＳＩＲ系列為代表，ＳＩＲ一２０、ＳＩＲ一３０００是美國ＧＳＳＩ公司探地雷達(dá)的最新產(chǎn)品，集成了數(shù)據(jù)采集和處理，能夠即時的得到處理的結(jié)果，并支持３Ｄ模式，ＲＡＤＡＮ系列軟件為該公司開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件。

我國的探地雷達(dá)在短短的幾年中在不同的地域和領(lǐng)域中分別進(jìn)行了ＧＰＲ的應(yīng)用和研究工作，取得了許多成就，不少科研單位也相繼推出了自己的探地雷達(dá)樣機(jī)。代表產(chǎn)品是中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所的ＬＴＤ系列，ＬＴＤ是其最新產(chǎn)品。２０００

２．１．３探地雷達(dá)的特點和優(yōu)勢

２．１．３．１探地雷達(dá)與其它探測方法比較

目前，對于埋藏體的探測至今沒有任何一種單一的方法能夠提供準(zhǔn)確的答案。不同的探測方法有各自的特點和優(yōu)勢：

１）探地雷達(dá)：由于高頻電磁波在介質(zhì)中的高衰減性，使得探地雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域受到一定的限制。但是在相對高阻的環(huán)境下，探地雷達(dá)具有較理想的應(yīng)用效果。

２）地震勘探：淺層地震勘探與ＧＰＲ相比有很多相似之處，然而，地震勘探潛在的缺陷限制了其在土木工程及航空、衛(wèi)星和高速測量領(lǐng)域的發(fā)展。

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３）時域ＴＥＭ：由于受到勘探深度的限制，在最小勘探深度之上僅能反映覆蓋層的綜合電導(dǎo)，而最小勘探深度范圍值在１０—１００ｍ，ＴＥＭ儀器通常不能用于對５ｍ之內(nèi)的地層進(jìn)行詳查。

４）電阻率法：對地層橫向變化成圖具有很好的效果，但是縱向分辨率不高。２．１．３．２探地雷達(dá)的特點和優(yōu)勢

ＧＰＲ作為一種具有特殊吸引力的方法，不僅本身是多門學(xué)科的綜合（如有耗介質(zhì)中電磁波的傳播理論、寬頻帶天線技術(shù)、雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)字信號處理等），而且，ＧＰＲ的下列技術(shù)特性為其開拓了應(yīng)用領(lǐng)域，特別為其在工程地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路。

１）高分辨率：工作頻率可達(dá)５０００姍ｚ，分辨可達(dá)幾厘米，再加上利用高性能的計算機(jī)分析處理取得的數(shù)據(jù)資料，使得物探電磁波反射信號準(zhǔn)確無誤的顯示，由此確定目的體的尺寸，幾何特性及物理特征。

２）無損性：ＧＰＲ是一種新興的不用打鉆可以探測淺部地下環(huán)境特征的探測方法，可以安全的應(yīng)用在城市和正在建設(shè)中的施工現(xiàn)場。

３）高效性：探地雷達(dá)儀器輕便，從數(shù)據(jù)采集到處理成像一體化，操作簡單，采樣迅速，工作人員少，效率高。

４）抗干擾能力強：它可以在各種環(huán)境下正常工作。

實際野外觀測表明，對于地下４０ｍ以內(nèi)的淺層區(qū)域成像時，ＧＰＲ是一種低成本、使用潛力大的地球物理成像方法。

２．１．４探地雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域

探地雷達(dá)是一種對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有十分重要意義的探測手段，越來越表現(xiàn)出強勁的生命力和廣闊的應(yīng)用前景，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：

１）軍事部門：構(gòu)筑工事前的地質(zhì)勘察和地下工事、地下未爆彈藥和埋藏軍械的查找（例如地下管道、電纜線等），目前針對淺地層探地雷達(dá)的研究主要是針對探測地雷的。以前人們反地雷都是用金屬探測器，由于地雷中的金屬成份越來越少，以及金屬探測器的虛警概率很高，探地雷達(dá)逐步成為有希望的強有力的反雷工具之一。目前探地雷達(dá)的研究熱點之一就是對非金屬地雷的探測：

２）交通部門：公路建設(shè)的全過程：在公路的勘查設(shè)計階段，ＧＰＲ用于勘查路線，包括工程地質(zhì)情況，如劃分地層，探測基面、斷層及滑坡等：水文地質(zhì)情況，如劃分潛水面和圈定賦水地段的范圍。在公路的施工階段，用ＧＰＲ檢測路基和基層的厚度和壓實度，隧道工程中可能遇到的斷層、溶洞及其它障礙物的超前探測等；在公路的完工和試運行階段，可用于檢測路基的厚度、含水量和壓實度等狀況：６

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