探地雷達

探地雷達(Ground Penetrating Radar．GPR)是利用天線發射和接收高頻電磁波來探測介質內部物質特性和分佈規律的一種地球物理方法。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)、地質雷達(Geo Radar)、脈衝雷達(Impulse Radar)、表面穿透雷達(Surface Penetrating Radar)等，都是指面向地質勘探目標、利用高頻脈衝電磁探測地質目標內部結構的一種電磁波方法。

由於探地雷達探測的高精度、高效率以及無損的特點，目前主要被用於考古、礦產勘查、災害地質調查、岩土工程勘察、工程質量檢測、建築結構檢測以及軍事目標探測等眾多領域。

探地雷達的工作頻率範圍介於1M～1GHz之間，在地下介質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一樣(電磁波和彈性波)，但兩者的運動學特徵一致，遵循形式相似的波動方程，只是其中參數的物理意義不同。這種運動學特徵的相似性使得探地雷達方法從數據採集、數據處理(包括處理軟體)到數據解釋都可借鑒地震勘探的方法技術成果。近年來隨著電磁波理論研究的深入，一些電磁特性如極化特性等得到更深入的研究．並在雷達設備、採集技術和數據處理方法等方面得到開發和應用。

探地雷達多採用天線向探測目標發射高頻脈衝電磁波來進行探測。通常探測目標深度滿足於遠場條件，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徵。通常可分為線極化、圓極化和橢圓極化三種類型。波的極化是電磁波的一個重要特性，不同極化方式的波有著不同的工程應用。當地下介質存在各向異性時，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物性相關的信息。

探地雷達數據的處理方法類似於地震數據的處理方法。比較普遍和傳統的方法一般是去除零漂、增益處理、帶通濾波、道均衡等。再深人可以採用二維濾波、偏移歸位、反褶積等方法進行處理。隨著小波技術和神經網路等方法的發展．這此方法也在探地雷達數據處理中得到了令人滿意的應用。

探地雷達主要由主機(主控單元)、發射機、發射天線、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。發射和接收天線成對出現，用於向地下發射和接收來自地下反射的雷達波。主機是一個採集系統，用於向發射機發送發射和接收控制命令(包括起止時問、發射頻率、重複次數等參數)。發射機根據主機命令向地下發射雷達波．而接收機根據控制命令開始數據採集。經過採樣和A/D轉換，接收的反射信號轉換成數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的日益成熟．出現了越來越多的探地雷達系統。國際上影響較大的商用雷達系統有美國GSSI(地球物理測量系統公司)的SIR系列、加拿大SSI(Sensor and Software公司)的pulseEKKO系列和瑞典Mala公司的RAMAC系列。其他公司的產品如GDE、Penetradar、Rockradar、ERA Technology、NTT、JRC、EMRAD，以及國內LT—1、CBS—9000系列探地雷達系統也各有特色。從發展趨勢來看，探地雷達儀器系統將具有以下特點：

①功能專業化，為滿足某種單一探測對象或特殊探測目標而設汁，解決某一方面具體問題。如專用公路路面檢測雷達、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晶元(DSP)以及液晶顯示面板使得儀器體積和重量大大降低，便於攜帶和野外施工。如GSSI公司SIR—3000系列、SSI公司的Noggin系列，主控採集單元已非常輕便，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和應用，實現三維數據採集、提供更豐富的地下信息。

高頻電磁波運動學特徵與彈性波類似．因而地震勘探的數據採集方式也被借鑒用於探地雷達的野外採集工作中．包括反射、折射和透射波法。折射波法目前用得較少，這裡只介紹常用反射和透射波法幾種測量方式。某些雷達系統的高頻雷達天線，發射和接收天線固定間距封裝在一個盒子中，無法實施變偏移距的共中心點法(CMP)或透射法測量，只能採用剖面法測量。而另一些類型的系統，特別是低頻雷達天線(50、100、200MHz)，多採用分立板狀天線，可靈活採用變偏移距或透射測量。

剖面法是最常用的探地雷達觀測方式，類似於地震勘探中共偏移採集方式，即發射天線和接收天線以同定天線間距、按一定測量步距(測點距)沿測量剖面順序移動並採集數據，從而得到整個剖面上的雷達記錄。這是目前大多數雷達系統常用的觀測方式，只需要發射和接收兩個通道，系統設計相對簡單。剖面法的優點是剖面成果不需要或只需進行簡單的處理就可用於解釋，能直觀得到測量成果，非常適合於急需快速提供測量結果的場合。

寬角法有兩種工作方式：一種方式是一個天線在某點固定不動(不論發射或接收天線)；另一天線按等間隔沿測線移動並採集數據，得到的記錄相當於地震勘探中共炮點記錄(CSP)。另一種方式是以地面某點為中心點，發射天線和接收天線對稱分置於中心點兩側，按一定間隔沿測線向兩側順序移動並採集數據．得到的記錄類似於地震勘探中共中心點記錄(CMP)，當地下界面水平時類似於共深度點記錄(CDP)。

採用寬角法測量的目的：一是求取地下介質的雷達波速度，為時深轉換和數據解釋提供資料。二是實現水平多次疊加，提高信噪比。採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量。因此透射波法要求發射和接收天線分立於測量對象的兩側。由於只解釋和計算最早到達的直達波，波形識別和計算相對簡單。透射波法主要用於工程中牆體、柱體、橋墩、樁的質量檢測以及井中雷達測量。井中雷達測量需要預先布置兩個井孔，類似於地震跨孔測量。透射波法也可採用層析成像的觀測方式工作，從而獲得更精細的孔間介質速度成像。

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、範圍等信息已不能滿足業界對探測目標延伸走向、空間變化等詳細信息的要求。考古目標的規模相對較小，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用的趨勢和方向，一些商用雷達系統從硬體設備到處理軟體都能夠支持三維雷達勘探。

目前探地雷達三維勘探是一種偽三維勘探設計，即採用多條二維剖面組合形成面積性三維數據體，再通過軟體處理和顯示。對於目前只有一個發射天線和一個接收天線的雷達系統．這種偽三維設計也是一種不錯的替代。隨著電子技術發展，多通道儀器設備出現將會帶來三維雷達勘探技術的革命。

從效率上講，剖面法點測的低效率也制約著三維雷達的應用，一些公司如SSI公司採用SMARTCART(小推車)配備里程計或GPS定位系統，這樣可實現快速移動採集．大大提高三維數據採集效率。