地質雷達采樣頻率怎麼定

1. 探地雷達法

探地雷達法(GPR)，是利用一個天線發射高頻寬頻(1MHz～1GHz)電磁波，另一個天線接收來自地下介質界面的反射波而進行地下介質結構探測的一種電磁法。由於它是從地面向地下發射電磁波來實現探測的，故稱探地雷達。有時亦將其稱作地質雷達。它是近年來在環境、工程探測中發展最快、應用最廣的一種地球物理方法(王惠濂，1996；李大心，1994)。

該方法適用於石灰岩地區採石場的探測；淡水和沙漠地區的探測；工程地質探測；煤礦井探測；泥炭調查；放射性廢棄物處理調查以及地面和鑽孔雷達用於地質構造填圖、水文地質調查、地基和道路下空洞及裂縫調查、埋設物探測、水壩、隧道、堤岸、古墓遺跡探查等。

目前，我國很多單位使用的是從加拿大引進的探地雷達設備。

下列技術特性為探地雷達應用領域的迅速擴展鋪平了道路：①探地雷達是一種非破壞性的地球物理探測技術，可以安全地用於城市和正在建設中的工程現場，對於輕便類的雷達設備，工作場地條件可任意，適應性和抗磁干擾強，可在城市中各種雜訊環境下工作，環境干擾影響小；②具有工程地質勘測方面較滿意的探測深度和解析度，一些設備還能現場提供帶有二維坐標的實時剖面記錄和圖件顯示，圖像清晰直觀；③輕便類儀器系全數字化現場原始數據採集記錄，以通用便攜微機全部控制數字採集、記尋、存儲、處理、顯示和成圖。全電池供電、電耗低。輕便型儀器可自動控制操作，現場僅需1～2人即可工作，工作效率高。當然，由於使用了較高的工作頻率，電磁波能量在地下的衰減加劇，因而在高導、厚覆蓋條件下，探測深度受到限制。與其他物探方法一樣，探地雷達圖像的正確判讀和解釋，始終是探地雷達工作者的一項較重要和復雜的工作。

(一)方法特點

探地雷達法的發射天線與接收天線之間距離很小，甚至可合二為一。當地層傾角不大時，反射波的全部路徑幾乎是垂直地面的。因此，在測線不同位置上法線反射時間的變化就反映了地下地層的構造形態。

探地雷達工作頻率很高，在地下介質中以位移電流為主，並且在ƒ=10⁶～10⁹Hz的頻率段內電磁波傳播實質上很小頻散，可以認為介電常數與頻率無關，傳播速度基本上由介質的介電性質決定。電磁波傳播理論與彈性波的傳播理論有許多類似之處，二者遵循同一形式的波動方程，只是波動方程中變數代表的物理意義不同。雷達波與地震波在運動學上的相似性，可以在資料處理中加以利用。當探地雷達記錄與地震記錄採用相同測量裝置時，在地震資料處理中已經廣泛使用的許多技術，可直接用於探地雷達資料處理。

類似於探空雷達，探地雷達也是利用高頻電磁波束的反射探測目標體。探空雷達發射的高頻電磁波是在無耗介質中傳播，探測距離大；而探地雷達發射的高頻電磁波是在有耗介質中傳播，探測距離受到很大限制。探空雷達探測的目標體一般為金屬物體，目標回波能量大；而探地雷達探測的目標體通常為非金屬物體，與周圍介質差異小，因而目標回波能量小。探空雷達捕捉的是空中高速移動物體，要求能對目標快速跟蹤；探地雷達探測的是地下埋藏的目標體，不需要快速跟蹤技術。探地與探空雷達的上述差異，形成了探地雷達獨特的發射波形與天線設計特點。

1.發射波形調制方式

探地雷達發射波形調制方式主要有調幅波(AM)、調頻連續波(FMCW)、連續波(CW)、脈沖擴展/壓縮波(PEC)。調幅波是脈沖調制載波，載波頻率約幾十兆赫，根據脈沖回波走時，確定目標體深度。其優點是輸出信號能實時顯示，設備可做成攜帶型；缺點是發射波形狀很難控制，對時標的線性要求高。調頻連續波用於探測埋深小於2m、要求測厚精度解析度高的目標體。發射信號根據預先設置的頻率間隔連續掃描。接收信號與發射信號的差頻與目標體深度有關。其優點是解析度高，信噪比高；缺點是儀器體積大，費用高。連續波使用一個或幾個單頻連續波，在一系列發射與接收位置上進行測量，應用全息圖像處理識別目標體。其優點是對天線的頻帶寬度要求低，也不需要高速采樣；缺點是吸收太高時，有效性減小。脈沖擴展/壓縮波使用線性調頻脈沖波，具有短脈沖同樣的頻譜，但相位經過修正，因而在時間上得以擴展。接收信號通過相位匹配可把線性調頻脈沖壓縮成短脈沖。由於能產生圓極化輻射，特別適宜於方向未知的細長目標體的探測，但無法進行實時監測。

2.天線設計

探地雷達天線設計強調天線的脈沖響應，頻帶寬，還要考慮接收-發射天線之間的互耦合以及介質電性與幾何形狀對天線的影響。所以天線必須具有寬頻帶與線性相位響應。

成功應用於探地雷達的天線有四種：振子天線(element atennas)、行波天線(travellingwave atennas)、頻率獨立天線(frequency-independent atennas)、開孔天線(aperture atennas)。

1)振子天線的特點是低方向性、線性極化和有效帶寬，並可用載入方法使頻帶變寬，但隨之使天線的發射效率降低。優點是體積小，可在場地狹窄條件下使用；輻射特徵很容易分析，從而使設計依據充分。

2)行波天線的場強和電流可用一個以上行波表示。在端頭點火的V形天線，稱作喇叭形天線，具有線性相位特徵，短脈沖響應，已在許多探地雷達中應用。

3)頻率獨立天線的形狀完全由螺旋角來決定，其性能與頻率無關。平板對數螺旋天線與雙臂阿基米德螺旋線天線就是這種設計的典型，一般來說，這類天線採用自我阻抗補償，脈沖的頻率響應寬，但相位響應是非線性的，高解析度寬頻雷達系統使用這種天線時，需作相位矯正。

4)開孔天線中最常見的一種為喇叭形天線，它主要用於短距離高解析度的調頻連續波探地雷達。其特點是體積小，天線帶寬可達0.2～2.0 GHz。

(二)探地雷達法的基本原理

探地雷達利用以寬頻短脈沖(脈沖寬為數納秒以至更小)形式的高頻電磁波(主頻十數兆赫至數百以至千兆赫)，通過天線(T)由地面送入地下，經地層或目標體反射後返回地面，然後用另一天線(R)進行接收(圖4-108)。脈沖波旅行時為

普通物探

式中：z為反射波的深度(m)；x為發射天線與接收天線間距離(m)。

圖4-108 反射雷達探測原理

圖4-109 雷達剖面記錄示意圖

當地下介質中的波速 υ(m/ns)為已知時，可根據精確測得的走時t(單位為ns，1ns=10^-9s)，由上式求出反射物的深度z。

波的雙程走時由反射脈沖相對於發射脈沖的延時進行測定。反射脈沖波形由重復間隔發射(重復率20～100kHz)的電路，按采樣定律等間隔採集，疊加後獲得。考慮到高頻波的隨機干擾性質，由地下返回的反射脈沖系列均經過多次疊加(疊加次數從幾十至數千)。這樣，若地面的發射和接收天線沿探測線以等間隔移動時，即可在縱坐標為雙程走時t(ns)、橫坐標為距離x(m)的探地雷達屏幕上繪描出僅僅由反射體的深度所決定的「時-距」波形道的軌跡圖(圖4-109)。與此同時，探地雷達儀即以數字形式記下每一道波形的數據，它們經過數字處理之後，即由儀器繪描成圖或列印輸出。

(三)方法技術

反射脈沖波形明顯程度，是探地雷達圖像地質解釋的重要依據。它決定於發射脈沖波的能量、波在地質界面上的反射特性以及波在地下介質中行進時的衰減條件。發射脈沖的幅度，一般在100～200V或更大范圍，它受高頻窄脈沖電路的限制，反射特性決定於物性界面的波阻抗差別，並以反射系數作描述。對於平面波，反射系數：

普通物探

式中：Z為法向阻抗，由介質的復介電常數、磁導率和入射角(不同極化波具有不同的三角函數形式)決定，下角標指示出波所在介質。可以看出，由於介質具有導電性，反射系數呈復數形式。對於非平面波，此值將在幾何光學條件下仍起主導作用。若考慮位移電流為主，則

普通物探

ε_r為相對介電常數。這樣，對於土壤與花崗岩的交界面，反射系數模值∣R∣≈0.3333(二者的ε_r分別設為20和5)，即反射能量為入射的33.33%；濕灰岩與濕花崗岩(ε_r各為8，7)接觸，則為3.34%。可見介電常數對反射系數的影響十分重要，而含水性則與ε_r值密切相關。

波在有耗介質中的衰減是由於傳導電流的熱損耗和介質極化過程中的附加損耗。除了這些本質原因外，還有波的空間發散損耗和散射損耗。若僅考慮前一原因，以吸收系數α表徵的波衰減特性與介質的理論關系為

普通物探

式中：μ、ε和σ分別為介質的磁導率(=μ₀·μ_r，μ₀=4×10^-7N/A²)、介電常數(=ε₀·ε_r，

F/m)和電導率，ω=2πƒ，為角頻率。對於低導介質：

普通物探

它正比於σ，且與ε_r呈根號反比關系。在一般介質中，α還與ƒ有關，大致是隨ƒ升高而加大。波速(相速)的確定，使探地雷達的雙程時間可轉換為深度。速度：

υ=λ ƒ=ω/β (4-54)

而角波數k的虛部：

普通物探

稱為相位系數。對於低導介質：

普通物探

於是

普通物探

普通物探

式中：ƒ′為以兆赫計的頻率。這樣，空氣、水和灰岩(ε_r分別為1、81、9)三種介質中，對100mHz的頻率，波長分別為3m、0.33m和1m，而υ則分別為0.3m/ns、0.033m/ns和0.1m/ns。

以上表明，角波數(波傳播常數)k(=α+iβ)在探地雷達波傳播中具有十分重要的作用。

可以用雷達方程來綜述波信號在地下介質中的傳遞過程(圖4-110)：

普通物探

式中：P_S為源輸入功率，它與天線效率ξ_T的乘積即為天線發射功率。天線具有設計的方向性圖(圖4-111)，其在入射方向上的方向性增益若為G_T，則抵達目標體時的功率密度為P_S·ξ_T·G_T

，這里已經考慮了輻射功率的球面發散和介質的吸收。目標體的返回功率決定於其散射截面S、返回方向上的散射增益g以及波的發散和吸收。這部分能量抵達接收天線時的值，與其天線效率ξ_R方向性增益G_R及天線有效接收面積A_R(對於偶極天線，它等於λ²/4π)有關。可見，探地雷達儀信號接收的靈敏度在很大程度上決定於天線的性能，它以儀器的動態范圍P_S/P_R(或品質因子Q，對加拿大EKKOIV，此值為155 dB)表徵。儀器性能條件一定的情況下，信號的明顯程度決定於介質的性質。對於有限目標體，決定散射截面的「菲涅爾主值帶半徑」是目標體返回功率的一個重要參數，它可近似地寫為

圖4-110 雷達功率的傳遞過程

圖4-111 電偶極天線位於地表的方向性圖

普通物探

式中：d_F(=2r_F)為菲涅爾主值帶直徑，Z為深度。如果有限目標體的有效反射面直徑大於比值，則可以按幾何光學的反射方法加以處理，並認為探測是有效的。

綜上所述，天線是探地雷達的重要部件，它直接影響著探測質量。探地雷達天線一般採用分離形式，以便於適應現場的不同工作方式。理論上，作為發射或接收，兩天線的結構和性能是相同的。作為感測器，它的性能主要反映在能量空間分布特性、發射和接收效率問題和電路特性等諸方面。天線的傳播空間方向性圖是表徵發射(或接收)能量空間分布的一種特性圖。圖4-111說明了在電偶極天線密合於空氣大地交面上時，向地下及向空中後方的軸線垂直方向剖面上(即測線剖面)的能量分布。電導率和介電常數比空氣大的地下介質的電參數，使電磁波地下能量呈集中向下分布的形態。其最大能量出現在天線軸線兩邊的臨界角方向上(等於sin^-1n，n為折射率；在以位移電流為主的介質中等於

)，而後向發射卻呈極微弱的球狀分布。顯然，這種天線具有較優良的輻射性能。在與地面耦合較佳條件下，可以獲得較高的輻射效率，甚至毋需後向後屏蔽。天線的輻射功率是低於輸入功率的，理論上，天線應在諧振條件下工作，這就要求嚴密設計天線電路和考慮地下介質的耦合問題。電路設計還要充分考慮發射波形的探測特點，即寬頻、窄波、高峰值，少余振等要求，使子波呈陡沿、高分辨和單峰狀，使記錄圖像清晰。

探地雷達圖像由於呈時-距關系形式，因此，類似於地震記錄剖面，畫面的直觀性較強，波形圖面上同一反射脈沖起跳點所構成的「同相軸」可用來勾畫出反向界面。當然，對於有限幾何體的界面，只要返回的能量足夠，圖面的各道記錄上均可追蹤反射脈沖同相軸，這自然就歪曲了目標體的實際幾何形態。圖4-112為點狀反射體的理論計算圖像。圖上畫了六種不同介質波速度條件下的同相軸曲線，可以看出(公式4-49)，點狀體的異常呈雙曲線的一葉形態，其峰頂的橫向和縱向位置即為點體的地面位置和深度。介質速度越小，異常峰尖就越明顯；埋深越大、天線距越大，雙曲線就越平坦。類似於地震剖面，為達到直觀效果，必須對圖像進行偏移歸位校正。圖4-113給出了有限幾何體埋入水中後在水面上的實測圖像，它證實了計算的規律。由圖可見，在有限體的邊、角部位，常因繞射現象而使圖像復雜化。

圖4-112 點狀體雷達計算圖像

υ值：0.23，0.19，0.15，0.11，0.07，0.03m/ns

(a)天線距0m，埋深1m；(b)天線距1m，埋深1m；(c)埋深1m，埋深2m

圖4-113 埋入水中的充氣排球的雷達探測結果

球徑21cm，頂深0.85m，波速0.033m/ns

(四)應用實例

1.劃分花崗岩風化帶

圖4-114為長江三峽宜昌三斗坪壩區用探地雷達劃分花崗岩風化帶的一條實測剖面。它是用50mHz中心頻率脈沖於雨後的探測結果。根據波形特點，雷達圖可以清晰地分辨出表土以下全風化帶、強風化帶、弱風化帶之間的界面，甚至弱風化帶內的子界面以及與微風化帶的交界面也可識別，它們的位置與相對厚度均與鑽探結果吻合甚好。由於未進行高程校正，圖上見到的台階形界面系山坡或表台階陡坎的反映。

圖4-114 宜昌三斗坪長江北岸花崗岩風化帶探測

2.隧道探測

下面列舉廣西天生橋水電站引水隧洞內的雷達探測兩例來說明其效果。圖4-115為某隧洞內側壁方向縱深灰岩溶蝕情況的探測圖。灰岩的溶蝕帶因含水，對高頻電磁波吸收較強而不同於其他部位。圖上左側(0～10號測點)直至24m縱深仍有很強信號，說明，圖中10號測點以右的大部分地段出現的弱信號應與溶蝕吸收有關。在這一地段內，強信號的最深部位僅止於14m，顯然，整個地段均受溶蝕。以10～16號點溶蝕最甚，30～40號點次之，16～30號點最弱。這一現象大致與所觀察到的地質剖面一致(圖下方所附剖面)。10～16號點的溶蝕並不完全始於洞壁，2m以內的淺表仍有強信號，內部的溶蝕強於淺表，並有向兩側擴展之勢，不像地質觀察剖面所描述的那樣向壁外收斂。30～40號點，淺表溶蝕更弱且不均勻，其中35號點附近、8m縱深仍有強信號，表明該處的溶蝕現象應在更深部。同樣，整個這一段的溶蝕也是向深部及兩側擴展的。中部20號點附近雖有較深延的強信號，但與剖面左側部分顯然不同，說明該處應仍屬溶蝕帶。

圖4-115 廣西天生橋隧道內側壁溶蝕帶的探測

圖4-116 為另一隧洞內直徑為10.8m、剛爆破掘進的掌子面上測得的雷達剖面。圖上僅僅見到淺表處的強信號，而2m、3m以下縱深，幾乎沒有信號。根據工區灰岩的雷達探測規律，這一現象顯然不是介質強吸收的反映，而是前方沒有波的反射，淺表強信號實系爆破造成的不均勻松動帶所引起。由此推知，掘進方向前方無溶洞 裂斷等地質隱患存在。這一推斷為繼續掘進的結果所證實。

圖4-116 廣西天生橋掌子面的前方探測

3.公路路面厚度檢測

公路路面厚度檢測是公路無損檢測的主要內容之一。一般簡易路面厚10～20cm，高等級公路路面厚20～30cm，機場跑道路面厚40cm，這就要求公路路面厚度檢測有較高的垂向解析度。路面厚度檢測的誤差＜1cm，要求檢測方法確定厚度精度高。因此應用於公路路面厚度檢測的探地雷達必須具有高解析度與高計厚精度。

為了檢驗探地雷達對公路路面厚度的探測能力。中國地質大學應用美國SIR探地雷達系統在河北廊坊南門外公路3個已知水泥路面厚度(21.3～24.7cm)地段(農機公司、富友商店、福友糧油站)與中國地質大學圖書館前簡易路面(厚8cm)上進行了試測。為了能分辨這種路面厚度，選用500mHz天線與900mHz天線。用10～15ns時窗，每次掃描采樣點數為512個，采樣率Δt=0.0196～0.0292ns，滿足路面厚度分辨精度1cm對采樣率的要求。由於使用單天線測量，為獲得水泥的電磁波速度，須採用統計方法。由υ=2D/t，統計得900mHz下水泥路面的速度υ=0.120m/ns(相關系數0.996)，500mHz水泥路面的速度υ=0.126m/ns(相關系數0.889)。由上述速度分別計算各對照點的測量厚度與實際厚度列於表4-6。

表4-6 各對照點測量厚度與實際厚度對比表

小結

本章主要介紹了直流電阻率法的一些基本概念、基本原理、應用條件、應用范圍、曲線的定性分析、電法勘探的儀器設備、野外工作方法及應用實例。在已經建立起正常電場及異常電場的基礎上，通過異常電場與正常電場的對比，敘述了由於電性不均勻體引起電場畸變的原因，各類電法勘探、各種電極裝置的剖面異常曲線特徵與地質體及地質構造間的關系及影響電法勘探的干擾因素，及電法勘探的新方法、新技術。本章重點是各類電異常的解釋推斷及野外工作方法。

綜合上述內容，目的就是要使學生能看懂物探圖件，並能根據圖中的異常曲線特徵，學會初步的解釋方法。

復習思考題

1.何謂電阻率?寫出表達式及單位。

2.影響岩礦石電阻率的因素是什麼?

3.用哪些物理量來描述地下電流場?

4.如何選擇最佳電極距?

5.為什麼低阻體吸引電流，而高阻體排斥電流?

6.如何測定岩石電阻率?

7.何謂視電阻率?影響視電阻率的因素有哪些?

8.何謂電剖面法?

9.描述中間梯度法在直立高阻或低阻礦脈上的ρ_S曲線特徵。

10.說明聯合剖面法在直立高阻或低阻礦脈上的ρ_s曲線特徵。

11.試述山脊或山谷上聯合剖面ρ_S曲線特徵。

12.影響聯合剖面曲線的因素有哪些?

13.說明中梯、聯剖、四極剖面各適於解決什麼地質問題。

14.如何選擇剖面法的電極距?

15.地表局部不均勻對剖面法有何影響?

16.何謂電阻率測深?闡述其實質。

17.為什麼電測深視電阻率ρ_s曲線繪在雙對數坐標紙上?

18.如地下存在一個三層地電斷面且各層電阻率符合ρ₁＞ρ₂＜ρ₃時曲線有何特點?

19.影響電測深曲線的因素有哪些?

20.敘述應用電測深的有利條件，電測深都能解決哪些地質問題?

21.在金屬礦床上，充電法能解決什麼問題?

22.敘述電子導電型礦床上自然電場產生的原因和條件。

23.某工區ρ=500Ω·m，η=2%，應用聯合剖面裝置，供電電流I=1A，求以下極距時，ΔU₂的大小。

①AO=150m，MN=20m；②AO=300m，MN=20m；③AO=300m，MN=40m

24.何謂激發激化法?應用范圍?

25.在良導傾斜薄脈上聯合剖面裝置視激化率曲線及視電阻率曲線各有何特點?

26.在電阻率法測量中，通常應用對稱四極剖面法追索古河道的走向，而採用聯合剖面法尋找基岩岩溶裂隙帶的位置，為什麼?

27.在岩溶地區尋找地下水時，聯合剖面曲線有何特徵?

28.為什麼說環形電阻率測深法極形圖的長軸表示岩溶裂隙發育的主導方向?

29.何謂激發極化效應、視極化率(η_s)、衰減度(D)、激發比(J)、半衰時(S_t)和偏離度(r)?

30.用充電法測定地下水的流向和流速工作中應注意哪些問題?

31.瞬變電磁測深法的應用范圍?

32.何謂探地雷達法?應用范圍?

2. 擋牆厚度及強度檢測用地質雷達檢測，標準是多少

隱形戰機被形象地喻為「空中幽靈」，它們行蹤詭秘，能有效地躲避雷達跟蹤。多虧有版了能吸收雷達波的權「隱形」材料，才使隱形戰機能輕而易舉地從雷達眼皮底下逃之夭夭。 隱形轟炸機的雷達吸波材料可通過阻止反射無線電波來干擾雷達系統。雷達吸波材料多種多樣，其中包括非共振磁性雷達吸波材料和共振雷達吸波材料。由非共振磁性雷達吸波材料製造的塗料含鐵酸鹽粒子，可將轟炸機表面「吸收」的雷達波作為熱量散發掉。這種材料可降低雷達的「可見度」，並可在一個寬廣的雷達波頻率范圍內使用。 共振雷達吸波材料則只在一個很窄的頻率范圍內有效，不過只要雷達波頻率在該材料的設計范圍內，它的效率就非常高。經計算，這種材料的厚度與雷達波的波長一致時，就能像被「調諧」了一樣可吸收特定頻率范圍的信號。 就像海綿只能保存一定量的水一樣，隱形材料理論上也只能儲存和散發有限的雷達波能量。然而在實驗室條件下，工程師們以大大超過實際生活中會遭遇的雷達波能量檢測隱形材料，以確保隱形材料在實際使用過程中的有效性。★

3. 地質雷達頻率怎麼選定，什麼深度應該選多大的頻率

100MHz的最大探測深度25m，250的8m，500的6m，800的2.5m。就是說天線頻率越高，探測的深度越淺。這是因為頻率越高，電磁波能量衰減越快，越遠穿透反射的信號就越少。不知你要探測什麼？

4. 　探地雷達（GPR）

探地雷達是一種既古老而又年輕的物探技術，90年代以後才在我國得到較多的應用。

早在90多年以前，國外就曾利用該技術作過不可見目標的探測試驗，但是直到70年代美國地球物理勘查設備公司（GSSI）才第一次研製成功SIR探地雷達系列，並取得一批實用成果。由於GPR技術具有其他物探方法無與倫比的淺層高解析度的特點，20多年來該項技術已取得長足的進展。儀器不斷更新換代，資料採集、處理、顯示和解釋方法不斷革新，應用領域不斷擴大。目前，GPR技術已成為地質調查的一種重要技術。

一、基本原理簡介

GPR技術是一種高頻（10～1000MHz）電磁技術。但是，它的工作方法卻與地震相似。通過GPR天線向地質體內發射一短脈沖信號。信號在地質體內的傳播主要取決於地質材料的電特性。當這種電特性發生變化時，GPR信號將發生反射、折射等現象。利用放置在相應位置上的接受器將信號接受下來，經放大、數字化處理和顯示，為解釋提供必要的數據和圖像。除人們熟悉的反射工作方式外，GPR還有多種工作方式，如共中心點、廣角反射、折射和透射等。各種方式都可以用於探測信號在地下的傳播速度和能量衰減。影響GPR探測深度的因素主要有雷達系統的本身性能（如頻率、能量等），被探測材料的物理特性。

二、儀器的發展

1.國外的主要進展

（1）70年代中期，GSSI公司的SIR探地雷達系列代表了首批可在商業上使用的儀器系統。日本的OYO公司推出了GeoRadar系列；微波公司推出了MK探地雷達系列。80年代中期，A-Cubed公司與加拿大地調所（GSC）合作，推出了高性能的Pulse EKKO數字雷達；瑞典地質公司及日本公司等還研製了可用於跨孔測量的孔中透視雷達系列。

（2）90年代以後，GPR儀器又有了一些新發展，相繼推出了多態雷達系統、層析雷達系統。三維雷達技術具有明顯提高解決淺層地質問題的能力，但卻因耗時費力得不到普遍的應用。為此，Frank Lehman等研製出全自動的組合地質雷達激光經緯儀系統。利用該系統，一人可在2h內完成25m×25m范圍的三維數據採集。三個方向上的定位精度為±2.5cm。數據處理、成圖可在1h內完成，比傳統方法的效率提高5～10倍。

（3）儀器輕便、結實、通用是儀器廠商和用戶追求的目標之一。為實現該目標，1998和1999年加拿大的SSI公司先後推出了NogGin250、500型GPR儀器，將該公司生產的Pulse EKKO系統的全部雷達功能壓縮在一個簡單的NogGin輕便儀器箱內。但該儀器不僅是對原儀器進行簡單的壓縮，而是從基本設計原理上進行了改進。將NogGin與該公司研製的軟體「SPIView」配合使用，用戶則可以通過簡單的操作在無限卷圖上查看數據圖像。

2.國內的進展

90年代我國引進了一批地質雷達儀器並將它們用於工程和災害地質調查。近年來，國內地質雷達儀器的研製也取得了較大的進展。煤炭科學院西安分院物探所研製成功了適用於礦山防爆要求的DVL防爆型礦井雷達系列。原電子工業部第二十二研究所相繼研究成功了LT-1,2,3型探地雷達。航天工業總公司愛迪爾國際探測技術公司推出了商品化的探地雷達系列產品。國內外生產的多種類型的GPR儀器，一般都具有較好的性能，可供不同探測目標選用。

三、資料採集、處理和顯示技術的進展

（1）90年代初，GPR資料由單點採集過渡到連續採集，使GPR技術的應用向前邁進了一大步。

（2）地震資料處理的方式基本適用於GPR資料的處理。為了更好地將石油地震的先進技術引進到GPR領域，一些公司之間開展了合作。比如，1990年後SSI公司與地震圖像軟體公司（SISL）達成協議，SSI公司按地震資料輸出格式設計Pulse EKKO探地雷達系統，將SISL公司開發的地震資料處理軟體用於GPR資料的處理。這些軟體包括各類濾波、反褶積及資料顯示等。

（3）近幾年來，國內外專家對各類模擬方法作了研究，如How-Wei Chen等利用時間域交叉網格有限差分數值法，在二維介質內研究、試驗、補充了數值探地雷達波傳播的模擬。出現了一些利用GPR信號能量衰減層析成像的方法，如應用頻率漂移法的電磁波衰減層析成像法、利用形心頻率下移的雷達衰減成像方法等。

（4）據SSI公司1998年底披露，該公司即將發行改進型的軟體-EKKO三維2型軟體。採用2型三維軟體，用戶可以在方便的條件下試驗下述不同軟體的組合處理，以便提高數據的立體特徵。該三維軟體包括去頻率顫動、雜訊濾波、背景清除、包絡線和偏移。在資料顯示方面，有的學者提出了將石油工業的四維技術用於時空域內採集的GPR資料，這樣就有可能製成流體（如污染物羽狀流）在地下傳播的電影圖像。

（5）透射法取得的資料必須經過處理才能顯示成解釋所需的資料。SSI公司於1997年開發出可用於將GPR透射資料變換成可用於解釋圖像的軟體。實施步驟包括：原始資料編輯和歸類、採集波至、利用美國礦業局的地震層析軟體對資料進行層析成像處理，繪制速度、衰減及波散圖件以及圖像處理等。

（6）針對當前GPR技術的應用研究中，只側重探測能力試驗和數字模擬研究而對GPR資料解釋研究不夠的現狀，雷林源提出了與GPR資料解釋工作有關的基本理論和方法以及一些基本問題的求解。提出的基本問題包括電磁波在地層中傳播的波阻抗；地層分界面上電磁波場強的反射與透射系數；地層中電磁波速度和反射波的相位以及GPR探測深度等。

四、應用及應用研究實例

GPR技術經過多年的發展，證明具有多方面的用途。國內刊物對一些普通的應用已給予了較多的介紹。這些應用包括：在水文地質方面可以用於淺部地下環境調查，土壤-基岩面探測，基岩節理、裂隙和層理的確定；在工程地質勘察方面可用於調查地下埋藏物，隧道、岩溶、建築地基評價，道路、橋梁、水壩探測和質量無損檢測；在災害地質勘察方面可以用於滑坡、隱伏洞穴的探測以及考古方面的用途等。本文謹就GPR在地質環境污染、農業、軍事等方面的應用實例作一簡單的介紹。

1.調查地質環境污染

（1）一座建立在石灰岩地區的硝化纖維廠，由於污水的泄漏導致硝化纖維對地質環境的污染。為了探測地表至潛水面（約60m）岩溶結構可能捕獲的硝化纖維，在18個30米深和7個50m深的鑽孔中作了井中雷達探測。對收集到的資料作常規處理後，採用惠更斯-基爾霍夫（HK）疊加法繪制出三維雷達圖。從深度為10m的重建圖像上可以看出幾個受硝化纖維污染的位置。在後來的開挖中，證示了GPR的探測成果。

（2）探測碳氫污染物試驗。多年來的野外工作和試驗已證明GPR具有調查地質環境污染的能力。國外專家在1m×0.4m×0.5m箱體中作了精心的試驗，試圖再一次驗證GPR探測污染的能力，並用相關模型說明雷達響應與一些水文參數間的關系。通過試驗和GPR數據的處理和解釋得出結論：在污染物達到飽和時，利用GPR探不到潛水面；在相鄰未受污染區可探到潛水面時，GPR可用於監測潛水面上的污染物；小型實驗有助於探測或驗證砂質土壤的水文地質參數，如毛細作用水頭、污染物羽狀流的傳播速度；GPR能成功探測石油污染。

2.農業方面的應用

（1）沙漠中的沙丘和沙席是雨水良好的儲集層，有可能成為灌溉的水源。利用GPR在沙特東部沙漠區作了探測。探測結果劃出了圓頂形沙丘上部與其下部鹽層間的界面、沙丘內的交錯層理及潮濕帶；探測還指出，圓頂沙丘可能是新月形沙丘的演變結果。在另一個沙漠場地的調查成果指出了沙丘內水流傳播的兩條可能途徑。

（2）探測土壤含水量。自然土壤中的含水量是影響介電常數變化的主要因素。A.Chanzy等利用地面和空中兩種方式的GPR試驗，證明GPR測量數據與土壤含水量間具有很強的聯系。可以用GPR技術探測土壤中的含水量。

（3）美國正在形成現代化的農業生產，GPR技術被用於探測特殊農業場地的土層、上層滯水、脆盤土、水文優先流徑和壓實土壤等與現代化農業有關的土壤信息。

3.探測古灰岩洞

前幾年已有一些介紹利用GPR技術探測一般洞穴的文章，但未見到探測古灰岩洞及其塌陷特徵的報道。為了配合開發美國得克薩斯州老灰岩洞的地下水，對該區的溶洞系統作了詳細的研究。GPR資料顯示了未擾動的主岩、過渡構造（如張性裂隙、古溶洞壁及洞頂等）和各種規格的角礫岩的分布。本探測成果證明，GPR技術是調查與近表灰岩系統及塌陷古溶洞有關特徵的有效方法。

4.南極永凍場地安全檢查

在一個南極考查計劃利用的場地內，發現地下0.3～0.5m位置的冰內有一些融水坑（據2000年初中央電視台報道，我國南極科考隊也發現了與此相似的冰水湖），它們將給場地的利用帶來負面的影響。為此，利用GPR對場地進行了調查。通過對記錄的繞射波結構及其他信息的分析，在3.5m左右深度發現一些有40m長、含分散水的冰層帶，但含水量較少。另外，根據GPR資料顯示，鹹水層以上各層次的振幅沒出現異常，說明場地下不可能存在其他融水坑。後來經重車和飛行器作了大量荷載試驗，場地沒出現任何與冰密度有關的事故。由此可見，GPR可作為南極冰蓋場地安全檢查的工具。

5.軍事用途

瑞士科學家正在研製一種可用於排除地雷的GPR探測系統。該系統以探地雷達和用於成像的金屬探測器為基礎。探測器可以區別那些與GPR信號相似而金屬含量不同的目標（如同樣大小的地雷和石頭）；而GPR則可以將探測器給出的相似結果（如地雷和金屬垃圾）區分開來。另外，據SSI公司1999年10月披露，利用GPR散射能量平面圖可以發現塑料性地雷。

6.區域水文地質調查

雷達相圖被定義為某一特定地層產生的雷達反射圖像特徵的總和，指的是雷達剖面資料上肉眼可見的反射波的不同組合形式。雷達資料觀測中，地質體的構造和結構特徵會影響雷達響應並產生特徵效應。這些特徵效應被稱為雷達相圖元素。自1990年以來，荷蘭TNO應用地學研究所在荷蘭30多個適合於GPR調查試驗的點上作了測量，用於評價GPR對不同水文地質目標成像和描述目標特徵的可能性。探查成果揭示出荷蘭不同沉積環境下雷達相圖元素的特徵，將具有代表性的反射圖像編成簡要的「雷達相圖集」，該相圖集對確定地下水文地質層序的位置有益。據悉，美國也利用GPR對多個州做了類似的調查。

5. 地質雷達

3.3.7.1 方法簡介

3.3.7.1.1 基本原理

地質雷達也稱探地雷達，是利用高頻電磁波束在界面上的反射來探測目標物，由發射天線和接收天線組成。發射天線向地下發射高頻短脈沖電磁波，接收天線則接收來自地下介質交界面的反射電磁波。由於電磁波向地下傳播速度主要受地下介質電性控制，在介質電性發生變化的界面，電磁波會發生反射。通過研究電磁波在介質中的傳播速度、介質對電磁波的吸收及介質交界面的反射，並用時間剖面圖像表示出地下各分界面的形態，從而推測地下地質體及地層結構的分布規律。

3.3.7.1.2 應用范圍及適用條件

地質雷達是一種高解析度探測技術，可以對淺層地質問題進行詳細的地質填圖，淺層埋藏物進行無損探測。由於電磁波能量在碳酸鹽岩區衰減快，勘探深度較淺主要適用於碳酸鹽岩裸露或覆蓋層淺的地區，目前廣泛用於地基探查、地下空洞、岩溶、破碎帶、斷層等地質構造探測。

要求發射的電磁波能量必須足夠大，探測距離能夠達到目標體，並能返回地面被系統接收；目標體阻抗差別足夠大，有足夠的反射或散射能量為系統所識別；目標體的幾何形態必須盡可能了解清楚，正確選用天線中心頻率；測區干擾不足以影響目標物的反射信息。

3.3.7.1.3 工作布置原則與觀測方法

主測線應垂直地下目標體走向，輔助測線平行目標體走向，可更好地反映目標體形態，測線應盡量通過已有的井位，以利於地層的對比。

目前常用的觀測方法有剖面法和寬角法兩種。

剖面法：發射天線和接收天線以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。

寬角法：發射天線固定在地面某一點上不動，而接收天線沿測線逐點移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時的測量方式。

3.3.7.1.4 資料整理及成果解釋

檢查驗收合格的原始數據，經濾波及二維偏移歸位等處理，經過反射層的拾取，編繪探地雷達圖像剖面，最終形成推斷成果圖等。

由於雷達反射界面是電性界面，與地層分界面並不一致，如相鄰地層有相近的波阻抗、同一岩層中的含水帶界面、多個薄層的地質界面組合等。同時雷達時間剖面轉換為深度剖面的精度，解析度的限制，旁側界面反射波的影響等因素，給雷達資料帶來很多假象，使雷達剖面解釋存在多解性。因此成果解釋必須結合地質、鑽探資料，根據反射波組的波形與強度特徵，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質意義，建立測區地質—地球物理模型，構築地質—地球物理綜合解釋剖面。

3.3.7.2 試驗情況

本次實驗主要選擇了表層帶富水塊段納堡村地區、天然出露的岩溶水源地皮家寨工區，目的是為了查明地表至30m深度的蓋層結構、完整穩定性、水文地質結構、岩溶發育特徵及富水性。對裸露型隱伏的岩溶水源地大衣村和萬畝果園及覆蓋型隱伏的岩溶水源地三家村和大興堡實驗區擬實施鑽孔位置也布置了少量地質雷達剖面。共布置剖面94條，總長3.4km，其中納堡村實測66條剖面，長1635m。

本次試驗使用SIR-20型地質雷達，天線類型SIR-100MHZ，掃描時窗250～600ns，工作方法為連續剖面測量。

3.3.7.3 主要成果

納堡村探測結果，表層結構大致分為兩層：第一層為第四系覆蓋層，岩性為粘土，厚度在2～6m，時窗為0～100ns，表現為能量強、頻率較高，連續性較好的波組特徵；第二層為個舊組風化灰岩，厚度8～16m，時窗為50～300ns，表現為能量較弱且變化大、頻率較低，連續性差的波組特徵；向下則表現為無明顯反射或雜亂零星反射的「平靜帶」波組特徵，表明已進入基岩(完整灰岩)層。

圖3-18為納堡小學L20線的測量結果，雷達反射波大致分為三層，第一層時窗0～80ns，為能量強、頻率較高的波組特徵，深度約5m，反映了第四系覆蓋層；第二層時窗80～300ns，為能量弱、變化大、頻率較低的波組特徵，深度約5～16m，反映了風化灰岩層；第三層時窗300ns以上，為無明顯反射或雜亂零星的波組特徵，推斷已進入完整的灰岩層。在剖面10～15m處，時窗范圍160～200ns，深度約9～12m范圍內，地質雷達記錄出現明顯的強反射波異常，推斷解釋為岩溶裂隙含水層。經施工的淺鑽驗證，覆蓋層厚5.15m，5.15～15m岩溶發育，以溶隙、溶洞、溶孔為主，為主要含水層段，涌水量36m³/d，15m以下岩溶不發育，富水性弱，與推斷結果吻合。

圖3-18 瀘西小江流域納堡村納堡小學L20線地質雷達曲線

納堡村賓珍紅商店地質雷達測量未發現異常，反射波為明顯的兩層，頂部覆蓋層為高能量波特徵，時窗0～100ns，厚度約6m，下部為基岩的平靜弱反射波特徵，經ZK2淺鑽驗證，基岩埋深6.7m，孔深30.3m未見水，探測結果與驗證結果一致。

納堡村實驗點共圈出8處地質雷達異常，經鑽孔驗證4處，除1處水量小外，3處表層岩溶水較豐富。

圖3-19為皮家寨大泉旁實測地質雷達剖面，大致可分為兩層，第一層時窗0～60ns，波組連續穩定，反映出第四系覆蓋層厚度為1～3m；時窗60～300ns，地質雷達曲線顯示為雜亂反射、振幅變強、頻率變低的異常現象，推斷該區地下3～16m之間的個舊組灰岩中岩溶裂隙較為發育，局部存在較大充填或未充填的溶洞，如L73線7m、28m、55m處推斷為岩溶含水區，與高密度電法38線100～110點的低阻異常對應。經鑽孔驗證，溶洞，溶孔發育，與推斷結果吻合。

圖3-19 瀘西小江流域皮家寨L73線地質雷達曲線

3.3.7.4 結論

地質雷達反射波組特徵：岩溶裂隙含水層為明顯的強反射波異常；第四系覆蓋層為能量強、頻率較高，連續性較好的反射波；風化灰岩層為能量較弱且變化大、頻率較低，連續性差的反射波；完整灰岩層為無明顯反射或雜亂零星反射的「平靜帶」特徵。

地質雷達在探測深度0～30m范圍內，解析度較高，對表層岩溶裂隙發育帶探測效果較好，劃分的覆蓋層厚度較接近，誤差均小於1m。推斷的岩溶發育異常帶，准確度很高，是表層岩溶找水的有效方法之一。

6. 地質雷達探測法的原理

[地質雷達] Ground Penetrating Radar(GPR)是探測地下物體的地質雷達的簡稱。 地質雷達利用超高頻電內磁波探測地下介質分布，它的基本容原理是：發射機通過發射天線發射中心頻率為12.5M至1200M、脈沖寬度為0．1 ns的脈沖電磁波訊號。當這一訊號在岩層中遇到探測目標時，會產生一個反射訊號。直達訊號和反射訊號通過接收天線輸入到接收機，放大後由示波器顯示出來。根據示波器有無反射汛號，可以判斷有無被測目標；根據反射訊號到達滯後時間及目標物體平均反射波速,可以大致計算出探測目標的距離。 由於地質雷達的探測是利用超高頻電磁波，使得其探測能力優於例如管線探測儀等使用普通電磁波的探測類儀器，所以地質雷達通常廣泛用於考古、基礎深度確定、冰川、地下水污染、礦產勘探、潛水面、溶洞、地下管纜探測、分層、地下埋設物探察、公路地基和鋪層、鋼筋結構、水泥結構、無損探傷等檢測。

7. 地質雷達的天線頻率,探測深度和解析度三者之間的關系是什麼

脈沖雷達有調制頻復率制和重復頻率，調制頻率也就是常說的天線頻率，一般地說，天線頻率越高探測越淺，重復頻率越高也越淺。解析度是調制脈沖越窄越高，但能量也小了探測就近。天線頻率高了解析度也高。也可以說解析度高了相對就探測近。

8. 地質雷達方法在公路質量檢測中的應用

公路質量檢測的原始方法是採用鑽探取心法，該方法不僅效率低、代表性差，而且對公路有破壞，為了快速、准確和科學地評價公路質量，必須採用無損檢測方法。目前，常用於公路檢測的物探方法有地質雷達、瞬態面波法、高密度電阻率法和人工地震等方法。在這些物探方法中，由於地質雷達方法具有快速、連續、無損檢測的特點。因此，在公路質量檢測中得到更加廣泛的應用。

高速公路是由土基礎、二灰土、二灰碎石、面層等構成，由於空氣、瀝青面層、二灰碎石、土壤等介質的介電常數不同，電磁波將在其介質發生變化的界面產生反射波。圖5－11為電磁波在公路剖面中各界面的傳播、反射途徑示意圖。圖5－12為電磁波在公路剖面中各界面的掃描示意圖。

圖5－11 電磁波在公路剖面中的傳播、反射途徑示意圖

環境與工程地球物理勘探

圖5－12 電磁波在公路剖面中各界面的掃描示意圖|t₀—電磁波在空氣中的雙程走時;t₁—電磁波在瀝青面層中的雙程走時;t₂—電磁波在二灰碎石中的雙程走時。A₀—反射波R₀的振幅;A₁—反射波R₁的振幅;A₂—反射波R₂的振幅

長春至四平高速公路採用瀝青路面，路面下為碎石墊層。路面分三次鋪設完成，設計路面厚度為25cm。在工程竣工前採用地質雷達進行了路面厚度檢測。

工作中使用的地質雷達為SIR—2型，工作天線頻率為900MHz。圖5－13為長春至四平高速公路上某段路面的地質雷達檢測剖面圖，圖中5.8ns附近的強反射為瀝青面層與碎石墊層界面的反射，根據反射界面的雙程走時和電磁波在瀝青路面中的傳播速度計算出路面厚度。瀝青路面的電磁波速度採用實驗標定並進行統計後得到，檢測結果表明，由於二灰石墊層凹凸不平，導致瀝青路面厚度有較大變化，最薄為26cm，最厚為43cm。達到了設計的要求。路面厚度評價按國家公路路面結構層厚度評價標准進行;在經數據處理後的地質雷達剖面中讀取電磁波在面層中的反射波雙程走時，計算出面層厚度並作出厚度評價結果。

圖5－13 長春至四平高速公路某段路面的地質雷達檢測剖面圖

地質雷達方法在公路質量檢測中除可進行路面厚度檢測外，還可進行路基隱患(脫空、裂縫等)的檢測以及橋涵的質量檢測。有些學者開展了地質雷達對公路壓實度、強度及含水量的檢測研究。

9. 地質雷達探測深度與解析度受哪些因素影響

地質雷達的數據採集將直接影響到地質雷達圖像的質量，如何設置正確的工作參數版和選中正確的時機權來檢測混凝土結構是很重要的。
地質雷達探測深度與解析度主要影響因素有:
1.地質雷達探測深度和解析度是一個矛盾的關系，天線中心頻率高，探測深度小，解析度高，要按照實際情況選擇合適的天線頻率；
2.地質雷達工作參數的選取對檢測結果影響較大，應進行反復對比後選取合適的工作參數，選取參數時按照尼奎斯特定律；
3.混凝土齡期對地質雷達檢測結果的准確性有地質構造和其它干擾因素的存在，這些公式有其局限性，所以在實際操作過程中，要選擇不同中心頻率的天線和設置幾組不同的參數探測，選取探測效果最佳的天線和參數完成探測工作。

10. [請教]地質雷達圖像如何判讀

感謝專家。從有的地質雷達資料圖像，可以清晰的看到物體邊界，如豎向樁體的縮徑、擴徑位置及性狀。這種圖像是否有太多人為處理？