地质雷达采样频率怎么定

1. 探地雷达法

探地雷达法(GPR)，是利用一个天线发射高频宽带(1MHz～1GHz)电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波而进行地下介质结构探测的一种电磁法。由于它是从地面向地下发射电磁波来实现探测的，故称探地雷达。有时亦将其称作地质雷达。它是近年来在环境、工程探测中发展最快、应用最广的一种地球物理方法(王惠濂，1996；李大心，1994)。

该方法适用于石灰岩地区采石场的探测；淡水和沙漠地区的探测；工程地质探测；煤矿井探测；泥炭调查；放射性废弃物处理调查以及地面和钻孔雷达用于地质构造填图、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测、水坝、隧道、堤岸、古墓遗迹探查等。

目前，我国很多单位使用的是从加拿大引进的探地雷达设备。

下列技术特性为探地雷达应用领域的迅速扩展铺平了道路：①探地雷达是一种非破坏性的地球物理探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场，对于轻便类的雷达设备，工作场地条件可任意，适应性和抗磁干扰强，可在城市中各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；②具有工程地质勘测方面较满意的探测深度和分辨率，一些设备还能现场提供带有二维坐标的实时剖面记录和图件显示，图像清晰直观；③轻便类仪器系全数字化现场原始数据采集记录，以通用便携微机全部控制数字采集、记寻、存储、处理、显示和成图。全电池供电、电耗低。轻便型仪器可自动控制操作，现场仅需1～2人即可工作，工作效率高。当然，由于使用了较高的工作频率，电磁波能量在地下的衰减加剧，因而在高导、厚覆盖条件下，探测深度受到限制。与其他物探方法一样，探地雷达图像的正确判读和解释，始终是探地雷达工作者的一项较重要和复杂的工作。

(一)方法特点

探地雷达法的发射天线与接收天线之间距离很小，甚至可合二为一。当地层倾角不大时，反射波的全部路径几乎是垂直地面的。因此，在测线不同位置上法线反射时间的变化就反映了地下地层的构造形态。

探地雷达工作频率很高，在地下介质中以位移电流为主，并且在ƒ=10⁶～10⁹Hz的频率段内电磁波传播实质上很小频散，可以认为介电常数与频率无关，传播速度基本上由介质的介电性质决定。电磁波传播理论与弹性波的传播理论有许多类似之处，二者遵循同一形式的波动方程，只是波动方程中变量代表的物理意义不同。雷达波与地震波在运动学上的相似性，可以在资料处理中加以利用。当探地雷达记录与地震记录采用相同测量装置时，在地震资料处理中已经广泛使用的许多技术，可直接用于探地雷达资料处理。

类似于探空雷达，探地雷达也是利用高频电磁波束的反射探测目标体。探空雷达发射的高频电磁波是在无耗介质中传播，探测距离大；而探地雷达发射的高频电磁波是在有耗介质中传播，探测距离受到很大限制。探空雷达探测的目标体一般为金属物体，目标回波能量大；而探地雷达探测的目标体通常为非金属物体，与周围介质差异小，因而目标回波能量小。探空雷达捕捉的是空中高速移动物体，要求能对目标快速跟踪；探地雷达探测的是地下埋藏的目标体，不需要快速跟踪技术。探地与探空雷达的上述差异，形成了探地雷达独特的发射波形与天线设计特点。

1.发射波形调制方式

探地雷达发射波形调制方式主要有调幅波(AM)、调频连续波(FMCW)、连续波(CW)、脉冲扩展/压缩波(PEC)。调幅波是脉冲调制载波，载波频率约几十兆赫，根据脉冲回波走时，确定目标体深度。其优点是输出信号能实时显示，设备可做成便携式；缺点是发射波形状很难控制，对时标的线性要求高。调频连续波用于探测埋深小于2m、要求测厚精度分辨率高的目标体。发射信号根据预先设置的频率间隔连续扫描。接收信号与发射信号的差频与目标体深度有关。其优点是分辨率高，信噪比高；缺点是仪器体积大，费用高。连续波使用一个或几个单频连续波，在一系列发射与接收位置上进行测量，应用全息图像处理识别目标体。其优点是对天线的频带宽度要求低，也不需要高速采样；缺点是吸收太高时，有效性减小。脉冲扩展/压缩波使用线性调频脉冲波，具有短脉冲同样的频谱，但相位经过修正，因而在时间上得以扩展。接收信号通过相位匹配可把线性调频脉冲压缩成短脉冲。由于能产生圆极化辐射，特别适宜于方向未知的细长目标体的探测，但无法进行实时监测。

2.天线设计

探地雷达天线设计强调天线的脉冲响应，频带宽，还要考虑接收-发射天线之间的互耦合以及介质电性与几何形状对天线的影响。所以天线必须具有宽频带与线性相位响应。

成功应用于探地雷达的天线有四种：振子天线(element atennas)、行波天线(travellingwave atennas)、频率独立天线(frequency-independent atennas)、开孔天线(aperture atennas)。

1)振子天线的特点是低方向性、线性极化和有效带宽，并可用加载方法使频带变宽，但随之使天线的发射效率降低。优点是体积小，可在场地狭窄条件下使用；辐射特征很容易分析，从而使设计依据充分。

2)行波天线的场强和电流可用一个以上行波表示。在端头点火的V形天线，称作喇叭形天线，具有线性相位特征，短脉冲响应，已在许多探地雷达中应用。

3)频率独立天线的形状完全由螺旋角来决定，其性能与频率无关。平板对数螺旋天线与双臂阿基米德螺旋线天线就是这种设计的典型，一般来说，这类天线采用自我阻抗补偿，脉冲的频率响应宽，但相位响应是非线性的，高分辨率宽带雷达系统使用这种天线时，需作相位矫正。

4)开孔天线中最常见的一种为喇叭形天线，它主要用于短距离高分辨率的调频连续波探地雷达。其特点是体积小，天线带宽可达0.2～2.0 GHz。

(二)探地雷达法的基本原理

探地雷达利用以宽带短脉冲(脉冲宽为数纳秒以至更小)形式的高频电磁波(主频十数兆赫至数百以至千兆赫)，通过天线(T)由地面送入地下，经地层或目标体反射后返回地面，然后用另一天线(R)进行接收(图4-108)。脉冲波旅行时为

普通物探

式中：z为反射波的深度(m)；x为发射天线与接收天线间距离(m)。

图4-108 反射雷达探测原理

图4-109 雷达剖面记录示意图

当地下介质中的波速 υ(m/ns)为已知时，可根据精确测得的走时t(单位为ns，1ns=10^-9s)，由上式求出反射物的深度z。

波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时进行测定。反射脉冲波形由重复间隔发射(重复率20～100kHz)的电路，按采样定律等间隔采集，叠加后获得。考虑到高频波的随机干扰性质，由地下返回的反射脉冲系列均经过多次叠加(叠加次数从几十至数千)。这样，若地面的发射和接收天线沿探测线以等间隔移动时，即可在纵坐标为双程走时t(ns)、横坐标为距离x(m)的探地雷达屏幕上绘描出仅仅由反射体的深度所决定的“时-距”波形道的轨迹图(图4-109)。与此同时，探地雷达仪即以数字形式记下每一道波形的数据，它们经过数字处理之后，即由仪器绘描成图或打印输出。

(三)方法技术

反射脉冲波形明显程度，是探地雷达图像地质解释的重要依据。它决定于发射脉冲波的能量、波在地质界面上的反射特性以及波在地下介质中行进时的衰减条件。发射脉冲的幅度，一般在100～200V或更大范围，它受高频窄脉冲电路的限制，反射特性决定于物性界面的波阻抗差别，并以反射系数作描述。对于平面波，反射系数：

普通物探

式中：Z为法向阻抗，由介质的复介电常数、磁导率和入射角(不同极化波具有不同的三角函数形式)决定，下角标指示出波所在介质。可以看出，由于介质具有导电性，反射系数呈复数形式。对于非平面波，此值将在几何光学条件下仍起主导作用。若考虑位移电流为主，则

普通物探

ε_r为相对介电常数。这样，对于土壤与花岗岩的交界面，反射系数模值∣R∣≈0.3333(二者的ε_r分别设为20和5)，即反射能量为入射的33.33%；湿灰岩与湿花岗岩(ε_r各为8，7)接触，则为3.34%。可见介电常数对反射系数的影响十分重要，而含水性则与ε_r值密切相关。

波在有耗介质中的衰减是由于传导电流的热损耗和介质极化过程中的附加损耗。除了这些本质原因外，还有波的空间发散损耗和散射损耗。若仅考虑前一原因，以吸收系数α表征的波衰减特性与介质的理论关系为

普通物探

式中：μ、ε和σ分别为介质的磁导率(=μ₀·μ_r，μ₀=4×10^-7N/A²)、介电常数(=ε₀·ε_r，

F/m)和电导率，ω=2πƒ，为角频率。对于低导介质：

普通物探

它正比于σ，且与ε_r呈根号反比关系。在一般介质中，α还与ƒ有关，大致是随ƒ升高而加大。波速(相速)的确定，使探地雷达的双程时间可转换为深度。速度：

υ=λ ƒ=ω/β (4-54)

而角波数k的虚部：

普通物探

称为相位系数。对于低导介质：

普通物探

于是

普通物探

普通物探

式中：ƒ′为以兆赫计的频率。这样，空气、水和灰岩(ε_r分别为1、81、9)三种介质中，对100mHz的频率，波长分别为3m、0.33m和1m，而υ则分别为0.3m/ns、0.033m/ns和0.1m/ns。

以上表明，角波数(波传播常数)k(=α+iβ)在探地雷达波传播中具有十分重要的作用。

可以用雷达方程来综述波信号在地下介质中的传递过程(图4-110)：

普通物探

式中：P_S为源输入功率，它与天线效率ξ_T的乘积即为天线发射功率。天线具有设计的方向性图(图4-111)，其在入射方向上的方向性增益若为G_T，则抵达目标体时的功率密度为P_S·ξ_T·G_T

，这里已经考虑了辐射功率的球面发散和介质的吸收。目标体的返回功率决定于其散射截面S、返回方向上的散射增益g以及波的发散和吸收。这部分能量抵达接收天线时的值，与其天线效率ξ_R方向性增益G_R及天线有效接收面积A_R(对于偶极天线，它等于λ²/4π)有关。可见，探地雷达仪信号接收的灵敏度在很大程度上决定于天线的性能，它以仪器的动态范围P_S/P_R(或品质因子Q，对加拿大EKKOIV，此值为155 dB)表征。仪器性能条件一定的情况下，信号的明显程度决定于介质的性质。对于有限目标体，决定散射截面的“菲涅尔主值带半径”是目标体返回功率的一个重要参数，它可近似地写为

图4-110 雷达功率的传递过程

图4-111 电偶极天线位于地表的方向性图

普通物探

式中：d_F(=2r_F)为菲涅尔主值带直径，Z为深度。如果有限目标体的有效反射面直径大于比值，则可以按几何光学的反射方法加以处理，并认为探测是有效的。

综上所述，天线是探地雷达的重要部件，它直接影响着探测质量。探地雷达天线一般采用分离形式，以便于适应现场的不同工作方式。理论上，作为发射或接收，两天线的结构和性能是相同的。作为传感器，它的性能主要反映在能量空间分布特性、发射和接收效率问题和电路特性等诸方面。天线的传播空间方向性图是表征发射(或接收)能量空间分布的一种特性图。图4-111说明了在电偶极天线密合于空气大地交面上时，向地下及向空中后方的轴线垂直方向剖面上(即测线剖面)的能量分布。电导率和介电常数比空气大的地下介质的电参数，使电磁波地下能量呈集中向下分布的形态。其最大能量出现在天线轴线两边的临界角方向上(等于sin^-1n，n为折射率；在以位移电流为主的介质中等于

)，而后向发射却呈极微弱的球状分布。显然，这种天线具有较优良的辐射性能。在与地面耦合较佳条件下，可以获得较高的辐射效率，甚至毋需后向后屏蔽。天线的辐射功率是低于输入功率的，理论上，天线应在谐振条件下工作，这就要求严密设计天线电路和考虑地下介质的耦合问题。电路设计还要充分考虑发射波形的探测特点，即宽带、窄波、高峰值，少余振等要求，使子波呈陡沿、高分辨和单峰状，使记录图像清晰。

探地雷达图像由于呈时-距关系形式，因此，类似于地震记录剖面，画面的直观性较强，波形图面上同一反射脉冲起跳点所构成的“同相轴”可用来勾画出反向界面。当然，对于有限几何体的界面，只要返回的能量足够，图面的各道记录上均可追踪反射脉冲同相轴，这自然就歪曲了目标体的实际几何形态。图4-112为点状反射体的理论计算图像。图上画了六种不同介质波速度条件下的同相轴曲线，可以看出(公式4-49)，点状体的异常呈双曲线的一叶形态，其峰顶的横向和纵向位置即为点体的地面位置和深度。介质速度越小，异常峰尖就越明显；埋深越大、天线距越大，双曲线就越平坦。类似于地震剖面，为达到直观效果，必须对图像进行偏移归位校正。图4-113给出了有限几何体埋入水中后在水面上的实测图像，它证实了计算的规律。由图可见，在有限体的边、角部位，常因绕射现象而使图像复杂化。

图4-112 点状体雷达计算图像

υ值：0.23，0.19，0.15，0.11，0.07，0.03m/ns

(a)天线距0m，埋深1m；(b)天线距1m，埋深1m；(c)埋深1m，埋深2m

图4-113 埋入水中的充气排球的雷达探测结果

球径21cm，顶深0.85m，波速0.033m/ns

(四)应用实例

1.划分花岗岩风化带

图4-114为长江三峡宜昌三斗坪坝区用探地雷达划分花岗岩风化带的一条实测剖面。它是用50mHz中心频率脉冲于雨后的探测结果。根据波形特点，雷达图可以清晰地分辨出表土以下全风化带、强风化带、弱风化带之间的界面，甚至弱风化带内的子界面以及与微风化带的交界面也可识别，它们的位置与相对厚度均与钻探结果吻合甚好。由于未进行高程校正，图上见到的台阶形界面系山坡或表台阶陡坎的反映。

图4-114 宜昌三斗坪长江北岸花岗岩风化带探测

2.隧道探测

下面列举广西天生桥水电站引水隧洞内的雷达探测两例来说明其效果。图4-115为某隧洞内侧壁方向纵深灰岩溶蚀情况的探测图。灰岩的溶蚀带因含水，对高频电磁波吸收较强而不同于其他部位。图上左侧(0～10号测点)直至24m纵深仍有很强信号，说明，图中10号测点以右的大部分地段出现的弱信号应与溶蚀吸收有关。在这一地段内，强信号的最深部位仅止于14m，显然，整个地段均受溶蚀。以10～16号点溶蚀最甚，30～40号点次之，16～30号点最弱。这一现象大致与所观察到的地质剖面一致(图下方所附剖面)。10～16号点的溶蚀并不完全始于洞壁，2m以内的浅表仍有强信号，内部的溶蚀强于浅表，并有向两侧扩展之势，不像地质观察剖面所描述的那样向壁外收敛。30～40号点，浅表溶蚀更弱且不均匀，其中35号点附近、8m纵深仍有强信号，表明该处的溶蚀现象应在更深部。同样，整个这一段的溶蚀也是向深部及两侧扩展的。中部20号点附近虽有较深延的强信号，但与剖面左侧部分显然不同，说明该处应仍属溶蚀带。

图4-115 广西天生桥隧道内侧壁溶蚀带的探测

图4-116 为另一隧洞内直径为10.8m、刚爆破掘进的掌子面上测得的雷达剖面。图上仅仅见到浅表处的强信号，而2m、3m以下纵深，几乎没有信号。根据工区灰岩的雷达探测规律，这一现象显然不是介质强吸收的反映，而是前方没有波的反射，浅表强信号实系爆破造成的不均匀松动带所引起。由此推知，掘进方向前方无溶洞 裂断等地质隐患存在。这一推断为继续掘进的结果所证实。

图4-116 广西天生桥掌子面的前方探测

3.公路路面厚度检测

公路路面厚度检测是公路无损检测的主要内容之一。一般简易路面厚10～20cm，高等级公路路面厚20～30cm，机场跑道路面厚40cm，这就要求公路路面厚度检测有较高的垂向分辨率。路面厚度检测的误差＜1cm，要求检测方法确定厚度精度高。因此应用于公路路面厚度检测的探地雷达必须具有高分辨率与高计厚精度。

为了检验探地雷达对公路路面厚度的探测能力。中国地质大学应用美国SIR探地雷达系统在河北廊坊南门外公路3个已知水泥路面厚度(21.3～24.7cm)地段(农机公司、富友商店、福友粮油站)与中国地质大学图书馆前简易路面(厚8cm)上进行了试测。为了能分辨这种路面厚度，选用500mHz天线与900mHz天线。用10～15ns时窗，每次扫描采样点数为512个，采样率Δt=0.0196～0.0292ns，满足路面厚度分辨精度1cm对采样率的要求。由于使用单天线测量，为获得水泥的电磁波速度，须采用统计方法。由υ=2D/t，统计得900mHz下水泥路面的速度υ=0.120m/ns(相关系数0.996)，500mHz水泥路面的速度υ=0.126m/ns(相关系数0.889)。由上述速度分别计算各对照点的测量厚度与实际厚度列于表4-6。

表4-6 各对照点测量厚度与实际厚度对比表

小结

本章主要介绍了直流电阻率法的一些基本概念、基本原理、应用条件、应用范围、曲线的定性分析、电法勘探的仪器设备、野外工作方法及应用实例。在已经建立起正常电场及异常电场的基础上，通过异常电场与正常电场的对比，叙述了由于电性不均匀体引起电场畸变的原因，各类电法勘探、各种电极装置的剖面异常曲线特征与地质体及地质构造间的关系及影响电法勘探的干扰因素，及电法勘探的新方法、新技术。本章重点是各类电异常的解释推断及野外工作方法。

综合上述内容，目的就是要使学生能看懂物探图件，并能根据图中的异常曲线特征，学会初步的解释方法。

复习思考题

1.何谓电阻率?写出表达式及单位。

2.影响岩矿石电阻率的因素是什么?

3.用哪些物理量来描述地下电流场?

4.如何选择最佳电极距?

5.为什么低阻体吸引电流，而高阻体排斥电流?

6.如何测定岩石电阻率?

7.何谓视电阻率?影响视电阻率的因素有哪些?

8.何谓电剖面法?

9.描述中间梯度法在直立高阻或低阻矿脉上的ρ_S曲线特征。

10.说明联合剖面法在直立高阻或低阻矿脉上的ρ_s曲线特征。

11.试述山脊或山谷上联合剖面ρ_S曲线特征。

12.影响联合剖面曲线的因素有哪些?

13.说明中梯、联剖、四极剖面各适于解决什么地质问题。

14.如何选择剖面法的电极距?

15.地表局部不均匀对剖面法有何影响?

16.何谓电阻率测深?阐述其实质。

17.为什么电测深视电阻率ρ_s曲线绘在双对数坐标纸上?

18.如地下存在一个三层地电断面且各层电阻率符合ρ₁＞ρ₂＜ρ₃时曲线有何特点?

19.影响电测深曲线的因素有哪些?

20.叙述应用电测深的有利条件，电测深都能解决哪些地质问题?

21.在金属矿床上，充电法能解决什么问题?

22.叙述电子导电型矿床上自然电场产生的原因和条件。

23.某工区ρ=500Ω·m，η=2%，应用联合剖面装置，供电电流I=1A，求以下极距时，ΔU₂的大小。

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

24.何谓激发激化法?应用范围?

25.在良导倾斜薄脉上联合剖面装置视激化率曲线及视电阻率曲线各有何特点?

26.在电阻率法测量中，通常应用对称四极剖面法追索古河道的走向，而采用联合剖面法寻找基岩岩溶裂隙带的位置，为什么?

27.在岩溶地区寻找地下水时，联合剖面曲线有何特征?

28.为什么说环形电阻率测深法极形图的长轴表示岩溶裂隙发育的主导方向?

29.何谓激发极化效应、视极化率(η_s)、衰减度(D)、激发比(J)、半衰时(S_t)和偏离度(r)?

30.用充电法测定地下水的流向和流速工作中应注意哪些问题?

31.瞬变电磁测深法的应用范围?

32.何谓探地雷达法?应用范围?

2. 挡墙厚度及强度检测用地质雷达检测，标准是多少

隐形战机被形象地喻为“空中幽灵”，它们行踪诡秘，能有效地躲避雷达跟踪。多亏有版了能吸收雷达波的权“隐形”材料，才使隐形战机能轻而易举地从雷达眼皮底下逃之夭夭。 隐形轰炸机的雷达吸波材料可通过阻止反射无线电波来干扰雷达系统。雷达吸波材料多种多样，其中包括非共振磁性雷达吸波材料和共振雷达吸波材料。由非共振磁性雷达吸波材料制造的涂料含铁酸盐粒子，可将轰炸机表面“吸收”的雷达波作为热量散发掉。这种材料可降低雷达的“可见度”，并可在一个宽广的雷达波频率范围内使用。 共振雷达吸波材料则只在一个很窄的频率范围内有效，不过只要雷达波频率在该材料的设计范围内，它的效率就非常高。经计算，这种材料的厚度与雷达波的波长一致时，就能像被“调谐”了一样可吸收特定频率范围的信号。 就像海绵只能保存一定量的水一样，隐形材料理论上也只能储存和散发有限的雷达波能量。然而在实验室条件下，工程师们以大大超过实际生活中会遭遇的雷达波能量检测隐形材料，以确保隐形材料在实际使用过程中的有效性。★

3. 地质雷达频率怎么选定，什么深度应该选多大的频率

100MHz的最大探测深度25m，250的8m，500的6m，800的2.5m。就是说天线频率越高，探测的深度越浅。这是因为频率越高，电磁波能量衰减越快，越远穿透反射的信号就越少。不知你要探测什么？

4. 　探地雷达（GPR）

探地雷达是一种既古老而又年轻的物探技术，90年代以后才在我国得到较多的应用。

早在90多年以前，国外就曾利用该技术作过不可见目标的探测试验，但是直到70年代美国地球物理勘查设备公司（GSSI）才第一次研制成功SIR探地雷达系列，并取得一批实用成果。由于GPR技术具有其他物探方法无与伦比的浅层高分辨率的特点，20多年来该项技术已取得长足的进展。仪器不断更新换代，资料采集、处理、显示和解释方法不断革新，应用领域不断扩大。目前，GPR技术已成为地质调查的一种重要技术。

一、基本原理简介

GPR技术是一种高频（10～1000MHz）电磁技术。但是，它的工作方法却与地震相似。通过GPR天线向地质体内发射一短脉冲信号。信号在地质体内的传播主要取决于地质材料的电特性。当这种电特性发生变化时，GPR信号将发生反射、折射等现象。利用放置在相应位置上的接受器将信号接受下来，经放大、数字化处理和显示，为解释提供必要的数据和图像。除人们熟悉的反射工作方式外，GPR还有多种工作方式，如共中心点、广角反射、折射和透射等。各种方式都可以用于探测信号在地下的传播速度和能量衰减。影响GPR探测深度的因素主要有雷达系统的本身性能（如频率、能量等），被探测材料的物理特性。

二、仪器的发展

1.国外的主要进展

（1）70年代中期，GSSI公司的SIR探地雷达系列代表了首批可在商业上使用的仪器系统。日本的OYO公司推出了GeoRadar系列；微波公司推出了MK探地雷达系列。80年代中期，A-Cubed公司与加拿大地调所（GSC）合作，推出了高性能的Pulse EKKO数字雷达；瑞典地质公司及日本公司等还研制了可用于跨孔测量的孔中透视雷达系列。

（2）90年代以后，GPR仪器又有了一些新发展，相继推出了多态雷达系统、层析雷达系统。三维雷达技术具有明显提高解决浅层地质问题的能力，但却因耗时费力得不到普遍的应用。为此，Frank Lehman等研制出全自动的组合地质雷达激光经纬仪系统。利用该系统，一人可在2h内完成25m×25m范围的三维数据采集。三个方向上的定位精度为±2.5cm。数据处理、成图可在1h内完成，比传统方法的效率提高5～10倍。

（3）仪器轻便、结实、通用是仪器厂商和用户追求的目标之一。为实现该目标，1998和1999年加拿大的SSI公司先后推出了NogGin250、500型GPR仪器，将该公司生产的Pulse EKKO系统的全部雷达功能压缩在一个简单的NogGin轻便仪器箱内。但该仪器不仅是对原仪器进行简单的压缩，而是从基本设计原理上进行了改进。将NogGin与该公司研制的软件“SPIView”配合使用，用户则可以通过简单的操作在无限卷图上查看数据图像。

2.国内的进展

90年代我国引进了一批地质雷达仪器并将它们用于工程和灾害地质调查。近年来，国内地质雷达仪器的研制也取得了较大的进展。煤炭科学院西安分院物探所研制成功了适用于矿山防爆要求的DVL防爆型矿井雷达系列。原电子工业部第二十二研究所相继研究成功了LT-1,2,3型探地雷达。航天工业总公司爱迪尔国际探测技术公司推出了商品化的探地雷达系列产品。国内外生产的多种类型的GPR仪器，一般都具有较好的性能，可供不同探测目标选用。

三、资料采集、处理和显示技术的进展

（1）90年代初，GPR资料由单点采集过渡到连续采集，使GPR技术的应用向前迈进了一大步。

（2）地震资料处理的方式基本适用于GPR资料的处理。为了更好地将石油地震的先进技术引进到GPR领域，一些公司之间开展了合作。比如，1990年后SSI公司与地震图像软件公司（SISL）达成协议，SSI公司按地震资料输出格式设计Pulse EKKO探地雷达系统，将SISL公司开发的地震资料处理软件用于GPR资料的处理。这些软件包括各类滤波、反褶积及资料显示等。

（3）近几年来，国内外专家对各类模拟方法作了研究，如How-Wei Chen等利用时间域交叉网格有限差分数值法，在二维介质内研究、试验、补充了数值探地雷达波传播的模拟。出现了一些利用GPR信号能量衰减层析成像的方法，如应用频率漂移法的电磁波衰减层析成像法、利用形心频率下移的雷达衰减成像方法等。

（4）据SSI公司1998年底披露，该公司即将发行改进型的软件-EKKO三维2型软件。采用2型三维软件，用户可以在方便的条件下试验下述不同软件的组合处理，以便提高数据的立体特征。该三维软件包括去频率颤动、噪声滤波、背景清除、包络线和偏移。在资料显示方面，有的学者提出了将石油工业的四维技术用于时空域内采集的GPR资料，这样就有可能制成流体（如污染物羽状流）在地下传播的电影图像。

（5）透射法取得的资料必须经过处理才能显示成解释所需的资料。SSI公司于1997年开发出可用于将GPR透射资料变换成可用于解释图像的软件。实施步骤包括：原始资料编辑和归类、采集波至、利用美国矿业局的地震层析软件对资料进行层析成像处理，绘制速度、衰减及波散图件以及图像处理等。

（6）针对当前GPR技术的应用研究中，只侧重探测能力试验和数字模拟研究而对GPR资料解释研究不够的现状，雷林源提出了与GPR资料解释工作有关的基本理论和方法以及一些基本问题的求解。提出的基本问题包括电磁波在地层中传播的波阻抗；地层分界面上电磁波场强的反射与透射系数；地层中电磁波速度和反射波的相位以及GPR探测深度等。

四、应用及应用研究实例

GPR技术经过多年的发展，证明具有多方面的用途。国内刊物对一些普通的应用已给予了较多的介绍。这些应用包括：在水文地质方面可以用于浅部地下环境调查，土壤-基岩面探测，基岩节理、裂隙和层理的确定；在工程地质勘察方面可用于调查地下埋藏物，隧道、岩溶、建筑地基评价，道路、桥梁、水坝探测和质量无损检测；在灾害地质勘察方面可以用于滑坡、隐伏洞穴的探测以及考古方面的用途等。本文谨就GPR在地质环境污染、农业、军事等方面的应用实例作一简单的介绍。

1.调查地质环境污染

（1）一座建立在石灰岩地区的硝化纤维厂，由于污水的泄漏导致硝化纤维对地质环境的污染。为了探测地表至潜水面（约60m）岩溶结构可能捕获的硝化纤维，在18个30米深和7个50m深的钻孔中作了井中雷达探测。对收集到的资料作常规处理后，采用惠更斯-基尔霍夫（HK）叠加法绘制出三维雷达图。从深度为10m的重建图像上可以看出几个受硝化纤维污染的位置。在后来的开挖中，证示了GPR的探测成果。

（2）探测碳氢污染物试验。多年来的野外工作和试验已证明GPR具有调查地质环境污染的能力。国外专家在1m×0.4m×0.5m箱体中作了精心的试验，试图再一次验证GPR探测污染的能力，并用相关模型说明雷达响应与一些水文参数间的关系。通过试验和GPR数据的处理和解释得出结论：在污染物达到饱和时，利用GPR探不到潜水面；在相邻未受污染区可探到潜水面时，GPR可用于监测潜水面上的污染物；小型实验有助于探测或验证砂质土壤的水文地质参数，如毛细作用水头、污染物羽状流的传播速度；GPR能成功探测石油污染。

2.农业方面的应用

（1）沙漠中的沙丘和沙席是雨水良好的储集层，有可能成为灌溉的水源。利用GPR在沙特东部沙漠区作了探测。探测结果划出了圆顶形沙丘上部与其下部盐层间的界面、沙丘内的交错层理及潮湿带；探测还指出，圆顶沙丘可能是新月形沙丘的演变结果。在另一个沙漠场地的调查成果指出了沙丘内水流传播的两条可能途径。

（2）探测土壤含水量。自然土壤中的含水量是影响介电常数变化的主要因素。A.Chanzy等利用地面和空中两种方式的GPR试验，证明GPR测量数据与土壤含水量间具有很强的联系。可以用GPR技术探测土壤中的含水量。

（3）美国正在形成现代化的农业生产，GPR技术被用于探测特殊农业场地的土层、上层滞水、脆盘土、水文优先流径和压实土壤等与现代化农业有关的土壤信息。

3.探测古灰岩洞

前几年已有一些介绍利用GPR技术探测一般洞穴的文章，但未见到探测古灰岩洞及其塌陷特征的报道。为了配合开发美国得克萨斯州老灰岩洞的地下水，对该区的溶洞系统作了详细的研究。GPR资料显示了未扰动的主岩、过渡构造（如张性裂隙、古溶洞壁及洞顶等）和各种规格的角砾岩的分布。本探测成果证明，GPR技术是调查与近表灰岩系统及塌陷古溶洞有关特征的有效方法。

4.南极永冻场地安全检查

在一个南极考查计划利用的场地内，发现地下0.3～0.5m位置的冰内有一些融水坑（据2000年初中央电视台报道，我国南极科考队也发现了与此相似的冰水湖），它们将给场地的利用带来负面的影响。为此，利用GPR对场地进行了调查。通过对记录的绕射波结构及其他信息的分析，在3.5m左右深度发现一些有40m长、含分散水的冰层带，但含水量较少。另外，根据GPR资料显示，咸水层以上各层次的振幅没出现异常，说明场地下不可能存在其他融水坑。后来经重车和飞行器作了大量荷载试验，场地没出现任何与冰密度有关的事故。由此可见，GPR可作为南极冰盖场地安全检查的工具。

5.军事用途

瑞士科学家正在研制一种可用于排除地雷的GPR探测系统。该系统以探地雷达和用于成像的金属探测器为基础。探测器可以区别那些与GPR信号相似而金属含量不同的目标（如同样大小的地雷和石头）；而GPR则可以将探测器给出的相似结果（如地雷和金属垃圾）区分开来。另外，据SSI公司1999年10月披露，利用GPR散射能量平面图可以发现塑料性地雷。

6.区域水文地质调查

雷达相图被定义为某一特定地层产生的雷达反射图像特征的总和，指的是雷达剖面资料上肉眼可见的反射波的不同组合形式。雷达资料观测中，地质体的构造和结构特征会影响雷达响应并产生特征效应。这些特征效应被称为雷达相图元素。自1990年以来，荷兰TNO应用地学研究所在荷兰30多个适合于GPR调查试验的点上作了测量，用于评价GPR对不同水文地质目标成像和描述目标特征的可能性。探查成果揭示出荷兰不同沉积环境下雷达相图元素的特征，将具有代表性的反射图像编成简要的“雷达相图集”，该相图集对确定地下水文地质层序的位置有益。据悉，美国也利用GPR对多个州做了类似的调查。

5. 地质雷达

3.3.7.1 方法简介

3.3.7.1.1 基本原理

地质雷达也称探地雷达，是利用高频电磁波束在界面上的反射来探测目标物，由发射天线和接收天线组成。发射天线向地下发射高频短脉冲电磁波，接收天线则接收来自地下介质交界面的反射电磁波。由于电磁波向地下传播速度主要受地下介质电性控制，在介质电性发生变化的界面，电磁波会发生反射。通过研究电磁波在介质中的传播速度、介质对电磁波的吸收及介质交界面的反射，并用时间剖面图像表示出地下各分界面的形态，从而推测地下地质体及地层结构的分布规律。

3.3.7.1.2 应用范围及适用条件

地质雷达是一种高分辨率探测技术，可以对浅层地质问题进行详细的地质填图，浅层埋藏物进行无损探测。由于电磁波能量在碳酸盐岩区衰减快，勘探深度较浅主要适用于碳酸盐岩裸露或覆盖层浅的地区，目前广泛用于地基探查、地下空洞、岩溶、破碎带、断层等地质构造探测。

要求发射的电磁波能量必须足够大，探测距离能够达到目标体，并能返回地面被系统接收；目标体阻抗差别足够大，有足够的反射或散射能量为系统所识别；目标体的几何形态必须尽可能了解清楚，正确选用天线中心频率；测区干扰不足以影响目标物的反射信息。

3.3.7.1.3 工作布置原则与观测方法

主测线应垂直地下目标体走向，辅助测线平行目标体走向，可更好地反映目标体形态，测线应尽量通过已有的井位，以利于地层的对比。

目前常用的观测方法有剖面法和宽角法两种。

剖面法：发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。

宽角法：发射天线固定在地面某一点上不动，而接收天线沿测线逐点移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时的测量方式。

3.3.7.1.4 资料整理及成果解释

检查验收合格的原始数据，经滤波及二维偏移归位等处理，经过反射层的拾取，编绘探地雷达图像剖面，最终形成推断成果图等。

由于雷达反射界面是电性界面，与地层分界面并不一致，如相邻地层有相近的波阻抗、同一岩层中的含水带界面、多个薄层的地质界面组合等。同时雷达时间剖面转换为深度剖面的精度，分辨率的限制，旁侧界面反射波的影响等因素，给雷达资料带来很多假象，使雷达剖面解释存在多解性。因此成果解释必须结合地质、钻探资料，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质意义，建立测区地质—地球物理模型，构筑地质—地球物理综合解释剖面。

3.3.7.2 试验情况

本次实验主要选择了表层带富水块段纳堡村地区、天然出露的岩溶水源地皮家寨工区，目的是为了查明地表至30m深度的盖层结构、完整稳定性、水文地质结构、岩溶发育特征及富水性。对裸露型隐伏的岩溶水源地大衣村和万亩果园及覆盖型隐伏的岩溶水源地三家村和大兴堡实验区拟实施钻孔位置也布置了少量地质雷达剖面。共布置剖面94条，总长3.4km，其中纳堡村实测66条剖面，长1635m。

本次试验使用SIR-20型地质雷达，天线类型SIR-100MHZ，扫描时窗250～600ns，工作方法为连续剖面测量。

3.3.7.3 主要成果

纳堡村探测结果，表层结构大致分为两层：第一层为第四系覆盖层，岩性为粘土，厚度在2～6m，时窗为0～100ns，表现为能量强、频率较高，连续性较好的波组特征；第二层为个旧组风化灰岩，厚度8～16m，时窗为50～300ns，表现为能量较弱且变化大、频率较低，连续性差的波组特征；向下则表现为无明显反射或杂乱零星反射的“平静带”波组特征，表明已进入基岩(完整灰岩)层。

图3-18为纳堡小学L20线的测量结果，雷达反射波大致分为三层，第一层时窗0～80ns，为能量强、频率较高的波组特征，深度约5m，反映了第四系覆盖层；第二层时窗80～300ns，为能量弱、变化大、频率较低的波组特征，深度约5～16m，反映了风化灰岩层；第三层时窗300ns以上，为无明显反射或杂乱零星的波组特征，推断已进入完整的灰岩层。在剖面10～15m处，时窗范围160～200ns，深度约9～12m范围内，地质雷达记录出现明显的强反射波异常，推断解释为岩溶裂隙含水层。经施工的浅钻验证，覆盖层厚5.15m，5.15～15m岩溶发育，以溶隙、溶洞、溶孔为主，为主要含水层段，涌水量36m³/d，15m以下岩溶不发育，富水性弱，与推断结果吻合。

图3-18 泸西小江流域纳堡村纳堡小学L20线地质雷达曲线

纳堡村宾珍红商店地质雷达测量未发现异常，反射波为明显的两层，顶部覆盖层为高能量波特征，时窗0～100ns，厚度约6m，下部为基岩的平静弱反射波特征，经ZK2浅钻验证，基岩埋深6.7m，孔深30.3m未见水，探测结果与验证结果一致。

纳堡村实验点共圈出8处地质雷达异常，经钻孔验证4处，除1处水量小外，3处表层岩溶水较丰富。

图3-19为皮家寨大泉旁实测地质雷达剖面，大致可分为两层，第一层时窗0～60ns，波组连续稳定，反映出第四系覆盖层厚度为1～3m；时窗60～300ns，地质雷达曲线显示为杂乱反射、振幅变强、频率变低的异常现象，推断该区地下3～16m之间的个旧组灰岩中岩溶裂隙较为发育，局部存在较大充填或未充填的溶洞，如L73线7m、28m、55m处推断为岩溶含水区，与高密度电法38线100～110点的低阻异常对应。经钻孔验证，溶洞，溶孔发育，与推断结果吻合。

图3-19 泸西小江流域皮家寨L73线地质雷达曲线

3.3.7.4 结论

地质雷达反射波组特征：岩溶裂隙含水层为明显的强反射波异常；第四系覆盖层为能量强、频率较高，连续性较好的反射波；风化灰岩层为能量较弱且变化大、频率较低，连续性差的反射波；完整灰岩层为无明显反射或杂乱零星反射的“平静带”特征。

地质雷达在探测深度0～30m范围内，分辨率较高，对表层岩溶裂隙发育带探测效果较好，划分的覆盖层厚度较接近，误差均小于1m。推断的岩溶发育异常带，准确度很高，是表层岩溶找水的有效方法之一。

6. 地质雷达探测法的原理

[地质雷达] Ground Penetrating Radar(GPR)是探测地下物体的地质雷达的简称。 地质雷达利用超高频电内磁波探测地下介质分布，它的基本容原理是：发射机通过发射天线发射中心频率为12.5M至1200M、脉冲宽度为0．1 ns的脉冲电磁波讯号。当这一讯号在岩层中遇到探测目标时，会产生一个反射讯号。直达讯号和反射讯号通过接收天线输入到接收机，放大后由示波器显示出来。根据示波器有无反射汛号，可以判断有无被测目标；根据反射讯号到达滞后时间及目标物体平均反射波速,可以大致计算出探测目标的距离。 由于地质雷达的探测是利用超高频电磁波，使得其探测能力优于例如管线探测仪等使用普通电磁波的探测类仪器，所以地质雷达通常广泛用于考古、基础深度确定、冰川、地下水污染、矿产勘探、潜水面、溶洞、地下管缆探测、分层、地下埋设物探察、公路地基和铺层、钢筋结构、水泥结构、无损探伤等检测。

7. 地质雷达的天线频率,探测深度和分辨率三者之间的关系是什么

脉冲雷达有调制频复率制和重复频率，调制频率也就是常说的天线频率，一般地说，天线频率越高探测越浅，重复频率越高也越浅。分辨率是调制脉冲越窄越高，但能量也小了探测就近。天线频率高了分辨率也高。也可以说分辨率高了相对就探测近。

8. 地质雷达方法在公路质量检测中的应用

公路质量检测的原始方法是采用钻探取心法，该方法不仅效率低、代表性差，而且对公路有破坏，为了快速、准确和科学地评价公路质量，必须采用无损检测方法。目前，常用于公路检测的物探方法有地质雷达、瞬态面波法、高密度电阻率法和人工地震等方法。在这些物探方法中，由于地质雷达方法具有快速、连续、无损检测的特点。因此，在公路质量检测中得到更加广泛的应用。

高速公路是由土基础、二灰土、二灰碎石、面层等构成，由于空气、沥青面层、二灰碎石、土壤等介质的介电常数不同，电磁波将在其介质发生变化的界面产生反射波。图5－11为电磁波在公路剖面中各界面的传播、反射途径示意图。图5－12为电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图。

图5－11 电磁波在公路剖面中的传播、反射途径示意图

环境与工程地球物理勘探

图5－12 电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图|t₀—电磁波在空气中的双程走时;t₁—电磁波在沥青面层中的双程走时;t₂—电磁波在二灰碎石中的双程走时。A₀—反射波R₀的振幅;A₁—反射波R₁的振幅;A₂—反射波R₂的振幅

长春至四平高速公路采用沥青路面，路面下为碎石垫层。路面分三次铺设完成，设计路面厚度为25cm。在工程竣工前采用地质雷达进行了路面厚度检测。

工作中使用的地质雷达为SIR—2型，工作天线频率为900MHz。图5－13为长春至四平高速公路上某段路面的地质雷达检测剖面图，图中5.8ns附近的强反射为沥青面层与碎石垫层界面的反射，根据反射界面的双程走时和电磁波在沥青路面中的传播速度计算出路面厚度。沥青路面的电磁波速度采用实验标定并进行统计后得到，检测结果表明，由于二灰石垫层凹凸不平，导致沥青路面厚度有较大变化，最薄为26cm，最厚为43cm。达到了设计的要求。路面厚度评价按国家公路路面结构层厚度评价标准进行;在经数据处理后的地质雷达剖面中读取电磁波在面层中的反射波双程走时，计算出面层厚度并作出厚度评价结果。

图5－13 长春至四平高速公路某段路面的地质雷达检测剖面图

地质雷达方法在公路质量检测中除可进行路面厚度检测外，还可进行路基隐患(脱空、裂缝等)的检测以及桥涵的质量检测。有些学者开展了地质雷达对公路压实度、强度及含水量的检测研究。

9. 地质雷达探测深度与分辨率受哪些因素影响

地质雷达的数据采集将直接影响到地质雷达图像的质量，如何设置正确的工作参数版和选中正确的时机权来检测混凝土结构是很重要的。
地质雷达探测深度与分辨率主要影响因素有:
1.地质雷达探测深度和分辨率是一个矛盾的关系，天线中心频率高，探测深度小，分辨率高，要按照实际情况选择合适的天线频率；
2.地质雷达工作参数的选取对检测结果影响较大，应进行反复对比后选取合适的工作参数，选取参数时按照尼奎斯特定律；
3.混凝土龄期对地质雷达检测结果的准确性有地质构造和其它干扰因素的存在，这些公式有其局限性，所以在实际操作过程中，要选择不同中心频率的天线和设置几组不同的参数探测，选取探测效果最佳的天线和参数完成探测工作。

10. [请教]地质雷达图像如何判读

感谢专家。从有的地质雷达资料图像，可以清晰的看到物体边界，如竖向桩体的缩径、扩径位置及性状。这种图像是否有太多人为处理？