住房城乡建设行业信息化发展报告-市政设施管理信息化分报告 技术样例-探地雷达（探测技术）

技术编写样例-探地雷达1.概述探地雷达，又名地质雷达，英文名为GroundPenetratingRadar、GroundProbingRadar、GeoRadar、SubsurfaceRadar等，而以探地雷达或GroundPenetratingRadar(GPR)为常用名称。探地雷达是一种高效的地球物理探测方法，利用地下土壤等介质电磁参数的差异性，通过探地雷达天线发射电磁脉冲，根据天线接收到回波的振幅、波形和频率等特征来分析和推断地下介质结构和物理特征。探地雷达的历史最早可追溯到20世纪初。1904年，德国人Hülsmeyer首次将电磁波发射与接收技术应用于地下金属体的探测。1910年，Leimback和Löwy提出了第一个将雷达技术用于地下埋藏物的专利，他们用埋设在一组钻孔中的偶极天线探测地下相对高导电性质的区域，正式提出了探地雷达的概念。1926年Hülsenbeck第一个提出应用脉冲技术确定地下结构和埋藏物的思路，并指出介电常数不同的介质交界面会产生电磁波反射。从原理上看，探地雷达是早期探空雷达在地下探测领域的延伸，但由于地下环境较空气介质复杂得多，因此探地雷达的理论和实际操作较之探空雷达也要复杂一些。当然，由于探地雷达主要在地表开展探测，因此某些探空雷达的设计无法在探地雷达中得到直接借鉴和应用。与传统的地球物理探测方法相比，探地雷达具有快速便捷、抗干扰和场地适应能力强、探测分辨率高等方面的优势，因而该技术一面世便受到工程物探界的普遍重视。从管线探测的角度来看，探地雷达理论上是一种能探测各种材质管线的通用技术，因此近年来颇受各类管线探测技术人员的青睐。但是相比于其他一些成熟的管线探测技术，如探测金属管线的管线探测仪，探地雷达技术仍有巨大的发展空间，一些现有技术的更新和新技术的应用仍在不断的开展之中。2.技术要点2.1基本工作原理探地雷达勘探是一种以地下不同介质的介电常数差异为基础的地球物理探测方法。如图1所示，由发射天线Ti向地下介质中发射一定中心频率的电磁脉冲波，电磁波在地下介质中传播时，遇到介质中的电磁特性（电阻率/电导率、介电常数及磁导率）差异分界面发生反射和透射等现象；被反射的电磁波传回地表，由接收天线Ri接收；通过电脑进行操作和控制；接收天线所接收的地下反射回波信号传输到仪器控制台，转换成时间序列信号；这种时间序列即构成每一测点上的雷达波形记录道，它包含该测点处所接收到的雷达波的幅度、相位及传播时间等信息。由电脑收集并存储每一测点上雷达波形序列，形成一个由若干记录道构成的雷达剖面（见图1）。通过对地质雷达剖面进行处理与推断解释，便可获得探测剖面线下方有关的地质特征与信息，如地下管道位置信息。图1探地雷达探测地下目标体的基本工作原理图2给出了在某一时间点由发射接收天线相对位置和电磁波在地下介质传播速度计算地下介质分层（如地下管线顶部）深度的方法。图2地下分层结构深度计算方法脉冲波行程需时：其中，：介质中的波速Z：目的物埋深X：收发天线之间的距离：脉冲波的行程当地下介质中波速V为已知时，可根据测到的t值（ns，lns=10-9s）由上式求出目的物的深度Z（m）。V值（m/ns）可以用宽角方式（WAAR）直接测量，根据V≈C/ε近似算出（当介质的导电率很低时）。其中C为真空中光速（C=0.3m/ns），为地下介质的相对介电常数值。分辨率方面，雷达的纵向分辨率取决于雷达脉冲子波的宽度，其关系式为：，式中为有效频带宽度，为分辨界面的有效波形之间的时间间隔。实际应用中一般采用半波长作为分辨率的衡量标准，而雷达横向上的分辨率问题，则由介质的吸收特性决定，雷达的横向分辨率与天线的极化方向以及目的物的物理属性、雷达主频及目的物的埋深有关。2.2．数据采集与处理技术探地雷达数据的实地采集大体分为如下几个步骤：评估目标特性；选择探测天线；连接系统；试验测线；估计地层速度；调整系统处于最佳；开始记录数据。在实地探测之前，要对要使用的仪器进行检查。检查探地雷达的各部分连接线是否完好，各部分是否正常工作，笔记本和软件，保证各部分都能正常工作。在使用传统测绘仪器进行地上平面定位辅助时，还需要检查GPS基准站、接收机各项参数是否正确，保证仪器数据可以正常传输。对全站仪的测距精度进行检验，全站仪键盘及电池情况进行查看，棱镜和三脚架的使用情况，保证设子测图的精度。实测前，将被测区域划分成一个个规则的小区域，比如将一个较大的厂区划分为多个形状比较规则的矩形区域。在划分好的每一个相对比较规则的小区域中，布置相互垂直的网格状测线，网格的间距可根据现场管线的复杂程度来决定；之后便可使用雷达沿着已经布设好的测线进行探测，同时需注意做现场标记与探测记录。探地雷达数据处理的目的是压制各种来自地下介质环境的随机干扰和规则干扰，以最大限度地提高探测目标在雷达图像上的反映程度，即提高数据图像的信噪比，辅助识别各种反射信息。处理技术主要包括：数字滤波技术所谓滤波，就是要滤掉雷达记录上的干扰波，保持反射波，提高信噪比，使雷达记录的波形接近反射波的波形。主要的滤波技术包括频域滤波和时域滤波。增益调整技术由于干扰及地下介质的复杂性等问题，使得我们有时难以从雷达图像剖面中识别地下介质的分布，因此有必要对雷达图像进行适当的增益调整处理，以便达到改善图像质量，有利于进行图像识别的目的。校正处理由于雷达野外探测场地存在的地形起伏变化和在进行连续扫描雷达探测时存在的雷达天线拖动速度差异影响（未安置测量轮的情况），都将使探测目标图像发生畸变，校正处理的目的就是要消除这种畸变影响，使目标图像还原为其真实特征。校正处理分为地面高程校正和水平距离校正。偏移处理探地雷达测量的是来自地下介质交界面的反射波。偏离测点的地下介质交界面的反射点只要其法平面通过测点，都可以被记录下来、在资料处理中是要把雷达记录中的每个反射点移到其本来位置，这种处理方法称为偏移归位处理。经过偏移处理的雷达剖面可反映目标物相对介质的真实位置。3．应用领域3.1应用领域历史沿革由于地下介质的电磁衰减比空气中强得多，加之地下介质情况的多样性，电磁波在地下的传播比空气中复杂的多，这项技术在问世后的三四十年里并没有被大规模地运用，直到50年代后期这种状况才得以改变。探地雷达先后在在矿井(1960年)、冰层厚度(1963年)、地下粘土属性(1965年)、地下水位(1966年)等应用方面得到了应用。值得一提的是，自20世纪70年代以来，随着计算机和微电子技术的飞速发展，探地雷达无论是在仪器设备，还是数据处理等方面都得到普遍提高，其应用范围不断扩大，已广泛应用于地质、工程、资源、环境、军事等方面。1972年Procello将探地雷达技术应用于探测月球表面结构。同年，RexMorcy和ArtDrake开启了探地雷达技术的商业化发展，成立了GSSI(GeophysicalSurveySystemsInc.)公司，主要从事商业探地雷达的研发和推广，进一步加快了该技术的大规模应用和新应用领域的拓展，如：石灰岩地区采石场的探测(1971年)、淡水和沙漠地区的探测(1974年)、工程地质探测(1976年)、煤矿井探测(1975年)、泥炭调查(1982年)、放射性废弃物处理调查(1982年)、以及地面和井中雷达用于地质构造填图(1997年)、水文地质调查(1996年)、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测、水坝的缺陷检测、隧道及堤岸探测、地下管线探测等。到目前为止，有代表性的商用探地雷达系统有：美国GeophysicalSurveySystemInc.公司的SIR系统、MicrowaveAssociates的MK系列，加拿大Sensor&Software的PulseEKKO系列，瑞典地质公司(SGAB)的RAMAC/GPR系列，日本应用地质株式会社OYO公司的GEORADAR系列及一些国内产品(电子工业部LTD系列，北京爱迪尔公司CR-20、CBS-900等)。这些雷达仪器的基本原理大同小异，主要功能有多通道采集、多维显示、实时处理、变频天线、多次叠加、多波形处理等，另外还有井中雷达系统，多态雷达系统，层析成像雷达系统等。我国自主探地雷达的研究始于70年代初，当时的地矿部物探所、煤炭部煤科院，以及一些高校和其他研究部门均做过探地雷达设备研制和野外试验工作，但由于种种原因，这些研究未能正式用于实际。90年代以来，由于大量国外仪器的引进，探地雷达得到了广泛的应用与研究，主要应用领域有隧道、水利工程设施、混凝土基桩、煤矿、公路、岩溶、工程地质、地下市政管网等。3.2发展趋势与局限性探地雷达技术相对其它地球物理探测技术来讲，是一项新的技术，在很多方面还有待进一步研究，对从事该项技术研究的人员而言，仍有大量研究空白需要填补。在仪器研制方面，目前具有自主知识产权的探地雷达仪器仍不多，而进口仪器价格偏高，同时我国幅员辽阔，各区域地下介质差异极大，因此对适合我国特点的仪器的需求量较大，为研发新型仪器提供了巨大的应用前景和市场驱动。探地雷达使用的是高频电磁波，对探测目标的分辨率较高，但因高频电磁波在地下介质中的衰减，因而导致其探测深度范围受到限制，例如在潮湿的粘土环境下，其有效探测深度被大大折扣，很难探测到深埋管线，因而限制了该方法的应用领域。此外，对地表下存在强导电层的环境（如高含碳地层