探地雷达的发展与应用

探地雷达的发展与应用

孙玺

青岛市勘察测绘研究院山东青岛266032

摘要：文章阐述了探地雷达法的基本原理，介绍了探地雷达的发展历程，并通过探地雷达的典型应用分析介绍了探地雷达的应用领域和资料解释方法。对探地雷达法在岩土工程和工程检测领域的应用进行了论证和说明，确定了该方法在工程方面的实用性。

关键词：探地雷达

1前言

地层透视雷达（GroundPenetratingRadar，简称GPR）是近年来迅速发展起来的一种无损探测技术。目前国外已将这项检测技术应用得非常广泛，而且后期的技术支持也日趋成熟。国内在二十世纪90年代开始引进GPR检测系统，尤其是在上海，探地雷达已经逐渐开始被岩土工程界及检测部门所关注，其应用范围也越来越广泛。

2探地雷达的方法原理

探地雷达法是一种广谱电磁技术，它利用发射天线将高频电磁波（107Hz～109Hz）以宽频带短脉冲形式送入介质内部，经目标体的反射后回到表面，由接收天线接收回波信号。脉冲波旅行需时：t=，当介质中波速v为已知时，可根据测到的精确t值（ns，1ns=10-9s），由上式求出反射体的深度。式中x（m）值在探测中是固定的；v（m/ns）值可以用宽角方式直接测量，也可以根据v=c/近似算出。其中c为光速，ε为地下介质的相对介电常数值，后者可利用理论数据或测定获得。雷达像剖面图常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以白、黑表示，或者以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰线、等色线即可形象地表征出地下反射面或目的体。在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达成像剖面。

3探地雷达系统发展现状

最早从事研制与开发透视雷达系统有3家公司，它们是加拿大的Sensor&SoftwareInc、瑞典的MalaGeoScienceInc、美国的GeophysicsSurveysSystemsInc。到目前为止，这三大公司的产品几乎占据了国际市场的70%。近几年，随着国际市场的竞争日益激烈，出现了如ERATechnologyLtd.（英国）、IngegneriaDeiSistemi（意大利）、RoadRadarLtd.（加拿大）、SATIMO（法国）、RadarSystemInc.（拉脱维亚）、KodenElectronicCo.Ltd.（日本）等公司，虽然起步较晚，但借助于当今高性能数字仪器、计算机数据处理技术的飞速发展及丰富的人力资源，至今它们已推出了具有自身特色的透视雷达系列产品，并且开始逐渐走向国际市场。

4探地雷达的常用参数分析

与电磁现象相关的物性参数主要包括介电常数、电导率、磁导率等。由上述物性参数可推到出波数、波速、相位系数、吸收系数等。

探地雷达接收的波通常有空气波、地面波、地下和空中不同界面的反射波、折射波、外场电磁波等[2]。常见岩体中，灰岩的电磁波波速为0.11m/ns，页岩波速为0.09m/ns，黏土波速为0.06m/ns，饱和砂岩波速为0.06m/ns，干砂岩的波速为0.15m/ns，花岗岩波速为0.13m/ns[1]。波速越大，波的层内传播时间越短。

表征磁介质磁性的物理量称为磁导率，电导率是物质传送电流的能力，是电阻率的倒数。

反映电介质极化性质的宏观物理量叫做电容率，定义为电位移D和电场强度E的比值，以ε表示，一般用相对电容率εr来表示电介质的极化性质，即：εr=ε/ε0。ε为该电介质的电容率，ε0为真空的电阻率，相对电容率又叫做相对介电常数或介电常数。

5探地雷达资料解释

雷达资料解释，包括两部分的内容，一为数据处理，二为图像解释。识别异常过程是一个经验积累的过程，一方面基于透视雷达图像的正演成果，另一方面由大量的工程实践成果获得。由于目的体的衰减系数、介质中的传播速度、介电常数、电导率不同，不同的目的体在雷达波形上各有特征。

不同介质的介电常数相差越大，反射越强烈，能量也就越大。电导率越大，对波的振幅吸收越明显。在非色散介质中，雷达具有较好的保真性能，色散介质对信号吸收更强，保真性较差。

雷达数据会受不同物质的干扰，如枝繁叶茂的大树会导致低频波出现，信号强、波形杂乱；建筑物的侧面反射波则往往表现为随离建筑物远近出现的射线单调下降波形，能量逐渐增强或衰减；地形干扰如单坎则往往表现为“八”字波形，“凸”坎则则在记录上呈“X”型；耦合不好时则往往出现信号强、衰减慢的无阻尼振荡

在断层破碎带的推测方面，电磁波由良好介质入射至断层破碎带时，断层破碎带完整性差，介质不均匀，会产生较强的界面反射波，振幅达、波峰尖锐。电磁波遇到断层破碎带，其界面反射会发生极性反转，通过断层破碎带时电磁波的能量衰减很快。电磁波在穿越断层破碎带的过程中高频的衰减是缓慢的，因此在无水断层破碎带中，电磁波能够较好地保存高频成分[3]。

6结论

1、透视雷达技术在地球物理学界应用得较为广泛，它所特有的高分辨率特性可以顺利地解决浅层或超浅层地质问题，在工程勘察、城市管线探测、路基质量评估等方面有着不可

替代的作用。

2、探地雷达法主要依靠与物质电磁性质相关的参数开展工作，不同参数在不同介质中的表现会对雷达的图像及数据解译起到至关重要的指导作用。

3、探地雷达在断层破碎带、空洞探测等岩土工程领域及工程检测领域均有应用，且应用领域不断扩展，有着广阔的发展空间。

参考文献

[1]岳全贵，张扬，肖国强，周黎明.探地雷达的常见干扰和不良地质体的超前预报在隧道工程中的应用[J].长江科学院院报，2017，34（8）：36-40，63（YueQuangui，ZHANGYang，XiaoGuoqiang，ZHOULiming.CommonInterferencesofGroundPenetratingRadarandAdvancedPredictionofBadGeologicalBodiesinTunnelEngineering，JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute[J]，2017，34（8）：36-40，63）

[2]兰樟松，张虎生，张炎孙，孙文才.浅谈地质雷达在工程勘察中的干扰因素及图像特征[J].物探与化探，2000，24（5）：387-390（LANZhangsong，ZHANGHusheng，ZHANGYansun，SUNWencai.ATentativeDiscussionOnInterferenceFactorsAndImageCharacteristicsInTheApplicationOfGeologicalRadarToEngineeringExploration，2000，24（5）：387-390）

[3]郑立斐，肖立拓，李小青.地质雷达超前预报正演模拟及应用[J].交通科技，2018，2：76-81（Z）.（ZHENLifei，XIAOLituo，LIXiaoqing.ForwardModelingandApplicationofGPRForwardPrediction[J]，TransportationScience＆Technology，2018，2：76-81（Z））