信息检索结课论文
题目：探地雷达的发展现状
学院：信息与通信学院
专业：电子与通信工程
学生姓名：甘睿
学号：1502303016
授课教师：蔡国永
探地雷达的发展现状
【中文摘要】(GPR)是一种利用电磁波对地下区域进行无损探测的装置，它根据电磁波在地下介质不连续处产生的反射和散射等现象来反演地下场景和目标的信息，实现对地下目标的检测和识别。通过GPR成像技术，可以对地下目标的信息进行直观显示，便于人们对地下目标的解译。由于GPR成像技术具有非破坏性、高分辨率、探测速度快、操作方便、安全性高等优点，其在军事和民用领域中得到广泛的应用，具有很好的发展前景。与传统雷达成像不同，GPR成像场景较为特殊，具体表现为GPR工作于近场条件，且工作场景和目标特性均比较复杂。
【英文摘要】GPR(GroundPenetratingRadar)uses electromagnetic waves to probe theunderground region nondestructively. GPR can be used to reconstruct the information ofunderground scenes and targets by the reflection and scattering phenomena stimulatedby the discontinuity of the underground medium, as well as underground targetdetection and recognition. The information of underground targets can be displayeddirectly by GPR imaging technique, which is also convenient for the interpretation ofunderground targets. Because of the advantages such as nondestructive, high resolution,fast probing and high safety, GPR has been widely used both in military and civilianapplications, and it possesses great developing potential. Unlike traditional radarimaging, the observing scene of GPR is relatively special because GPR works in nearfield conditions and the characteristics of both the imaging scene and targets are rathercomplicated. In order to solve these problems, an in-depth and detailed research hasbeen carried out in this thesis in the aspects of time domain imaging technique,frequency domain imaging technique, super resolutionimagingtechniqueandcompressive sensing imaging technique.
【关键词】探地雷达发展现状研究技术
【正文】
1.探地雷达的研究背景和意义
探地雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)是用来对地下目标或场景进行探测的雷达系统。利用电磁波在地下介质电磁特性不连续之处产生的反射和散射象，GPR可以获取地下目标或场景的几何和物理信息。与传统的对地探测方式相比，GPR具有不破坏探测场景、可重复性强、采样密集、安全可靠、高分辨率、操作灵活、经济性强等优势，己在军事和民用的诸多领域得到广泛应用。
在系统层面，GPR存在着参数设计、信号形式选择、系统结构设计、天线设计、数据采集等方面的问题。这些问题是GPR系统性能和应用范围的决定性因素，在GPR相关研究中具有基础性的作用。在应用层面，GPR己在地雷或未爆炸武器(Unexploded Ordance, UXO)探测、无损探伤、冰川冰层探测、冻土探测、地质水文探测、市政工程、管线定位、考古勘测、海岸环境探测、河流沉积探测、风蚀沙丘探测等领域发挥了巨大作用。在信号处理层面，GPR 主要存在介电常数估计、直祸波与直达波去除、噪声抑制、射频干扰抑制、目标检测与识别、成像等方面的问题。信号处理方法的性能从一定程度上影响了GPR的性能，对降低数据处理和解译的难度具有重要的意义，其中目标检测和识别是信号处理最本质的目的，而其余方面的问题则是目标检测和识别的预处理过程或辅助手段。
由于GPR探测的根本目标是为了对地下目标或场景进行检测和识别，而最初人们直接使用一维或二维回波来完成检测或识别工作，这种工作方式既不方便直观，又对操作人员的专
业技能和先验知识提出了较高层次的要求。为了降低目标检测和识别的难度，GPR成像技术应运而生并不断发展。通过改变雷达回波中能量的分布情况，GPR成像技术可以更为直观地表现地下场景及其中目标的几何或物理特征，便于目标解译工作的开展。由于GPR成像技术可使目标解译变得更加容易和准确，己成为当今非破坏性对地探测领域中应用最广泛、最具发展前景的技术之一。
常见的成像雷达如合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)、逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)等在工作时，其收发的电磁波均在空气中传播，而GPR工作时电磁波会在非自由空间介质中传播。通常情况下GPR工作场景中会存在两种及以上种类的传播媒质，电磁波在不同媒质中的传播速度会发生变化，并且在媒质的交界面上还会发生反射、折射等现象。这是导致GPR成像区别于对空雷达成像的关键，也使得GPR 成像问题与对空雷达成像相比更为复杂和困难。
由于GPR系统的探测环境和应用需求与普通雷达系统不同，GPR成像与通常的对空雷达成像相比也有诸多特殊之处，具体地说有以下几点不同。
第一是GPR工作于近场情况。一方面，GPR的成像需求一般具有较高分辨率指标，而理论的极限分辨率正比于信号波长，为达到分辨率指标，发射信号的波长不应过高，而系统对介质的穿透能力与波长成正比，这导致GPR的穿透范围不能过大。另一方面，目标的分布情况决定了GPR探测场景的范围不会过大，例如在典型的探雷、管线探测、高速公路路面检测等浅层目标探测应用中，GPR距离探测场景和目标都很近。上述两个原因决定了GPR一般工作于近场情况，不能按照传统对空雷达成像时的远场近似来分析问题。
第二是GPR的工作场景复杂。由于GPR的成像场景中一般存在两种或更多种类的介质，电磁波在传播过程中会在介质交界面发生反射、折射、散射、多次反射等作用。另外，由于实际条件下介质并非非理想的各向均匀材质，在介质内部也会由于其电磁特性变化而导致电磁波传播路径或速度发生变化。而在对空雷达成像模型中，通常认为电磁波是在理想的自由空间内传播，因此GPR的工作场景相对而言比较复杂，其成像结果中也相应地会出现大量旁瓣或杂波干扰，严重影响了目标检测和识别的效果。
第三是GPR工作时目标特性复杂。对空雷达与目标之间通常只有空气，目标与其背景环境的电磁特性差异较大，目标特性较为确定。但是GPR工作场景中由于存在背景环境，目标与其所在环境的电磁差异较小，且不确定性较大。目标特性不仅决定于其自身材质，还与背景环境有关。复杂的目标特性也会增加成像结果中的干扰成分，为检测或识别增加困难。
上述的三个特点给GPR成像带来新的难题和挑战，为了更好地对地下目标和场景进行成像，提高目标检测和识别的效果，本文将从分辨率、旁瓣和杂波抑制效果、成像速度和精度等各方面提高GPR成像算法的性能，为GPR地下目标检测和识别奠定坚实的基础。
2 .GPR成像技术的国内外研究现状
2.1 G P R系统的发展概况
GPR的起源可追溯到20世纪初，德国人Hulsmeyer于1904年开创了使用电磁信号对深层地下金属进行探测的先河。但对该技术的首次描述出现在Leimbach和Lowy在其1910年的德国专利中，他们利用电磁波实现了对地下埋设目标的定位。1926年Hulsenbeck首次使用了脉冲技术来确定地下目标的结构信息，他指出包括电导率在内的电磁参数的变化将导致电磁波的反射现象，该发现明确了电磁回波数据和地下场景之间的关系，因此也奠定了使用电磁波探测的方法要优于传统的地震方法的理论基础。
随着科技和商业的进步，继GSSI之后国外涌现出一批国际知名的GPR商业制造公司，它们制造了许多商品化和系列化很强的GPR产品。当前主流GPR制造商主要包括美国的GSSI
公司，加拿大的SSI (Sensor & Software Inc)公司，瑞典的MALA Geoscience公司，意大利的IDS (Ingegneria Dei Sistemi)公司，口本的OYO应用地质株式会社，英国的ERA Technology公司，法国的SATIMO公司，芬兰的Toikka Engineering公司等。
我国科研人员紧跟GPR科技发展的步伐，在该领域取得了一些进展。国内己对GPR开展研究的单位有:国防科技大学、中国电波传播研究所青岛分所、东南大学、中科院电子所、西安交通大学、中国地质大学、武汉大学、电子科技大学等。其中东南大学的沈庵等人于1996年研制出了脉冲探地雷达的样机，1999年长江大学的肖柏勋等人使用相控阵天线代替单极子天线，研制出相控阵探地雷达系统;西安交通大学研制出了用于铁路路基探测的探地雷达;北京爱迪尔国际探测技术有限公司研制的CBS-9000V型车载脉冲探地雷达、大连理工大学研制的DTL-1探地雷达等。中国电波传播研究所青岛分所于1990年研制开发出第一款GPR产品在国内市场销售，之后又相继开发出若干型号不同功能的多种GPR设备，其生产的LTD系列产品基本代表了国内GPR生产厂商的较高水平，图1.7(a)(b)分别是其公司最新开发的LTD-2100小型便携式探地雷达主机样图和地下管线检测应用示意图国防科技大学电子科学与工程学院于2005年成功研制出具有自主知识产权的工分高分辨率探地雷达系统RadarEye，该系统具有车载式和手持式两种搭载方式，作模式可随着应用需求进行调节，可对深层/浅层的多种目标进行检测、成像、类，具有较强的应用普适性和可推广性。图 1.8给出了RadarEye主机样图和配备了1型天线的系统构成图。
2.2 GPR成像技术的研究现状
随着人们对地下目标或场景信息需求的增长，GPR在地下目标解译领域发挥了巨大作用。而使用一维或二维回波进行数据解译具有很大的难度，难以满足人们对地下信息的需求。通过GPR成像技术可以极大地降低数据解译的难度和不确定性，提高地下目标检测和识别的效率和准确性。
GPR成像技术的起源主要是伴随着两个学科的发展而出现的，一个是遥感领域的地球物理探测技术，另一个是信号与信息处理领域的雷达成像技术。由于GPR的传统探测是针对地下场景或地下目标进行的，这与地球物理这一学科的研究对象基本相同，并且地球物理中经常使用到的地震探测方法与GPR使用电磁波进行探测具有一定的相似性;另一方面，GPR作为雷达家族的一员，伴随着雷达成像技术在上世纪的飞速发展，GPR成像技术也获得了长足的进步。
按照成像时所恢复的目标特征的不同内容，可将目标的等效模型分为两类：第一类是体散射模型，成像时将目标视为在空间具有一定扩展区域的散射体;第二类是雷达成像中经常使用的散射中心模型，由于此时将目标视为多个离散的强散射点，成像结果恢复出的是点状目标的散射强度和位置信息。
根据成像过程中处理回波数据时所在域的不同，可将GPR成像算法分为时域算法和频域算法两类，其中最典型和最具代表性的算法有时域的后向投影(B ackProjection, BP)成像算法和频域的距离偏移(Range Migration, RM)成像算法。
BP算法起源于计算机辅助层析(Computer Aided Tomography, CAT)技术，是SAR成像中原理最直观简单的一种成像算法，被提出后己广泛应用到核磁共振成像、声纳图和X射线扫描等领域中。由于原理类似，BP算法可直接应用到GPR成像之中，而且可以克服GPR分层介质带来的不利影响。Halman使用BP成像算法对地下未爆炸武器(Unexploded Ordance, UXO)进行了三维成像，结果证明了该算法在对地下目标定位和识别时的有效性。Carin等严格考虑了土壤的对电磁波的损耗、色散和介质分层带来的影响，在对目标进行精确电磁建模的基础上，使用美国陆军研究实验室(Army Research Laboratory, ARL)的超宽带全极化BoomSAR系统对实际雷场进行了探测，实验发现对于与土壤电磁特性差别不大的目标探测性
能不佳，但是通过改变土壤湿度从而增加土壤与目标的电磁差别可以改善成像性能。Tanyer 使用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)对非均匀介质中的BP成像问题，通过在能量求和中引入加权步骤，改善了BP算法的成像精度。雷文太等在考虑折射和衰减效应的基础上，增加了对近场条件下球面波的传播衰减的考虑，使得BP算法可以适应有耗媒质场景。从己有算法可以发现:BP算法在采样孔径不均匀、运动误差较大时鲁棒性较强，可以获得比频域算法更优的效果，但是其自身具有运算速度慢、旁瓣和杂波能量高等缺点。
RM算法起源于地震信号处理，在采集地震信号时，人们将一组传感器放置于地面上，当某个作为发射装置的传感器引爆震源后，其余的传感器便可接收到地下结构的回波信号。与之类似，SAR在空中平台发射电磁波，然后利用接收到的回波来反演待观测场景的散射情况，以上的研究都是基于波速不变模型进行推导的，即总是假设成像场景中只存在一种介质，而在实际GPR应用时，受人员安全或设备工作环境的考虑，天线总是距离地面一定的高度，从而使得上述基于单一场景模型的RM算法失效。
传统的成像算法又称为非自适应成像算法，通过傅里叶变换将宽带信号聚焦为高分辨率的脉冲。但是任何实际雷达系统在距离向和方位向的实际或等效信号都是带限的，带限信号经过傅里叶变换后不是一个理想的尖峰脉冲，而是会出现类似Sinc函数的主瓣及一系列的旁瓣，从而降低成像质量。而基于现代谱估计理论的自适应算法通过求解最优化约束方程使得阵列输出能量最小化，可获得优于传统算法的成像分辨率和旁瓣抑制效果。1969年Capon 首次提出了Capon波束形成(Capon Beamforming, CB)的概念，通过自适应选择阵列加权矢量来最小化阵列输出能量，开创了现代谱估计理论的新思路。然而Seligson和Cox指出当感兴趣信号的方向矢量不能精确己知时，CB的性能甚至比传统的傅里叶估计性能还差。虽然一些学者试图使用不同方法来改善CB的稳健性，但并未针对方向矢量的不确定性进行研究。直到Li和Stoica等人于2003年提出的鲁棒Capon波束形成(Robust Capon Beamforming)理论，才根本解决了上述问题。RCB在本质上与对角加载问题相似，都是基于方向矢量是位于椭圆不确定集中的未知量，且RCB可以很容易地消除估计时的尺度模糊，己广泛应用于各学科中的信号处理领域。Xie等人将RCB应用于医学成像中，提出了两步RCB的成像算法，成像结果具有高分辨率、低旁瓣、高信号干扰比等优点，根据数据切分的不同方式，Xie等人还提出了类似的几种成像算法，均具有较好的成像性能。Amhad等人同样利用了RCB理论，在基于高分辨率矢量成像(High-Definition VectorImaging, HDVI)技术的基础上，提出了一种适合于步进频率穿墙雷达的成像算法。为了解决基于RCB理论进行成像的效率问题，Amhad等人通过构造低维的协方差矩阵，在大幅降低运算量的同时保持了较好的成像结果。与RCB理论类似，现代谱估计理论中的正弦幅度相位估计(Amplitude and Phase Estimation of aSinusoid, APES)理论也具有优于传统估计方法的优势。1996年Li等人提出了APES方法并将其应用于谱估计和SAR成像中，效果优于传统傅里叶估计方法Larsson和Glentis 提出了二维APES的快速实现方法，并将其应用于SAR成像中，Lopez-Dekker等人将Capon 和APES理论应用到RADARSAT-2卫星数据SAR成像中，并定性地研究了各算法的性能。上述的各种基于现代谱估计理论的估计方法具有一定的可推广性，但在GPR特殊的成像环境下，还需考虑分层介质、波速估计等问题带来的影响。
传统的信号处理领域受Nyquist采样定理的限制，必须以高于信号带宽两倍的采样频率对信号采样，才可以无损地重构原始信号。这一定理为雷达成像带来了诸多不利因素，例如在对数据采集时必须进行高密度采样，大数据量使得随后的数据编码解码和传输过程的工作量加剧，资源耗费较大。而压缩感知((CompressiveSensing, CS)理论的出现使得基于Nyquist定理框架的原始采样方式发生了革命性的变化，只要信号满足可在某空间内稀疏表示的性质，那么只需进行少量的采样就能完成信号的无损重构。2006年Candes等人和Donoho
提出了压缩感知的概念，奠定了其理论基础，建立了超越传统框架的信号表示、采集、重构的新方法己有众多学者和研究机构将CS理论应用于实际光学成像系统之中，而雷达成像时的大多数情况下观测区域中的目标是满足可稀疏表示条件的，因此CS理论在雷达成像领域的应用前景也十分广阔。2007年B araniuk也对CS理论进行了研究，同年B araniuk讨论了CS理论在雷达成像中的应用，为建立硬件简单、低采样率的实际雷达系统指明了设计思路Herman等人提出了一个压缩感知雷达系统，提出了稀疏度的理论上限，仿真数据表明在实际系统中可获得更好的性能。Potter等人研究了稀疏重构算法和随机测量策略在雷达成像中的应用，指出CS理论将二者联系起来对雷达成像具有重要影响Gurbuz等人首次将压缩感知理论应用于GPR成像中，并用空气中金属球的成像实验验证了使用CS理论的优势，只是其实验并未考虑实际GPR观测场景中复杂的介质分布的情况。国内的余慧敏、屈乐乐等人分别研究了压缩感知理论在三维GPR和步进频率GPR中的应用，得到了优于传统算法的成像效果。
【参考文献】
[1] Counts T, Gurbuz A C, Scott W R, et al. Multistatic ground penetrating radar experiments [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2007, 45 (8): 2544-2553.
[2]Carin L, Sichina J, Harvey J F. Microwave underground propagation and detection [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2002, 20 (3): 945-952.
[3] Gader P D, Mystkowski M, Zhao Y. Landmine detection with groundpenetrating radar using hidden Markov models [J].IEEE Transactions on Geoscience
and Remote Sensing, 2001，39 (6): 1231一1244.
[4] Wilson J N, Gader P, Lee W-H, et al. A large-scale systematic evaluation ofalgorithms using ground-penetrating radar for landmine detection and discrimination [J]IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2007, 45 (8): 2560-2572.
[5] Montoya T P, Smith G S. Land mine detection using a ground-penetrating radar base on resistively Goaded Vee dipoles [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1999, 47 (12): 1795一1806.
[6] Gamba P, Lossani S. Neural detection of pipe signatures in ground penetrating radar images [J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2000, 38 (2): 790-797.
[7] Sun Y, Li X, Li J. Practical landmine detector using foward-looking ground penetrating radar [J].Electronics Letters, 2005, 41 (2): 97-98.
[8] Ho K C, Gader P D. A linear prediction land mine detection algorithm for hand held ground penetrating radar [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2002, 40 (6): 1374-1384.
[9] Chen C-C, Higgins M B, O'Neill K, et al. Ultrawide-bandwidth fully-polarimetric ground penetrating radar classification of subsurface unexplodedordance [J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2001，39 (6):1221-1230.
[10]Benedetto A, Benedetto F, DeBlasiis Mprocessing technique for pavement damages detectionpenetrating radar [J].IEEE Sensor Journal, 2005, 5 (3):R, et al.
Reliability of signaland classification using ground471-480.
[11]陈义群，肖柏勋.论探地雷达现状与发展[J].工程地球物理学报，2005,
2 (2): 149一155.
[12]杜二计，赵林，李韧.探地雷达在祁连山多年冻土调查中的应用[fJl.冰
川冻土，2009, 31 (2): 364-371.
[13]方广有.探地雷达及其技术概况和展望[[J].电波与天线，1994, (6): 1}4.
[14]冯陋，鹿琪，刘财等.防步兵地雷地球物理探测技术国内外研究动态[[J]. 地球物理学进展，2008, 23 (3): 929-935.
[15]李才明，王良书，徐鸣洁等.基于小波能谱分析的岩溶区探地雷达目标识
别[J].地球物理学报，2006, 49 (5): 1499-1504.
[16]李远强，陈伟.探地雷达在岩土工程勘察中的应用[[J] .岩土工程技术，2001，25 (3): 146-149.
[17]毛琳，俞明，常洲等.用探地雷达测量城市地下管线剖面[[Jl.现代雷达，2003, 25 (6): 19一20, 3 8.
[18]闪迪.探地雷达与面波勘探技术在考古调查中的综合应用[[J].工程地球
物理学报，2001, 8 (3): 339-343.
[19]苏兆锋，陈昌彦，张辉.探地雷达在城市道路无损检测中的八个要点分析[J] .岩土工程技术，2011, 25 (4): 180-182, 186.
[18]吴正生.综合地质超前地质预报方法再隧道工程中的运用[[J].工程与建设，2011，25 (6): 764-767.
[20]袁新顺，水中和，王桂明.探地雷达在箱梁腹板检测中的应用[[J].无损
检测，2009, 31 (5): 412-414.
[21]张伟，李妹星，张诗悦等.探地雷达在水利工程隐患探测中的应用[[J] . 水利与建筑工程学报，2011, 9 (1): 34-38.
探地雷达在公路检测中的应用 发表时间：2018-09-17T15:24:06.533Z 来源：《基层建设》2018年第25期作者：朱学荣 [导读] 摘要：探地雷达是探测地下目标的无损探测技术，具有探测速度快、分辨率高、可连续探测、操作方面灵活、费用低等特点，在我国工程勘察中应用愈发广泛。 身份证号：62012119660228XXXX 摘要：探地雷达是探测地下目标的无损探测技术，具有探测速度快、分辨率高、可连续探测、操作方面灵活、费用低等特点，在我国工程勘察中应用愈发广泛。现就探地雷达勘探技术工作原理、测量参数以及探地雷达在公路检测中的应用展开总结性分析，以提升业内同行对探地雷达的应用认知。 关键词：探地雷达；公路检测；工作原理；测量参数；应用 交通是国民经济发展中的基础产业，所谓“交通带来经济”，不仅提升了国民生活水平，同时也加速了整个社会经济的发展。加强公路工程质量、运行状态的检测，是维持我国公路建设发展的重要内容，同时也是确保交通安全的重要途径[1]。探地雷达技术的研发在公路检测工作中起到了重要作用，保障了公路工程质量与公路工程的实时维修，减少了因质量引起的重大事故，现就探地雷达在公路检测中的应用展开分析，提出几点对该技术的认识，为业内同行提供参考。 一、探地雷达勘探技术的应用原理 探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）又被称为探测雷达、地下雷达、地质雷达、脉冲雷达等，指的是面向地质勘探目标，借用高频脉冲电磁对地质目标内部结构的探测方法，具有高精度、高效率、无损等特点。探测中通常具备发射部分与接收部分，前者主要用于高频脉冲的产生与发射，而接收部分则由接收机、信号方法器、接收天线、信号处理等设备组成，主要借用电磁波对不同介质的折射、绕射、反射、散射、吸收等物理现象完成检测，其应用机理主要为：借助不同频率电磁波可随着不同介质传播速度差异性等特点，探地雷达通过向地下发射高频电磁波，以获得低些不同介质的反射波，并完成信息的分析，最终绘制出该区域雷达图形，以便于工程施工期间对地下介质实际情况的了解。 在公路工程检测期间，公路基层、面层、路基等材料介电常数均不同，这为探地雷达的实际应用创造了先决条件。电磁波在传播期间，在遇到差异性介电常数时可出现反射情况，介质的不同介电常数也不一致，如空气介电常数多为1，公路面层沥青、混凝土则分别在4~7左右，公路路基、基层则多数超过8[2]。此类明显的介电常数划分为探地雷达监测提供了重要技术支持。通过获悉电磁波反射时间、脉冲波形。、速度等测量，可准确获得公路各项基线参数，以此判定异常物位置，路基密实程度、路面材料厚度等。 二、探地雷达测量参数影响 1、地界面的回波 探地雷达检测中，界面回波信号是反应道路介质的主要参数，但由于公路原始波形相对复杂，如何区分路面与路基反射回波，是探地雷达技术的主要探究内容。事实上，目前绝大多数干扰波表现稳定，在实际勘探期间均有对应的措施进行干预，减少对反射波的影响。在探地雷达的使用中可对含界面反射波、非含界面反射波予以不同回波信号分析，以便确定底界面回波信号，获悉底界面回波时间，值得注意的是，操作中需充分应用已获得探测点进行探测参考，并比对探测图像中多个探测点，或利用已获得的反射波形展开区分、确定。 2、确定地面零点 如何确定地面零点是公路工程测量中重要内容，可对道路地面厚度检测结果造成直接影响。实际工作期间，主要借助金属板进行地面零点的确定，即：于天线下方置放金属板，以此在显示屏中获得全反射波形，通过比对雷达波与路面发射波，以确定地面零点情况。 3、标定介电常数值 路面介电常数值在很大程度上直接决定了路面厚度值的准确性，在探地雷达勘探中意义重大。但因路面材料结构、密实程度、潮湿度等因素差异，均会对路面介电常数值造成影响，以至于引起整个探地雷达勘探作业的正常开展。因此，在钻孔取样中应选在探测图像均匀的地方标定介电常数值，以确保检测结果的可靠。其次，特殊地段，如面层较厚与较薄的介电常数值同样存在差异性，因此在取样标定期间，需选择对应的介电常数值，以确保探测精度，不仅如此，在整个施工前，应综合考虑整体路面的结构变化与材料更换情况，以保证介电常数准确性。 4、正确选择天线频率 探地雷达在勘探期间，路面厚度的不同可对其天线频率造成影响，如高速路段的建设，其路面硬度要求为25.0cm，而普通路面厚度则仅需15.0cm即可，因此施工期间其具体数值应选择适宜的天线中心频率，以满足施工期间对接受天线的要求，保证反射波清晰与最佳探测效果。另外酌情考虑天线宽度与路面最小尺寸对天线频率造成的影响。 三、探地雷达勘探技术的应用 1、检测路面层厚 在整个公路工程质量的评估中，公路路面厚度是主要评价内容，采用探地雷达技术检测公路路面厚度具有必要性，是确保公路面层厚度符合工程设计的关键，同时利于公路后续的使用、维护、修复等工作的开展。在检测路面厚度中，探地雷达主要利用电磁波在曾界面反射时间、传播速度等因素综合考量，并随着探地雷达设备、仪器、技术等进步，为整个检测工作精确性提供了助力。探地雷达在使用中其无损性优势，在很大程度上避免了传统钻孔取芯的局限性，如减少对路面的损害、增加了施工工作量、降低了工作效率等。在有关数据调查中显示，我国探地雷达检测路面厚度误差率仅在3.0%左右，在保留检测客观性、准确性的基础上，减少了人力与经济的不必要浪费[3]。 2、总结路基病害 路基病害是造成整个公路质量的基础因素，广泛存在于现实工程中，不仅可导致面层；裂隙、层面脱空等路面变化，甚至引起面层二灰结石层、路床及其床下软弱，对整个公路造成更大危害性。探地雷达勘探利用电磁波探测，可发现路基沉降等引起的空洞、暗穴、坍塌等现象，并确定地基软弱层位置，了解其软弱层影像因素，制定有效的解决方案[4]。 3、检测维修质量 公路建设完成后，加强对公路质量的维修、维护是确保工程使用安全的保障，探地雷达勘探技术可实现地质的快速探测，了解公路病害有无针对性解决，加上探地雷达实时成像技术，在公路维修质量方面具有重要意义。
探地雷达操作规程 （文件编号：****-010） 共1页第1页版本/版次：D/ 0 生效日期：2016-01-01 1. 目的 为了使检测员更好地熟悉和掌握检测仪器的操作方法，保证检测数据的科学、公正和准确性，特制定本规程。 2. 适用范围 适用于探地雷达仪器 3 操作步骤 3.1测试前的安装准备 检查所有部件是否带齐，包括：电池、雷达主机、数据线、处理器电源线、信号线、工具箱、备件、固定用绑扎带、记录本； 3.2试验/检测的工作程序 （1）测试连接。将地质雷达天线通过支架安装。 （2）在扫描前调试主机并对主机进行参数设置。 （3）打开电源，控制天线移动的人员根据操作主机的人员口令，将天线紧贴待测界面上匀速移动。 （4）测试结束。按下stop结束测试点，保存文件并退出； （5）拆除信号线，拆除天线，支架。 3.3扫描之前的仪器调试和参数设置 （1）菜单系统—>设置—>调用，选择所用的天线。 （2）系统—>单位垂直刻度设为时间，单位为ns （3）测程：900M天线探测混凝土的量程约为15纳秒，为使所有有效信号完全显示，一般设置为20ns （4）采样点数：一般设为512或1024 采样点数越多，扫描曲线越光滑，垂直分辨率越好。但是采样点数增大，使得扫 描速率下降 （5）每秒扫描数：64 （6）增益点数：2 （7）垂向高通滤波器：225MHz
（8）垂向低通滤波器：2500MHz （9）数据位：16位 （10）发射率：100 KHz，发射功率越高，采集速度越快，但若采集过高，易损坏雷达系统 （11）信号位置设为手动 （12）表面设为0 （13）调出完整的直达波（首波），调整延时参数 若检测结构与上次相同，可不再次设置以上参数，系统默认上次检测参数。 （14）增益设置为自动，增益函数手动设置，可以改变增益点数多少、并且可以调整各增益点的函数大小，进而调整信号强度。增益函数调整过大，在探测资料中可能 人为造成假象。设置方法为先设为手动，再设为自动。 编制/日期：批准/日期：
第二讲国内外地质雷达技术发展状况（历史与现状） 探地雷达的历史最早可追溯到20世纪初，1904年，德国人Hulsmeyer首次将电磁波信号应用与地下金属体的探测。1910年Leimback和Lowy以专利形式在1910年的专利，他们用埋设在一组钻孔里的偶极子天线探测地下相对高的导电性质的区域，并正式提出了探地雷达的概念。1926年Hulsenbeck第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路，指出只要介电常数发生变化就会在交界面会产生电磁波反射，而且该方法易于实现，优于地震方法[1,2]。但由于地下介质具有比空气强得多的电磁衰减特性，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，使得探地雷达技术和应用受到了很多的限制，初期的探测仅限于对波吸收很弱的冰层厚度（1951，B.O.Steenson，1963，S.Evans）和岩石和煤矿的调查（J.C.Cook）等。随着电子技术的发展，直到70探地雷达技术才重新得到人们的重视，同时美国阿波罗月球表面探测实验的需要，更加速了对探地雷达技术的发展，其发展过程大体可分为三个阶段： 第一阶段，称为试验阶段，从20世纪70年代初期到70年代中期，在此期间美国，日本、加拿大等国都在大力研究，英国、德国也相继发表了论文和研究报告，首家生产和销售商用GPR的公司问世，即Rex Morey和Art Drake成立的美国地球物理测量系统公司（GSSI），日本电器设备大学也研制出小功率的基带脉冲雷达系统。此期间探地雷达的进展主要表现在，人们对地表附近偶极天线的辐射场以及电磁波与各种地质材料相互作用的关系有了深刻的认识，但这些设备的探测精度、地下杂乱回波中目标体的识别、分别率等方面依然存在许多问题。 第二阶段，也称为实用化阶段，从20世纪70年代中后其到80年代，在次期间技术不段发展，美国、日本、加拿大等国相继推出定型的探地雷达系统，在国际市场，主要有美国的地球物理探测设备公司（GSSI）的SIR系统，日本应用地质株式社会（OYO）的YL－R2地质雷达，英国的煤气公司的GP管道公司雷达，在70年代末，加拿大A－Cube公司的Annan和Davis等人于1998年创建了探头及软件公司（SSI），针对SIR系统的局限性以及野外实际探测的具体要求，在系统结构和探测方式上做了重大的改进，大胆采用了微型计算机控制、数字信号处理以及光缆传输高新技术，发展成了EKKO Ground Penetrating Radar 系列产品，简称EKKO GPR系列。瑞典地质公司（SGAB）也生产出RAMAC 钻孔雷达系统，此外，英国ERA公司、SPPSCAN公司，意大利IDS公司、瑞典及丹麦也都在生产和研制各种不同型号的雷达。80年代全数字化的GPR问世，具有划时代的意义，数字化GPR不仅提供了大量数据存储的解决方案，增强了实时和现场数据处理的能力，为数据的深层次后处理带来方便，更重要的是GPR 因此显露出更大的潜力，应用领域得以向纵身拓展。 第三阶段，从上个世纪80年代至今，可称为完善和提高阶段。在此期间，GPR技术突飞猛进，更多的国家开始关注探地雷达技术，出现了很多探地雷达的研究机构，如荷兰的应用科学研究组织和代尔夫大学，法国_德国的Saint-Louis 研究所（ISL），英国的DERA，瑞典的FOA，娜威科技大学和地质研究所，比利时的RMA，南非的开普敦大学，澳大利亚昆士兰大学，美国的林肯实验室和Lawrence Livermore国家实验室以及日本的一些研究机构等等。同时，探地雷达也得到了地球物理和电子工程界的更多关注，对天线的改进、信号的处理、地下目标的成像等方面提出了许多新的见解。GSSI公司在商业上取得了极大的成功，
路用探地雷达在公路病害探测中的应用 路用探地雷达在公路病害探测中的应用路用探地雷达在公路病害探测中的应用 黄成1，王正2，俞先江2 （1.中国铁建港航局集团有限公司，广东珠海519020；2.中设设计集团股份有限公司，江苏南京210005） 摘要：在公路改扩建或常规性养护定期检测中，采取常规的手段比较难以发现路面 结构内部病害。文章结合数值模拟和理论分析，研究探地雷达在公路路面病害探测中的应用，分析了路面内部结构不同病害的典型频谱图和波形特征，并将研究成果应用于工程实 践中，取得了良好的效果。文章研究成果有助于更方便的应用探地雷达对路面病害进行探测，从而为公路的改扩建和常规养护提供参考和建议，同时对探地雷达在公路路面的广泛 应用也有一定的促进作用。 关键词：探地雷达；路面；病害；探测 探地雷达的发展伴随着高速公路的建设应运而生，探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR，又称地质雷达），是应用地球物理学的一个新的分支，从20世纪80年代后期开始应用于公路检测。探地雷达检测技术具有快速高效、无损、高精度、操作方便、检测内容丰富等优点，逐渐受到公路部门的重视，并在公路质量检测中得到越来越广泛的 应用。探地雷达除了常规的应用于路面结构层厚度检测外，还能够对路面内部结构的脱空、空洞、裂隙、沉陷和严重疏松等病害隐患进行探测，能够较全面的反映出路面内部结构技 术状况，具有实时连续、高精度、快速和无损等特点。 1 探地雷达检测原理 探地雷达是通过向地下发送一种高频宽带电磁波。电磁波在地下介质传播过程中，当 地下目标体的介质存在差异时，如脱空、空洞、富水、分界面，电磁波就会发生反射。在 对反射雷达波进行处理和解译的基础上，根据接收到的雷达波形、强度、介电常数、双程 走时等参数进而推断地下目标体的空间位置、结构及几何形态，进而对地下隐蔽目标物的 探测。 探地雷达由主机、天线、电缆以及打标器等组成，针对路面结构病害检测时，一般选 取400MHz、900MHz的天线，探测深度在1.5m以内，能够满足检测要求。 探地雷达探测示意图如图1所示。探地雷达进行地下目标体检测时，理论基础为反射 系数R，它依赖于介质波阻抗之间的差异性。 图1 探地雷达探测示意图
解读我国探地雷达的应用现状及展望 发表时间：2019-04-26T16:27:00.530Z 来源：《基层建设》2019年第4期作者：李柯辉[导读] 摘要：本文从建筑工程质量检测、岩土工程勘察及地质勘探、城市基础设施探测、公路、铁路质量检测、水利工程探测、考古探测、军事及安全领域等方面，对我国探地雷达的应用现状进行了说明，并阐述了我国探地雷达的应用展望，以期为促进我国对探地雷达技术的更好应用，推动我国更多领域的发展提供参考。 广东省公路工程质量监测中心广东广州 510500摘要：本文从建筑工程质量检测、岩土工程勘察及地质勘探、城市基础设施探测、公路、铁路质量检测、水利工程探测、考古探测、军事及安全领域等方面，对我国探地雷达的应用现状进行了说明，并阐述了我国探地雷达的应用展望，以期为促进我国对探地雷达技术的更好应用，推动我国更多领域的发展提供参考。 关键词：探地雷达；应用现状；展望引言 就探地雷达而言，其在我国之中也被称为地质雷达，于应用方面主要是通过对频率在106到109Hz的超高频脉冲电磁波的利用，来实现对地下介质所具有的分布特征方面的有效探测的一种地球物理方法，且在近年来的不断发展之中，其在应用范围方面也愈加广阔，呈现出一片大好的应用前景。 一、我国探地雷达的应用现状 （一）在建筑工程质量检测之中的应用对于建筑工程领域而言，其一系列工作的开展，都需要相应的数据作为支撑，也就是说其对于数据本身的可靠性方面的要求较高，但就实际情况而言，其中包含了很多具有较高隐蔽性的工程，若仅仅通过常规手段展开数据的获取，则存在较大的困难。但就我国当前阶段的探测雷达技术应用而言，其在建筑工程质量检测领域之中的应用具有较为良好的成效，能够对以上的问题良好的解决，其能够针对建筑工程建设施工之中，缺陷部位与完好部位介质之间的介电常数差异性的对比，来对其中存在的较为隐蔽的质量缺陷良好的探测出来，以便于对缺陷部位问题进行及时的了解及补救。在探地雷达技术实际应用于建筑工程质量检测之中时，其往往是在建筑物的结构及探伤、混凝土浇筑的质量、保护层厚度及其中钢筋的分布情况等方面发挥相应的探测作用。 （二）在岩土工程勘察及地质勘探之中的应用在岩土工程勘察及地质勘探工作的开展之中，常规的地质勘查方法都是以钻孔勘查为主，其虽然发挥了一定的作用，但因勘查的过程之中其钻孔的数量毕竟有限，使之难以对工程建设开展区域地下地层的分布情况及相应的特征全面的掌握，这便会对工程实际的建设开展带来一定的质量及安全方面的隐患。此时，在建设所在区域地质勘查工作之中对探地雷达加以应用，能够对其快速且大面积普查的优势加以发挥，进而能够对传统钻孔勘查的缺陷加以弥补，实现对地下之中的障碍物分布情况、回填土所具有的厚度、地下断裂发育以及地层分层特征等方面的情况及内容拥有较为全面的了解，进而能够为岩土工程整体设计施工的开展提供有利依据。此外，在实际开展岩土工程勘察及地质勘探时，将探地雷达技术与其他技术相结合，能够实现对地基及矿产资源调查、地层划分、断层及断裂查找、水文地质勘察等方面情况的良好勘察，以便于拥有更高依据的开展施工操作。 （三）在城市基础设施探测之中的应用在城市整体的运行过程之中，其基础设施探测工作的开展必不可少，且所包含的内容较多，有地下空洞、金属及非金属管线探索、突发工程事故抢险、城市路面坍塌等等，但又因为城市之中本身的环境条件较为复杂，存在电磁干扰、机械振动等多方面的干扰源，致使大多数探测方法的开展都难以达到相应的探测效果。此时，应用探地雷达技术其本身的天线具有一定的屏蔽功能，使之能够无惧干扰正常开展探测工作，尤其是在桩基及复合地基等基础工程之中，能够实现对地基加固效果方面的准确检测。 （四）在公路、铁路质量检测之中的应用随着近年来我国公路及铁路领域的飞速发展，因探地雷达技术本身所具有的优势，使之在以上领域之中获得了较为广泛的应用，对其分别进行说明，则可分为以下几点。第一点，在公路建设方面，充分发挥了探地雷达的探测精度及速度方面的优势，使之能够在公路路基、路基病害检测、桥梁结构及沥青厚度的检测方面良好的发挥作用，经由相应的雷达图像，能够实现对缺陷部位的清晰观看。第二点，在铁路建设方面，探地雷达技术已经在包括翻浆、裂缝、孔洞等在内的路基病害检测、路基岩溶、采空区等方面的探测工作之中发挥了作用，并达到了较为良好的应用效果。就近年来的发展情况来看，探地雷达于铁路路基领域之中的应用，已经由原本的未经运营状态之下得到铁路线路探测，逐渐向处于通车运行状态之下的铁路线路方向发展，且正在着力开展轨道车载式铁路路基质量检测系统的大力研发工作[1]。 （五）在水利工程探测之中的应用就探地雷达技术而言，其在我国水利工程领域之中的应用，主要是在工程开展前期的滑坡体与基岩埋深方面的勘察工作，中期的水利工程施工质量、堤坝隐患探测等方面的应用，不仅仅能够对整体的施工开展及施工质量提供保障，还能够对施工整体的进度及质量控制工作的开展达到一定的促进作用。其中，探地雷达应用效果最佳的便是在水利工程的质量检测及地把隐患问题的探测方面，仅仅在这两个方面的应用，便已经帮助水利工程建设解决了诸多的施工问题[2]。 （六）在考古探测之中的应用在考古这一领域之中，探地雷达技术的应用本身便拥有较高的优势，其能够通过其优越的低下探测能力，实现对低些埋藏物、地下墓穴、古遗址及古文化层埋深等方面的良好探测及调查，进而能够提升考古的整体水平，但就当前阶段的发展而言，虽然我国于此方面的起步较晚，但到目前为止已经取得了一定的成就，如我国的中国地质大学便利用这一技术，开展了针对位于甘肃省的敦煌莫高窟这一古遗迹的探索及研究工作。 （七）在军事及安全领域之中的应用就我国而言，与国外的许多国家相比，将探地雷达技术应用于军事及安全领域的开展年限较短，于我国而言仍旧属于拓展及探索领域，到目前为止其主要是在建筑物内的隐蔽物、地下隐蔽物及战争遗留未爆炸物等方面的探测之中加以应用，可以达到较好的开展效果，具有较好的应用前景。
探地雷达成像算法研究 摘要 探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)集无损检测、穿透能力强、分辨率高等众多优点而成为检测和识别地下目标的一种有效技术手段。性能优良的探地雷达成像方法有助于精确定位地下目标，同时提高对目标的检测和识别能力，从而推动探地雷达在城市质量监控、地质灾害、考古挖掘、高速公路无损检测、地雷探测等各个方面得到更广泛的应用。 本文以中国电波传播研究所的探地雷达LD-2000为实验设备，从中读取探测数据。以MATLAB为软件平台，实现了探地雷达数据的显示、处理、成像几个部分。其中数据显示方式包括数据的波形堆积图，剖面面色阶图以及带数据波形图；数据处理部分包括直达波的去除、背景噪声的去除、振幅增益等；雷达成像算法部分主要采用波前成像算法和投影层析成像算法。
Imaging Algorithm of Ground Penetrating Radar ABSTRACT GPR (Ground Penetrating Radar, referred GPR) set of non-destructive testing, penetration ability, many advantages of high resolution detection and identification of underground and become the target of an effective technical means. Excellent performance GPR imaging approach helps pinpoint underground targets, while increasing the target detection and identification capabilities, thereby promoting the quality of ground penetrating radar surveillance in the city, geological disasters, archaeological excavation, highway nondestructive testing, mine detection, etc. aspects to be more widely used. In this paper, China Institute of Radiowave Propagation GPR LD-2000 for the experimental apparatus, reads probe data. MATLAB as the software platform to achieve a ground-penetrating radar data display, processing, imaging several parts. Wherein the data includes a data waveform display stacked, with a cross-sectional side view and a gradation data waveform; data processing section includes the removal of the direct wave, the background noise removal, the amplitude gain, etc.; radar imaging algorithm some of the major imaging algorithm and the wavefront projection tomography algorithms.
探地雷达最新发展状况概述 随着探地雷达应用范围的不断扩大，对探地雷达技术也提出了新的挑战。它要求探地雷达具有更高的分辨率、更大的穿透深度，提供更丰富的地下信息。 关于天线方面，研制一种高方向性、宽频带、高发射率、体积轻便的天线成为一个重要的课题。另一方面，如何改进电磁波发射机的技术指标，达到加大辐射能量，增加探测深度的目的也是探地雷达技术面临的一项重要研究内容。 变频天线的出现使雷达系统变得更加轻巧和方便。它不但具有改变中心频率的能力，而且可发射较低频率的信号。它可以利用各种频率扫描并进行综合分析，不但可以获得更丰富的地下信息，而且还使薄层的识别成为可能。它避免了传统雷达系统常需配置多种工作频率的天线从而导致系统重量增加、操作复杂的弊端。 多道雷达系统可以同时对多个天线或天线对进行操作。每道既可接受相同频率的天线，也可接收不同频率的天线。而其参数既可单独设置，也可以统一设置。多道雷达系统克服了单道雷达系统在面积性扫描中的缺陷，并可实现时间倾角扫描叠加技术，使地下目的体高质量三维成像的实现成为可能。此外，按特定的几何形态排列天线，有可能形成可控制或聚焦的复杂雷达信号，文17给出了线性阵列两种天线间隔对应的辐射极性图的比较，说明天线距越宽，聚焦作用越强。 文20提出了一套新的探地雷达思想，即三维探地雷达系统。它以多道雷达系统为基础，以大量模型为核心，综合二维横断面信息，
最后形成地层三维图像。这是探地雷达发展的新方向。 就探地雷达数据处理方面而言，除已有的带通滤波、频率波数滤波外，反褶积和偏移技术是当前的两大热门课题。 反褶积是把雷达记录变成反射系数来消除大地干扰和天线瞬变及多次反射，达到提高数据垂直分辨能力的目的。但是，已有学者指出，由于地下介质的复杂性和噪声影响，反褶积处理的效果较之原始数据并没有多大的提高。这是因为，对褶积来讲，雷达电磁波的高衰减性和地下介质的频散现象，使得电磁脉冲子波在地下传播时要发生很大的变化，导致子波估计常出现很大的偏差。当然，对于简单的层状结构物，有可能得到适当的参数，从而获得较好的结果。 文8认为，反褶积处理只是有助于雷达剖面上半部分的解释，而偏移处理技术则是将雷达记录中的每个反射点移到其本来位置，消除雷达图像的畸变，从而获得能够反映地下介质形状真实图像的二维成像方法。偏移技术对消除直立体的绕散、散射产生的相干噪声具有很大的潜力，对地下介质比较均匀的雷达剖面有较好的结果。 利用小波变换的调焦功能和频域—时域双重局部性来压制噪声是雷达数据处理技术的一条新途径。研究表明，雷达信号小波算子法成像具有良好的地下界面准确定位功能，而且根据高频电磁波在有耗介质中的衰减特性，在精确校正电磁波振幅衰减和相位偏移的基础上，利用时变反褶积和小波去噪可以得到高分辨率的探地雷达图像。 超宽带探地雷达，利用超宽带探地雷达（UWBGPR）技术进行浅层有耗媒质中目标和介质构造的探测，是近年来国内外透
探地雷达测量土壤水方法及其尺度特征 摘要：土壤水的多尺度观测与模拟是当前国内外研究的热点问题。探地雷达作为一种测量土壤含水量的现代先进技术，填补了传统测量方法与遥感方法之间的尺度缺口，国内外大量研究表明：应用探地雷达测量土壤含水量的精度较高，测量速度快，无需破坏土壤结构，作为一种田间尺度的测量方法在测量中、小尺度土壤水空间分布特征等方面具有独特优势，通过不同频率的选定能够测量深度为0.05～50 m的土壤含水量。对探地雷达测量土壤水的主要方法、原理、精度及优缺点等进行详尽介绍，并讨论探地雷达的测量深度和尺度特征等问题。探地雷达在遥感反演土壤水模型率定与精度验证方面比TDR、烘干法更有优势，有潜力应用于遥感产品验证、土壤水模式时间稳定性分析等其他水文相关应用中，为相关研究和探地雷达测量土壤水方法的推广提供理论参考。 关键词：探地雷达；土壤水；测量深度；尺度特征；遥感 中图分类号：P641.7；S152 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0037-08 土壤水，分布在地面以下、地下水面以上的土壤层中，
也被称作土壤中的非饱和带水分，是一种重要的水资源（在农田水利中也被称作土壤墒情或土壤湿度）。土壤水的时空 分布与变化对土壤一植被一大气间水分、能量平衡具有显著影响，准确测量土壤含水量，对研究区域水循环、观测干旱的发生及发展过程、指导当地农业生产实践、合理进行水资源调控等工作均具有重要意义。 随着科学技术的发展，出现了多种土壤含水量测量技术，按测量的空间尺度可大体划分为三种：一是点尺度，主要包括烘干称重法、中子法、时域反射仪法（TDR）、频域反射仪法（FDR）等，这些方法测定的数据能较准确地反映观测点 的土壤含水量，但都存在耗时费力并对土壤具有一定破坏性等问题；二是区域尺度，主要包括探地雷达（GPR）技术和 近地面环境宇宙射线中子法等，是无危害，非接触，不破坏土壤，不受土壤质地、密度、盐分等影响的土壤含水量测量方法，适合几十公顷等较大面积的土壤墒情观测，这些技术在快速发展；三是卫星像元尺度，卫星遥感反演土壤含水量是通过测量土壤表面反射或发射的电磁能量，建立遥感信息与土壤含水量之间的关系，从而反演出地表土壤含水量的过程，按遥感波段划分主要有可见光-近红外法（反射率法、植被指数法），热红外法（热惯量法、作物缺水指数法、温度 状态指数法）和微波遥感法（主动微波法、被动微波法）等，具有快速、覆盖范围大和定期重复观测等优势，但遥感方法
实时三维频率步进式探地雷达技术介绍及应用案例分析 ◆最快的步进频率雷达：利用数字频率信号源, 可以产生0.5-10 毫秒的扫描周期，一个同相接收机，使得整个扫描周期(一般为几个毫秒)100%可被有效利用。 ◆天线阵技术，可容纳21个天线阵子：覆盖范围从100MHz 到3GHz。实际工作时，用户无需更换天线就可采集从100MHz 到3GHz频率的数据。 ◆CMP（共中点）采集模式：这套系统可以设置为CMP（共中点）采集模式，可实时显示各层的厚度和对应的介电常数，并基于路基材料的介电常数与其密实度，含水量的相关曲线，评定路基质量。 ◆空前的区域勘察速度(工作效率)：极其高的勘察效率和有效的采样方法使得 GeoScope TM采用2.4m天线阵可以以80km/h车速提供7.5×7.5cm网格完全三维图像。生产效率高达20亩/小时。 ◆数据采集过程中的三维实时显示技术：浏览器即可调用采集数据，实现实时三维显示（包括横向剖面、纵向剖面，水平切面）。 ◆软件处理能力超强：完整而快速的进行数据后处理，可加入注解及地理图像，且可以进行二次开发。 挪威3D-Radar公司成立于2001年，为国防、航空和安全高技术产品全球制造商——美国Chemring Sensors and Electronic Systems （Chemring SES）集团的子公司。3D-Radar公司拥有高质量三维雷达技术，从传统的脉冲信号雷达转为新的频率步进雷达，且具有丰富的GPR数据处理经验。 与市场上广泛使用的单通道脉冲式探地雷达系统相比，挪威3D-Radar公司的GeoScopeTM三维探地雷达系统具有如下特点： 频率步进雷达技术、实时三维显示、多通道天线阵技术、软件超强的处理能力 应用领域： ◆公路检测：面层厚度和质量、垫层和基层、桥梁检测 (脱空/剥离) ◆桥梁面板检测 ◆铁路路基检测：垫层厚度和质量、基层、电缆和管道 ◆机场跑道检测：沥青层厚度和质量、基层、脱空、电缆和管道 ◆地下公用设施 (管线/电缆)：地下公用设施 ◆考古 ◆地雷和未爆炸物探测
探地雷达的发展与现状 探地雷达的历史最早可追溯到20世纪初。1904年，德国人Hülsmeyer首次将电磁波信号应用于地下金属体的探测。1910年，Leimback和L?wy以专利形式提出将雷达原理用于探地，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的思路，他指出介电常数不同的介质交界面会产生电磁波反射。由于地下介质具有比空气强得多的电磁衰减特性，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，之后二三十年尽管在美国出现过一些相关的专利，这项技术很少被运用到其它领域,直到50年代后期，探地雷达技术才慢慢重新被人们所重视。探地雷达在矿井(1960,、冰层厚度(1963,、地下粘土属性(1965,Barringer)、地下水位(1966,Lundien)的探测方面得到了应用。1967年，一个与stern最初用于冰川探测的仪器类似的系统被设计研制出来，1972年Procello将其于探测月球表面结构。同样在1972年，Rex Morcy和Art Drake开创了GSSI(Geophysical Survey Systems Inc.)公司，主要从事商业探地雷达的销售。随着电子技术的发展，数字磁带记录问世，加之现代数据处理技术的应用，特别是拟反射地震处理的应用，探地雷达的实际应用范围在70年代以后迅速扩大，其中有：石灰岩地区采石场的探测(1971,Takazi;1973,kithara;)、淡水和沙漠地区的探测(1974,、工程地质探测(1976,和、煤矿井探测(1975,、泥炭调查(1982,、放射性废弃物处理调查(1982,、以及地面和井中雷达用于地质构造填图(1997, )、水文地质调查(1996, ;1997,Chieh-Hou Yang )、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、隧道及堤岸探测等。自70年代以来、许多商业化的通用数字探地雷达系统先后问世，其中有代表性的有：美国Geophysical Survey System Inc公司的SIR系统、Microwave Associates 的MK系列，加拿大Sensor & Software的Pulse Ekko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。国内探地雷达的研究始于70年代初。当时，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。1990-1993年，中国地质大学(武汉)在国家自然科学基金
国内外路用探地雷达性能概述 摘要：本文调研了国内外主要道路用探地雷达（GPR）生产厂家及其检测能力，提出适宜路用雷达天线中心频率范围，为工程和研究人员合理选用探地雷达的提供参考。 关键词：道路工程探地雷达（GPR）天线性能 1 概述 探地雷达（GPR）检测路面和桥面板，可给出定性、定量的结果，用于快速、可靠的评定路面、桥面状况，是一种非常经济、高效的检测手段。随着科学技术的进步，特别是分析处理软件的进一步开发和完善，雷达必将在公路快速检测中应用越来越广。 2 ASTM和AASHTO雷达标准简介 由于国内目前尚没有专用的雷达路面桥面检测标准规范。大多依赖厂家的软件、资料和参照美国ASTM 和AASHTO等测试方法和标准。 1）ASTM D4748—98《使用短脉冲雷达测定组合路面层厚度测试方法标准》(Standard Test Method for determining the thickness of Bound Pavement Layers Using Short—Pulse Radar)。本规程包括使用短脉冲雷达进行组合路面层厚度无损检测。本方法的精确度和适应性取决于雷达系统的穿透性、分辨率和介电常数。 2) ASTM D6097—97el《使用地面探测雷达评定沥青铺层混凝土桥面板测试方法标准》，本规程包括可用于评定铺有沥青混凝土磨耗层的混凝土桥面板状况的步骤，尤其是判断是否存在剥离。最严重的损坏是由内部钢筋的锈蚀引起的。 3）ASTM 06432—99 《使用地表面探测雷达方法进行地下勘探标准指南》(Standard Guide for using the Surface Ground Penetrating Radar Method for Subsurface Investigation)，本指南是脉冲雷达方法的概述，而不是理论、测试步骤和数据解释的详细资料，限于地表面雷达探测的一般用途。 4）AASHTO TP36《使用脉冲雷达评定沥青加铺层混凝土桥面板测试方法标准》(Standard Test Method for Evaluting Asphalt-Coverd Concrete Bridge Decks using pulse Radar)，本标准基于SHRP成果2015，内容基本与ASTM6087相同。 3国内外雷达(GPR)生产厂家及路面雷达性能调查 3.1 加拿大Sensers&Software公司PULSE RODAR路面雷达系统 RODAR是Pulse雷达公司研制的专利产品，大范围的天线频率（50 MHz-3
试分析探地雷达在道路工程检测中的应用 发表时间：2017-08-24T11:48:57.053Z 来源：《基层建设》2017年第11期作者：刘超 [导读] 摘要：随着我国经济水平的增长，道路建造的速度开始加快，道路工程的技术水平也逐渐提高。探地雷达在道路工程检测中的应用大大提高了道路工程的施工质量。 广西路建工程集团有限公司 摘要：随着我国经济水平的增长，道路建造的速度开始加快，道路工程的技术水平也逐渐提高。探地雷达在道路工程检测中的应用大大提高了道路工程的施工质量。本文主要介绍了探地雷达的应用方法，希望可以为相关人员提供参考意见。 关键词：探地雷达；道路工程；检测；应用 引言 探地雷达主要是借助电磁波的作用，针对不同介质的分界面进行连续性扫描，以此种方法掌握介质内部结构形态以及位置，探地雷达技术属于一种电磁探测技术。电磁波能够在遇到电性差异的目标体时发生反射，然后被地面的天线所接收，雷达波被处理和分析之后可以得到有关地下目标体的位置、结构、电性以及几何形态等等信息，以此作为道路工程施工的依据。 1探地雷达检测原理 高频电磁波是探地雷达的一个核心，经由一体式电磁波发射接收天线装置向地下发射高频电磁波，并且能够将反射的信号最终送回到主机上面。介质影响电磁波的传播，会具体表现在不同路径、不同电磁场强度以及不同的波形上面。电磁波在介质中传播的时间可以称之为双程走时，所产生的幅度以及波形资料，一般都是经由雷达的主机进行记录，然后将记录所得的数据信息按照科学方法进行仔细处理，并进行图形合成，最终便得到了能够反映出地质剖面的雷达图像。 电磁波在地下介质中传播的时候，它自身所包含的能量会被介质所吸收，因此它的能量会被减少。尤其是电磁波在一些含水量和含盐量的岩石或者土壤中传播的时候，损耗程度更大。从电磁波的性质以及介质的性质可以看出，介质例如岩石和土壤，这两种介质的含水量、湿度以及电导率和密度都会对电磁波的传播效果产生影响，而且还会因为介质存在的矿物成分发生变化。如果存在两种介质，这两种介质之间的相对介电常数存在的差别非常大，那么所表现出来的电磁波信号就会呈现出强的状态。这当中关系到探地雷达的检测数据的是相对介电常数，它主要是影响了被测目标的深度。另外一个影响参数是介电常数，介质的介电常数与电磁波的反射特性之间的关系非常密切，可以根据两者之间的时间差求出介质分界的厚度，这样便可以获得检测厚度以及孔洞等数据信息。 2探地雷达的应用 2.1针对岩溶地质的初勘检测 探地雷达的测试原理是利用电磁波在不同的介质中所产生的反射信号作为依据，判断地层中存在的异常情况的。就一些现场测试数据可以看出，存在一些岩溶发育比较大的区域，这一部分区域中电磁波信号会被岩溶界面反射，然后回到地面上。通过探地雷达的理论知识可以知道，雷达图像上面的溶洞反映其实属于一种理想化的状态，比如形成拱形或者是形成近似拱形的图像。但是其实在实际的野外探测当中得到的雷达图像很不一样，具有很大的差距。观察物性差异比较小的单一岩层可以发现，雷达在这一类区域中的反射波信号相对要弱一些。当然在一些裂隙、溶洞以及破碎地带的区域就会出现雷达的反射波信号增强的情况。现场的地质雷达钻孔资料可以用作指导实践的依据，需要采用对比分析的方法，能够得到岩溶以及裂隙的具体位置。 通常情况下需要工作人员在分析数据之前，对比遥感检测结果。如果在某一区域显示其裂隙发育，那么就需要将钻孔的结果与雷达检测的结果进行对比。在某市的道路工程建设中，探地雷达检测出的是某一区域的岩溶层是浅灰色的，局域隐晶质结构，而且使薄层状构造。具体表现为坚硬的特点，能够判断出岩体是破碎的，而且存在发育的岩溶。雷达测试显示的异常情况几率比较多。因此在使用探地雷达的过程中，需要工作人员综合各个方面的信息，使其最终得出的数据信息是准确的，能够更好地指导实践。 2.2针对道路结构层厚度检测 一些道路工程在施工过程中会遇到一些路段基层表面破坏的情况，而且没有及时采取措施会发生恶化，一般都会发生纵横向裂缝，或者是沉陷和网裂现象。要查明发生这种情况的原因，需要从道路各个结构层的厚度着手，利用探地雷达探测水泥稳定层厚度。在这一过程中存在一些施工比较久的碎石层，而且通常会伴随着较大的含泥量，所以会影响到雷达信号的分辨，所以不会将这一些区域作为探测的对象。道路结构层厚度的走向可能会存在分布不够均匀的情况，而且通常伴随着较大的起伏度。结构层的厚度在横向方面、纵向方面都会存在不均匀的形象，这些因素恰好造成了路面结构力学相应的不均匀变化。通过探地雷达可以准确地发现这些问题，并将雷达获得数据信息进行分析作出解决的方案措施，尽量减少道路工程施工中存在的问题。由于以上提到的问题都是探地雷达能够检测出来的，所以为了能够提高道路工程施工的质量，要注意避免这些问题诱发基层表面的纵横向裂缝的发生，因为这些裂缝非常容易导致块状裂缝的形成。 2.3针对隧道掘进的超前预报 一些隧道的掘进过程中可能会存在一些地方涌现大量的水，那么这一区域的地质情况可以通过地质详勘报告进行判断。通常这一类区域都是属于岩溶发育比较大而且经常会存在地质交接的切向断层。所以针对道路施工安全方面的考虑，工作人员在挖掘隧道的过程中需要采用探地雷达进行操作。而且需要注意的是探地雷达的使用是定期的，主要的检测对象是隧道的掌子面以及两侧洞壁。另外应该引起重视的是探地雷达的天线频率需要控制在100兆赫兹，因为这一种频率的天线可以探测到二十五米以内的地质情况，针对超前预报的需求能够最大程度上满足。从实践研究结果可以看出，如果探地雷达在检测的过程中，所获得的反射信号比较强，而且存在信号同相轴但是却不连续的情况，就可以判断出这一区域的，即隧道掌子面前面存在一些比较破碎的岩体。如果遇到这样的情况，工作人员在施工的过程中需要格外注意施工安全，防止安全事故的发生。通常施工单位都会对隧道的掘进结果进行详细记录，这些记录的信息和数据可以为证明地质雷达探测信号与实际工况一致提供依据。通常如果确保了这两者之间一致的话，一般在隧道掘进过程中即便是发生了局部塌陷的情况，也会因为早已有所准备，安全事故的发生几率就会减少了。 道路工程施工的不同阶段，使用探地雷达检测的时候，会发现一些隧道内部存在比较发育的岩溶。因为探地雷达的检测获得了准确的数据信息，通过技术人员的分析就会得到一种具有预报性质的探测，所以能够作为信息反馈到施工部门。从某种程度上讲雷达检测确保了道路工程施工的安全性。应用探地雷达的技术可以达到检测路面结构层厚度以及岩溶探测和超前预报等方面的情况。不仅如此探地雷达还可以用到识别路面的缺陷，识别水泥混凝土面板脱空方面。探地雷达技术的发展速度相当快，市面上已经出现了不同种类的探地雷达。为