２０１１年第６期 西部探矿工程 １５１ 探地雷达方法的原理及工作方法技术简介 杨 可 ，赵新生，赵钦 （新疆大学地质与勘查工程学院，新疆乌鲁木齐８３００４７） 摘要：探地雷达方法是工程地质勘察中应用较多的一种勘探方法，基于电磁波在不同介质中传播时 其路径、电磁场强度与波形随所通过的介质的电性质及几何形态而变化，据电磁波的双程走时、幅度 与波形推断介质（地质体）的结构。它的高分辨率使其在浅层与超浅层地质调查中有着广阔的应用前 景。 关键词：探地雷达；装置；技术指标；方法技术 中图分类号：Ｐ６３１．３文献标识码：Ｂ文章编号：１００４—５７１６（２Ｏ１１）Ｏ６一Ｏ１５１一Ｏ２ １原理及特点 探地雷达（Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ，简称ＧＰＲ） 方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（１ＭＨｚ～ １ＧＨｚ）电磁技术。探地雷达利用一个天线发射高频宽 频带电磁波，另一个天线接收来自地下介质面的反射 波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波 形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此， 根据接收到的波双程走时、幅度与波形资料，可推断计 算出地质体的形状、大小、埋深等要素。 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。然而探空雷达所发射的高频电磁 波在无耗介质中传播，探测距离大；相反，探地雷达所发 射的高频电磁波在有耗介质中传播，探测距离受到很大 限制。和探空雷达相比较，探地雷达的目标体通常为地 下埋藏的非金属体，回波能量小，且不需要快速跟踪技 术。因而，探地雷达有自己的发射波形和天线设计特 点。现如今探地雷达的发展日新月异，如博泰克ＲＩＳ 探地雷达在兼具了传统探地雷达各项优点的同时，增添 了高灵敏度、高分辨率的天线阵，使浅层和深层探测一 次完成，实现了三维立体探测，大大提高了工作效率，具 有数据采集完整、快速、低误差等特点。 ’ 探地雷达方法，发射天线与接收天线之间距离小甚 至合二为一。当地层倾角较小时，反射波的全部路径几 乎是垂直地面的，在测线不同位置上反射时间的变化实 际反映了地下地层的构造形态。探地雷达工作频率高， 在地质介质中以位移电流为主。高频宽频带波传播过 程中很少频散，速度基本由介质的介电常数确定。所以 说电磁波的传播理论和弹性波有许多相似地方。因此， 在地震法勘探中广泛使用的某些技术可以直接用于探 地雷达方法。 ２探地雷达仪器结构及特点 探地雷达主要由控制器、发射与接收天线组成。控 制器是雷达的核心部分，它是在计算机的基础上配合信 号发生触发器、Ａ／Ｄ转换器共同组成（见图１）。 ３技术指标 ３．１分辨率 分辨率决定了地球物理方法（探地雷达方法）分辨最 ／Ｊ、异常介质的能力，分辨率分为垂直分辨率和水平分辨率。 ３．２探测距离 探地雷达能探测到的最深的目的体的深度称为探 地雷达的探测距离。当雷达系统选定后，系统的增益 （系统增益一仪器发射功率／接收系统背景噪声功率）已 知，因此只要到达接收器的回波信号幅度大于接收系统 背景噪声功率，那么来自该物体的回波就可以为雷达系 统识别。于是探测距离的预测就归结为求目的体的回 波的大小。 ３．３电偶极子天线辐射图 当水平电偶极子源Ｐ位于地面上方时，接收点Ｍ 可以接受到从源出发取３条路径到达接收点的波（见图 ２）：直达波、反射波与侧面波。 ＊收稿日期：２０１０－０８－１４修回日期：２０１０－０８—２３ 第一作者简介：杨￣ｒ（１９８５一），男（汉族），安微宿州人，新疆大学在读硕士研究生，研究方向：工程地质构造。
・其它・
探地雷达的工作原理和检测应用
张玉海
‘槲二局集团有限翻Ａ原。３００２４’Ｗ（７岁Ａ
摘要探地雷达是一种高科技无损检测设备，具有其它检测设备无法比拟的优越性。详细介绍了Ⅲｓ一２Ｋ探地雷达厦其对隧道、桥梁、路基等工程的检测应用，实践表明这种仪器能更加方便地了解结构内部的情况，更加形象直观地控制工程质量。关键词无损检测探地雷达天线阵电磁波介质孔洞
自改革丌放以来，随着国民经济持续稳定向前
发展，工程建设项目大幅上升，人们对丁程质量也日
益关注，传统的榆测手段已远远落后于现有的施工水平，先进的检测技术使应运而生。探地雷达足一
种采用高科技—ｒ段，具有高分辨率、高准确率、快速、方便、高效等特点的．）己损检测没备，经过长期实践和
不断发展，现已形成一套完整的榆测系统。
１ＲＪＳ２Ｋ探地雷达
意大利牛产ＲＴｓ２Ｋ探地雷达是种Ｉ寄科技无
损检测没备，巾现场采集单元、发射和接收灭线、后
处理软件３部分组成，配备有８０Ｍ比、６００ＭＨｚ、
ｌ６０（）Ｍ｝ｌｚ低、中、高频率的单天线和ＨＩＲＥｓｓ天线
阵，１『）ｓＧＲＥＩ）／Ｉ＾／ＲｏＡＤ软件。ＨＩＲＥｓ天线阵足由４个ｌ６００Ｍ１１ｚ的单天线组成的天线阵，有７个通道，
能够检测不同层次的日标体，６００Ｍｈｚ和１６００ＭＩＩｚ
收稿只甥：２【ｘ犯Ⅷ２４２个单天线可以组成３通道的天线阵，也能够检测
不同层次的目标体。８０ＭＨｚ天线测深３０ｍ，６００Ｍｍ天线测深２ｍ，ｌ６（】０Ｍｈｚ天线测深ｏ５ｍ，ＨｍＥＳｓ天线阵测深ｏ５‰频率高的天线发射雷达
波主频高，分辨率高，穿透距离浅；频率低的灭线发
射雷达波主频低，分辨率低，穿透距离深。实际检测巾应根据拟检测深度来选择天线频率。
ＲＩｓ～２Ｋ探地雷达的特性：使用Ａｕｃｕ３三通
道主机，能同时连接３个单天线，兼顾单天线和天线
阵，一次扫描可以同时检测浅层和深层目标，可以大量节约测量工程的人力和物力。选用高、中、低频天
线，可以检测深浅不同层次的目标。后期分析软件
一ｒ姒对波形自动分析、合成，并绘制检测图。在后期
前言 测试原理及工作方法简介 第01页 共05页
探测原理
地质雷达是以超高频电磁波作为探测场源，由一个发射天线向地下发射一定中心频率的无载波电磁脉冲波，另一天线接收由地下不同介质界面产生的反射回波，电磁波在介质中传播时，其传播时间、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质（如介电常数E）及测试目标体的几何形态的差异而产生变化，根据接收的回波旅行时间、幅度和波形等信息，可探测地下目的体的结构和位置信息。其工作原理示意图如下：
接收天线所接收的反射回波旅行时间为：
t=Vxh224
式中：t 反射回波走时（ns）
h 反射体深度（m）
X 发射天线与接收天线的距离（m）
V 雷达脉冲波速（m/ns）
雷达波在物体或介质中的传播速度V与介质的相对介电常数E有如下关系：》 介质1
介质2 无载波脉冲时域接收机 分析计算处理后
反射、散射脉冲 输出显示
接收反射发射电磁目的体 前言 测试原理及工作方法简介 第01页 共05页
V=EC
式中C为真空中的电磁波传播速度(C=0.3m/ns)
通过雷达图像确定异常，并根据电磁波旅行时间确定异常位置。
介质的弹性限度内介质的剪切应力与应变的比值称剪切模量
介质的弹性限度内介质的应力与应变的比值称之为弹性模量
⼤穿透深度地质雷达、探地雷达
100m⼤穿透深度地质雷达COBRA Plug-in ⼀、前⾔
常⽤的地质雷达探测深度⼀般在10-15⽶以内，要增加探测深度必须采⽤低频天线，然⽽它⼜使屏蔽发⽣困难，限制了低频天线
的应⽤领域。为此，瑞典RADARTEM公司研发和⽣产了⼤穿透深度Cobra plug-In地质雷达，该系统采⽤先进的实时采样技术，
使信噪⽐提⾼45dB，勘探深度增加⼀倍以上，采⽤具有强烈抗⼲扰能⼒的、半屏蔽技术的收发⼀体天线，进⼀步保障了最⼤勘
探深度，勘探深度0-100m，在北京和厦门地区的应⽤结果表明，在很强⼲扰地区仍可获得⼗分可靠的探测结果。此外该公司研
发的双通道、双天线CobraWifi地质雷达具有极⾼的分辨率和极强的抗⼲扰能⼒，探测深度0-10m。
⼆、原理简介
地质雷达探测的⼯作原理,简单地说是通过特定仪器向地下发送脉冲形式的⾼频、甚⾼频电磁波。电磁波在介质中传播,当遇到存
在电性差异的地下⽬标体,如空洞、分界⾯等时,电磁波便发⽣反射,返回地⾯⽤接收天线接收，并对接收数据进⾏处理和分析,根据
接收到的雷达波形、强度、双程时间等参数便可推断地下⽬标体的空间位置、结构、电性及⼏何形态,从⽽达到对地下隐蔽⽬标
物的探测(如图1 所⽰) ，可以⾮常安全和⽅便地⽤于很多领域,并具有很⾼的探测精度和分辨率。
图1 探地雷达⼯作原理⽰意图
图1 中T 为发射天线, R 为接收天线,电磁波在地下介质中遇到⽬标体和基岩时发⽣反射, 信号返回地⾯由天线R 接收并记录再通过
主机的回放处理,就可以得到雷达记录的回波记录(如图2 所⽰) 。
图2 探地雷达回波记录⽰意图
图2 中横坐标的单位为m ,横轴代表地表⾯的探测距离,纵坐标代表电磁波从发射到遇见地下⽬标体或基岩时反射回地⾯并被仪器
接收所需要的时间t。，即双程反射时间t，按下式算出⽬标体的埋藏深度：
其中, t 为⽬标层雷达波的双程反射时间; c 为雷达波在真空中的传播速度(0. 3 m/ ns) ; εr 为⽬标层以上介质的相对介电常数均值。
