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探地雷達
11.6.1 基本原理
探地雷達（Geologic Radar或Earth Pobing Radar）主要研究電磁波在介質中傳播的速度，介質對電磁波的吸收，以及電磁波在介質交界面的反射。
11.6.1.1 電磁波在介質中的傳播速度
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探地雷達測量的是地下界面的反射波走時 t，為了獲取地下界面的深度 h=tv/2，必須有介質的電磁波傳播速度v：
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式中：c為真空中電磁波傳播速度，c=0.3m/ns；ε，為相對介電常數，是介質介電常數ε與真空的介電常數ε0的比值。
11.6.1.2 電磁波在介質中的吸收特性
吸收系數α決定了場強在傳播過程中的衰減率，對非良導電、非磁性介質，α的近似值為
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即α與導電率σ成正比，與介質導磁率μ和介電常數ε比值的平方根成正比。
11.6.1.3 反射定律與反射系數
電磁波（又稱入射波）到達介質的電性分界面時，會發生反射，被界面反射而返回的電磁波稱為反射波。反射波與入射波界面處的運動學特征（即傳播方向）遵循反射定律，即入射角θi（入射方向與界面法線向的夾角）等于反射角θr（反射方向與界面法線方向的夾角）。
電磁波在到達界面時，還將發生能量的再分配。入射波、反射波和折射波三者之間能量關系，因入射波電磁場相對界面的方向（極化特性）不同而異。當電場平行于界面時，電磁波從介質1入射到介質2時的電場反射系數 R12為
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對于非磁性、非良導電介質，
。垂直入射時11.6.2 觀測 ***
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探地雷達盡管型號很多，但都可以看成是由接收、發射兩部分組成。發射部分通過天線向地下發射超高頻寬帶短脈沖電磁波，接收部分通過天線接收來自地下介質交界面的反射電磁波。目前常用的探地雷達觀測方式有剖面法和寬角法兩種。
11.6.2.1 剖面法
剖面法是發射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。當發射天線與接收天線間距為零，亦即發射天線與接收天線合二為一時，稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測量結果可以用探地雷達時間剖面圖像來表示。該圖像的橫坐標記錄了天線在地表的位置；縱坐標為反射波雙程走時，表示雷達脈沖從發射天線出發經地下界面反射回到接收天線所需的時間。這種記錄能準確反映測線下方地下各發射界面的形態。圖11-8為剖面法示意圖及其雷達圖像剖面。
圖11-8 剖面法示意圖及雷達圖像
11.6.2.2 寬角法
為了原位測量地下介質的電磁波速度，在探地雷達工作中還常采用寬角法或共中點法觀測方式。一個天線固定在地面某一點上不動，而另一天線沿測線移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時，這種測量方式稱為寬角法。也可以用兩個天線，在保持中心點位置不變的情況下，改變兩個天線之間距離，記錄反射波雙程走時，這種測量方式稱為共中心點法。當地下界面平直時，這兩種 *** 結果一致。這兩種測量 *** 的目的是求取地下介質的電磁波傳播速度。圖11-9是共中心點觀測方式示意圖及其雷達圖像。
深度為h的地下水平界面的反射波雙程走時t滿足：
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式中：x為發射天線與接收天線之間的距離；h為反射界面的深度；v為電磁波的傳播速度。當地層電磁波速度v不變時，t2與x2成線性關系。用寬角法或共中心點法測量得到地下界面反射波雙程走時t，再利用公式（11.9）就可求得地層的電磁波速度。
11.6.3 技術要求
11.6.3.1 測線布置原則
探地雷達的野外工作常常是沿測線進行的，沿測線采集到的數據經處理后的成果就是探地雷達剖面（時間剖面或深度剖面），它是探地雷達資料解釋的基本依據。測線布置的基本原則如下。
（1）主測線應垂直地下目標體走向，輔助測線平行目標體走向，目的是更好地反映目標體形態，同時也可以避免大量異常波的出現；
圖11-9 共中心點觀測方式與雷達圖像
（2）測線應盡量通過已有的井位，以利于地層的對比。
11.6.3.2 分辨率
分辨率是地球物理 *** 分辨最小異常體的能力。分辨率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。類似于地震勘探，通常將探地雷達剖面中能夠區分一個以上反射界面的能力稱為垂向分辨率。
為了研究方便，選用處于均勻介質中一個厚度逐漸變薄的地層模型。電磁波垂直入射時，則有來自地層頂面、底面的反射波以及層間的多次波。多次波的能量較弱，所得到的雷達信號為頂面反射波與底面反射波的合成。依照相應地層厚度的時間關系所得地層頂面的反射波合成雷達信號見圖11-10。由圖可知，可取地層厚度 h=A/4作為垂直分辨率的下限。
探地雷達在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸稱為橫向分辨率。雷達剖面的橫向分辨率通常可用菲涅爾帶加以說明。設地下有一水 *** 射面，以發射天線為圓心，以其界面的垂距為半徑，作一圓弧與反射界面相切，此圓弧代表雷達到達此界面時的波前，再以多出1/4及1/2子波長度的半徑畫弧，在水平面界面的平面上得到兩個圓。其內圓稱為之一菲涅爾帶，兩圓之間的環形帶稱作第二菲涅爾帶。根據波的干涉原理，法線反射波與之一菲涅爾帶外緣的反射波的光程差λ/2（雙程光路），反射波之間發生相長性干涉，振幅增強。之一帶以外諸帶彼此消長，對反射的貢獻不大，可以不考慮。設反射界面的埋深為 h，發射、接收天線的距離遠遠小于h時，之一菲涅爾帶半徑可按下式計算：
圖11-10 地層厚度對波形影響示意圖（據Widess 1973修改）
（a）為反射射線圖解，b為地層厚度；（b）為單個反射波形，利用地層厚度算出的時間延遲把得自頂底界面的單個反射波形相加，即得到如（c）中的波形；（c）為復合反射波形，它是地層厚度的函數，T為入射子波主周期，λ2=tv為地層內的波長。等時線間隔為t/2。標有x的線為波谷時間線，點線為零振幅時間線，為各復合子法的中心線；（d）為振幅與視厚度的定義
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式中：λ為雷達子波的波長；h為異常體的埋藏深度。
圖11-11為處于同一埋深、間距不同的兩個金屬管道的探地雷達圖像。該圖像在水槽中獲得，實驗使用鐵管φ5cm，鋼管φ3cm。測量時使用中心頻率為100MHz天線，其在水中的子波波長λ＝0.33m。從圖中可以看出一些內容：①處在深度為1.06m的φ3cm鐵管仍可以很清晰地為探地雷達所分辨，由于其管徑約為0.1rf，說明探地雷達對單個異常體的橫向分辨率要遠小于之一菲涅爾帶的半徑。②圖11-10(a）兩管間距0.5m大于之一菲涅爾帶半徑，由雷達圖像可以準確把兩管水平位置確定出來；（b）兩管間距0.4m小于之一菲涅爾帶半徑rf=0.42m，已很難用雷達圖像確定兩管精確位置。這表明區分兩個水平相鄰的異常體，其最小橫向距離要大于之一菲涅爾帶半徑。
11.6.3.3 探測距離與探距方程
探地雷達能探測最深目標體的距離稱為探地雷達的深測距離。當雷達系統選定后，系統的增益 Q。就確定。Qs為最小可探測的信號功率 Wmin與輸入到發射天線的功率Wt之比，即：
圖11-11 兩個同深金屬管的地質雷達圖像
（a）鋼管（右）直徑3cm，頂深1.06m；鐵皮管（左）直徑5cm，頂深1.04m，管中心距0.5m;（b）鋼管（右）頂深0.52m；鐵皮管（左）頂深0.5m，管中心距0.4m;（c）鋼管（右）頂深1.04m；鐵皮管（左）頂深1.06m，管中心距0.4m
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探地雷達從發射到接收的過程中能量會逐漸損耗。雷達系統從發射到接收過程中的功率損耗 Q可由雷達探距方程來描述。
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式中：ηt、ηr分別為發射天線與接收天線的效率；Gt、Gr分別為在入射方向與接收方向上天線的方向性增益；g為目的體向接收天線方向的后向散射增益；σ為目的體的散射截面；α為介質的吸收系數；r為天線到目的體的距離；λ為雷達子波在介質中的波長。
滿足Qs+Q＞0的更大距離r，稱為探地雷達的深測距離，亦即處在距離 r范圍內的目的體的反射信號可以為雷達系統所探測。
11.6.3.4 探地雷達 *** 有效性評價
每接受一個探地雷達測量任務，都需要對探地雷達解決地質問題的有效性進行評價，以確定探地雷達測量能否取得預期效果。
（1）目標體深度是一個非常重要的問題。如果目標體深度超出雷達系統探測距離，則探地雷達 *** 就要被排除。雷達系統探測距離可根據雷達探距方程（11.12式）進行計算。
（2）目標體幾何形態（尺寸與取向）必須盡可能了解清楚，包括高度、長度與寬度。目標體的尺寸決定了雷達系統可能具有的分辨率，關系到天線中心頻率的選用。如果目標體為非等軸狀，則要搞清目標體走向、傾向與傾角，這些將關系到測網的布置。
（3）目標體的電性（介電常數與導電率）必須搞清。雷達 *** 成功與否取決于是否有足夠的反射或散射能量為系統識別。當圍巖與目標體相對介電常數分別為εh與εT時，目標體功率反射系數的估算式為：
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一般說目標體的功率反射系數應大于0.01。
（4）測區的工作環境必須搞清。當測區內存在大范圍金屬構件并成為無線電射頻源時，將對測量構成嚴重干擾，在進行資料解釋時必須加以排除。
11.6.4 信號處理
11.6.4.1 濾波技術
探地雷達測量中，為了保持更多的反射波特征，多采用寬頻帶進行記錄，但在記錄各種有效波的同時，也記錄了各種干擾波。一維濾波技術就是利用頻譜特征的不同來壓制干擾波，以突出有效波，它包括一維頻率域濾波和一維時間域濾波。
探地雷達數據中，有時有效波和干擾波的頻譜成分十分接近甚至重合，這時無法用頻率濾波壓制干擾，需要用有效波和干擾波在空間位置上的差異進行濾波。這種濾波要同時對若干道進行計算才能得到輸出，因此是一種二維濾波。
二維濾波原理是建立在二維傅里葉變換基礎上的。沿地面觀測頻率波數譜 G（ω，kx）是頻譜的時空函數。
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上式說明，g(t,x）是由無數圓頻率為ω＝2πf，波數為kx的平面簡諧波所組成，它們沿測線以視速度v＊傳播。
如果有效波和干擾波的平面簡諧波成分有差異，有效波的平面諧波成分與干擾波的平面諧波成分以不同的視速度傳播，則可用二維視速度濾波將它們分開，達到壓制干擾、提高信噪比的目的。
11.6.4.2 二維偏移歸位處理 ***
探地雷達測量的是來自地下介質交界面的反射波。偏離測點的地下介質交界面的反射點只要其法平面通過測點，都可以被記錄下來。在資料處理中需要把雷達記錄中的每個反射點移到其本來位置，這種處理 *** 被稱為偏移歸位處理。經過偏移處理的雷達剖面可反映地下介質的真實位置。常用的偏移歸位 *** 有繞射偏移、波動方程偏移和克希霍夫積分偏移，有關偏移 *** 可參考相關地球物理信號處理書籍。
11.6.5 數據處理 ***
數據處理的目的是對原始雷達記錄進行初步加工處理，使實測的雷達資料更便于計算機處理。常用的處理 *** 有不正常道處理與多次疊加處理。
當天線與地面接觸不良，或者由于發射電路工作不正常產生廢記錄道，在預處理時必須廢除該道記錄，并用相鄰道的均值補全。
在地下介質對電磁波吸收較強的測區，為了增加來自地下深處的信息，加大探地雷達的探測深度，常常使用多次疊加技術。目前適用于探地雷達多次疊加處理的測量 *** 有兩種：一種是多天線雷達測量系統，應用一個發射天線，多個接收天線同時進行測量；另一種是多次覆蓋測量，使用幾種不同天線距的發射—接收天線沿測線進行重復測量。多次覆蓋測量在同一測點上有幾組共反射點的雷達數據，經天線距校正后，進行疊加使得來自地下的反射波得到加強，而干擾波信號大大減弱，從而增加了探測深度。
11.6.6 成果表達形式
（1）探地雷達實際材料圖集中顯示雷達測網布置；
（2）雷達剖面成果圖顯示雷達測線下地層與構造形態；
（3）平面等值線圖表達測線范圍內某些目的層分布特征，其中包括基巖高程圖、目的層等深圖等；
（4）雷達推測成果圖，包括推斷構造分布、滑體范圍成果圖，巖溶平面分布圖等；
（5）三維雷達成果，包括垂直切片圖、水平切片圖、三維體顯示以及格柵顯示圖。
11.6.7 資料解釋原則
探地雷達資料的地質解釋是探地雷達測量的目的，這項工作通常是在數據處理后所得到的探地雷達圖像剖面中，根據反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質含義，構筑地質—地球物理解釋剖面并依據剖面解釋獲得整個測區最終成果圖，為地質災害的治理方案提供依據。
探地雷達資料反映的是地下介質的電性分布，要把地下介質的電性分布轉化為地質情況，必須要把地質、鉆探、探地雷達這三方面的資料結合起來，建立測區的地質—地球物理模型，并以此得到地下地質模式。
11.6.7.1 雷達剖面與地質剖面的關系
雷達剖面不是地質剖面的簡單反映，兩者既有內在聯系，又有區別。
（1）雷達反射界面與地層界面的關系
雷達反射界面是電性界面，而地質剖面反映的是巖層界面。地層劃分的依據是巖性、生物化石種類及沉積時間等。地質剖面中由于沉積間斷或巖性差異而形成的面，如斷層面、侵蝕不整合面、流體分界面及不同巖性的分界面，均可成為反射面，這時反射面與地質分界面是一致的，即大多數雷達反射面大體上反映地層界面的形態。然而在許多情況下，反射面與鉆井或測井所得到的地質剖面的地層分界面并不一致。主要體現在以下幾種情況：
首先是有些埋藏深的古老地層，在長期的構造運動和壓力的作用下，相鄰地層可能有相近的波阻抗，因而地質上的層面不足以構成反射面。
其次，同一巖性的地層，其中既無層面又無巖性分界面，但由于巖層中所含流體成分不同，而構成物性界面，如飽水帶與飽氣帶界面，因而雷達反射界面有時也并非是地質界面。
再次，雷達反射面是以同相軸表達的，當多個薄層組成多個地質界面時，在雷達剖面中由于雷達子波有一定的延續度使多個薄層界面的反射波疊加成復合波形，從而產生反射波界面與地層界面的不一致。
（2）雷達反射界面的幾何形態與地質構造關系
雷達反射波剖面圖像一般可以定性反映地質構造形態，尤其當構造形態比較簡單時，反射波同相軸的幾何形態所反映的地質構造是直觀的、明顯的。但由于分辨率限制及其噪聲，雷達剖面反映構造細節有限，使兩者之間存在不少差別。
首先，雷達剖面通常是時間剖面而地質剖面是深度剖面。雷達時間剖面要經過時深轉換后才能成為深度剖面。時深轉換后的雷達深度剖面與地質剖面的符合程度，主要取決于速度資料的可靠程度。速度不準，會導致雷達深度剖面上的反射層與地質剖面上的真實地層不符，甚至會引起構造畸變。
其次，由于雷達波的垂向分辨率的限制，致使在薄層情形下，雷達反射層與地質層位往往不是一一對應的，有可能一個地質界面對應多個雷達相位，多個薄的地層界面對應多個雷達相位。
再次，只要觀測點處在界面的法線上，就會接收到旁側界面的反射波，使雷達剖面上所反映的地質構造在空間上發生了偏移。尤其當地質構造比較復雜時，雷達剖面上反射波同相軸的幾何圖形并不能直接反映復雜構造的真實形態，甚至面目全非，給雷達資料帶來很多假象，使得雷達剖面解釋存在多解性。
11.6.7.2 雷達時間剖面對比
時間剖面的對比就是在雷達反射波時間剖面上，根據反射波的運動學和動力學的特征來識別和追蹤同一反射界面反射波的過程。它實際上包括兩方面的工作，一個工作是在某條剖面上根據相鄰接收點反射波的某些特點來對比同一界面反射波，一般叫波的對比；另一個工作是在相鄰多條雷達剖面上追蹤同一界面的反射波，稱為時間剖面的對比。在時間剖面上對比反射波，嚴格地說應該對比反射波的初至。但是，由于反射波是在各種干擾背景下記錄下來的，當子波為最小相位時，其初至很難辨認。為了便于對比，總是利用剖面上比較明顯的波形相位對比。一個反射界面在雷達剖面上往往包含有幾個強度不等的同相軸，選其中振幅最強、連續性更好的某個同軸相進行追蹤，這叫做強相位對比，有時反射層無明顯的強相位，可對比反射波的全部或多個相位，這稱為多相位對比。另外還可以利用波組和波系進行對比。波組是指由三四個數目不等的同相軸組合在一起形成的，或指比較靠近的若干界面所產生的反射波組合。由兩個或兩個以上波組所組成的反射波系列，稱為波系。利用這些組合關系進行波的對比，可以更全面考察反射層之間的關系。因為從地質觀點來說，相鄰地層界面的厚度間隔、幾何形態是有一定聯系的，沿橫向變化是漸變的，反映在時間剖面上反射波在時間間隔、波形特征等方面也是有一定規律的。有時在剖面的某段長度內，因某種原因（如巖性橫向變化）有的同相軸質量較差（振幅弱、連續性差），我們可以根據反射波相互之間總的趨勢的極值點（波峰或波谷）依次對比同相位。所以波的對比又稱為波的相位對比或稱同相軸對比。
11.6.8 儀器設備
探地雷達儀器設備見表11-6。
表11-6 探地雷達一覽表
參考文獻
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探地雷達（GPR）
探地雷達是一種既古老而又年輕的物探技術，90年代以后才在我國得到較多的應用。
早在90多年以前，國外就曾利用該技術作過不可見目標的探測試驗，但是直到70年代美國地球物理勘查設備公司（GSSI）才之一次研制成功SIR探地雷達系列，并取得一批實用成果。由于GPR技術具有其他物探 *** 無與倫比的淺層高分辨率的特點，20多年來該項技術已取得長足的進展。儀器不斷更新換代，資料采集、處理、顯示和解釋 *** 不斷革新，應用領域不斷擴大。目前，GPR技術已成為地質調查的一種重要技術。
一、基本原理簡介
GPR技術是一種高頻（10～1000MHz）電磁技術。但是，它的工作 *** 卻與地震相似。通過GPR天線向地質體內發射一短脈沖信號。信號在地質體內的傳播主要取決于地質材料的電特性。當這種電特性發生變化時，GPR信號將發生反射、折射等現象。利用放置在相應位置上的接受器將信號接受下來，經放大、數字化處理和顯示，為解釋提供必要的數據和圖像。除人們熟悉的反射工作方式外，GPR還有多種工作方式，如共中心點、廣角反射、折射和透射等。各種方式都可以用于探測信號在地下的傳播速度和能量衰減。影響GPR探測深度的因素主要有雷達系統的本身性能（如頻率、能量等），被探測材料的物理特性。
二、儀器的發展
1.國外的主要進展
（1）70年代中期，GSSI公司的SIR探地雷達系列代表了首批可在商業上使用的儀器系統。日本的OYO公司推出了GeoRadar系列；微波公司推出了MK探地雷達系列。80年代中期，A-Cubed公司與加拿大地調所（GSC）合作，推出了高性能的Pulse EKKO數字雷達；瑞典地質公司及日本公司等還研制了可用于跨孔測量的孔中透視雷達系列。
（2）90年代以后，GPR儀器又有了一些新發展，相繼推出了多態雷達系統、層析雷達系統。三維雷達技術具有明顯提高解決淺層地質問題的能力，但卻因耗時費力得不到普遍的應用。為此，Frank Lehman等研制出全自動的組合地質雷達激光經緯儀系統。利用該系統，一人可在2h內完成25m×25m范圍的三維數據采集。三個方向上的定位精度為±2.5cm。數據處理、成圖可在1h內完成，比傳統 *** 的效率提高5～10倍。
（3）儀器輕便、結實、通用是儀器廠商和用戶追求的目標之一。為實現該目標，1998和1999年加拿大的SSI公司先后推出了NogGin250、500型GPR儀器，將該公司生產的Pulse EKKO系統的全部雷達功能壓縮在一個簡單的NogGin輕便儀器箱內。但該儀器不僅是對原儀器進行簡單的壓縮，而是從基本設計原理上進行了改進。將NogGin與該公司研制的軟件“SPIView”配合使用，用戶則可以通過簡單的操作在無限卷圖上查看數據圖像。
2.國內的進展
90年代我國引進了一批地質雷達儀器并將它們用于工程和災害地質調查。近年來，國內地質雷達儀器的研制也取得了較大的進展。煤炭科學院西安分院物探所研制成功了適用于礦山防爆要求的DVL防爆型礦井雷達系列。原電子工業部第二十二研究所相繼研究成功了LT-1,2,3型探地雷達。航天工業總公司愛迪爾國際探測技術公司推出了商品化的探地雷達系列產品。國內外生產的多種類型的GPR儀器，一般都具有較好的性能，可供不同探測目標選用。
三、資料采集、處理和顯示技術的進展
（1）90年代初，GPR資料由單點采集過渡到連續采集，使GPR技術的應用向前邁進了一大步。
（2）地震資料處理的方式基本適用于GPR資料的處理。為了更好地將石油地震的先進技術引進到GPR領域，一些公司之間開展了合作。比如，1990年后SSI公司與地震圖像軟件公司（SISL）達成協議，SSI公司按地震資料輸出格式設計Pulse EKKO探地雷達系統，將SISL公司開發的地震資料處理軟件用于GPR資料的處理。這些軟件包括各類濾波、反褶積及資料顯示等。
（3）近幾年來，國內外專家對各類模擬 *** 作了研究，如How-Wei Chen等利用時間域交叉網格有限差分數值法，在二維介質內研究、試驗、補充了數值探地雷達波傳播的模擬。出現了一些利用GPR信號能量衰減層析成像的 *** ，如應用頻率漂移法的電磁波衰減層析成像法、利用形心頻率下移的雷達衰減成像 *** 等。
（4）據SSI公司1998年底披露，該公司即將發行改進型的軟件-EKKO三維2型軟件。采用2型三維軟件，用戶可以在方便的條件下試驗下述不同軟件的組合處理，以便提高數據的立體特征。該三維軟件包括去頻率顫動、噪聲濾波、背景清除、包絡線和偏移。在資料顯示方面，有的學者提出了將石油工業的四維技術用于時空域內采集的GPR資料，這樣就有可能制成流體（如污染物羽狀流）在地下傳播的電影圖像。
（5）透射法取得的資料必須經過處理才能顯示成解釋所需的資料。SSI公司于1997年開發出可用于將GPR透射資料變換成可用于解釋圖像的軟件。實施步驟包括：原始資料編輯和歸類、采集波至、利用美國礦業局的地震層析軟件對資料進行層析成像處理，繪制速度、衰減及波散圖件以及圖像處理等。
（6）針對當前GPR技術的應用研究中，只側重探測能力試驗和數字模擬研究而對GPR資料解釋研究不夠的現狀，雷林源提出了與GPR資料解釋工作有關的基本理論和 *** 以及一些基本問題的求解。提出的基本問題包括電磁波在地層中傳播的波阻抗；地層分界面上電磁波場強的反射與透射系數；地層中電磁波速度和反射波的相位以及GPR探測深度等。
四、應用及應用研究實例
GPR技術經過多年的發展，證明具有多方面的用途。國內刊物對一些普通的應用已給予了較多的介紹。這些應用包括：在水文地質方面可以用于淺部地下環境調查，土壤-基巖面探測，基巖節理、裂隙和層理的確定；在工程地質勘察方面可用于調查地下埋藏物，隧道、巖溶、建筑地基評價，道路、橋梁、水壩探測和質量無損檢測；在災害地質勘察方面可以用于滑坡、隱伏洞穴的探測以及考古方面的用途等。本文謹就GPR在地質環境污染、農業、軍事等方面的應用實例作一簡單的介紹。
1.調查地質環境污染
（1）一座建立在石灰巖地區的硝化纖維廠，由于污水的泄漏導致硝化纖維對地質環境的污染。為了探測地表至潛水面（約60m）巖溶結構可能捕獲的硝化纖維，在18個30米深和7個50m深的鉆孔中作了井中雷達探測。對收集到的資料作常規處理后，采用惠更斯-基爾霍夫（HK）疊加法繪制出三維雷達圖。從深度為10m的重建圖像上可以看出幾個受硝化纖維污染的位置。在后來的開挖中，證示了GPR的探測成果。
（2）探測碳氫污染物試驗。多年來的野外工作和試驗已證明GPR具有調查地質環境污染的能力。國外專家在1m×0.4m×0.5m箱體中作了精心的試驗，試圖再一次驗證GPR探測污染的能力，并用相關模型說明雷達響應與一些水文參數間的關系。通過試驗和GPR數據的處理和解釋得出結論：在污染物達到飽和時，利用GPR探不到潛水面；在相鄰未受污染區可探到潛水面時，GPR可用于監測潛水面上的污染物；小型實驗有助于探測或驗證砂質土壤的水文地質參數，如毛細作用水頭、污染物羽狀流的傳播速度；GPR能成功探測石油污染。
2.農業方面的應用
（1）沙漠中的沙丘和沙席是雨水良好的儲集層，有可能成為灌溉的水源。利用GPR在沙特東部沙漠區作了探測。探測結果劃出了圓頂形沙丘上部與其下部鹽層間的界面、沙丘內的交錯層理及潮濕帶；探測還指出，圓頂沙丘可能是新月形沙丘的演變結果。在另一個沙漠場地的調查成果指出了沙丘內水流傳播的兩條可能途徑。
（2）探測土壤含水量。自然土壤中的含水量是影響介電常數變化的主要因素。A.Chanzy等利用地面和空中兩種方式的GPR試驗，證明GPR測量數據與土壤含水量間具有很強的聯系。可以用GPR技術探測土壤中的含水量。
（3）美國正在形成現代化的農業生產，GPR技術被用于探測特殊農業場地的土層、上層滯水、脆盤土、水文優先流徑和壓實土壤等與現代化農業有關的土壤信息。
3.探測古灰巖洞
前幾年已有一些介紹利用GPR技術探測一般洞穴的文章，但未見到探測古灰巖洞及其塌陷特征的報道。為了配合開發美國得克薩斯州老灰巖洞的地下水，對該區的溶洞系統作了詳細的研究。GPR資料顯示了未擾動的主巖、過渡構造（如張性裂隙、古溶洞壁及洞頂等）和各種規格的角礫巖的分布。本探測成果證明，GPR技術是調查與近表灰巖系統及塌陷古溶洞有關特征的有效 *** 。
4.南極永凍場地安全檢查
在一個南極考查計劃利用的場地內，發現地下0.3～0.5m位置的冰內有一些融水坑（據2000年初中央電視臺報道，我國南極科考隊也發現了與此相似的冰水湖），它們將給場地的利用帶來負面的影響。為此，利用GPR對場地進行了調查。通過對記錄的繞射波結構及其他信息的分析，在3.5m左右深度發現一些有40m長、含分散水的冰層帶，但含水量較少。另外，根據GPR資料顯示，咸水層以上各層次的振幅沒出現異常，說明場地下不可能存在其他融水坑。后來經重車和飛行器作了大量荷載試驗，場地沒出現任何與冰密度有關的事故。由此可見，GPR可作為南極冰蓋場地安全檢查的工具。
5.軍事用途
瑞士科學家正在研制一種可用于排除地雷的GPR探測系統。該系統以探地雷達和用于成像的金屬探測器為基礎。探測器可以區別那些與GPR信號相似而金屬含量不同的目標（如同樣大小的地雷和石頭）；而GPR則可以將探測器給出的相似結果（如地雷和金屬垃圾）區分開來。另外，據SSI公司1999年10月披露，利用GPR散射能量平面圖可以發現塑料性地雷。
6.區域水文地質調查
雷達相圖被定義為某一特定地層產生的雷達反射圖像特征的總和，指的是雷達剖面資料上肉眼可見的反射波的不同組合形式。雷達資料觀測中，地質體的構造和結構特征會影響雷達響應并產生特征效應。這些特征效應被稱為雷達相圖元素。自1990年以來，荷蘭TNO應用地學研究所在荷蘭30多個適合于GPR調查試驗的點上作了測量，用于評價GPR對不同水文地質目標成像和描述目標特征的可能性。探查成果揭示出荷蘭不同沉積環境下雷達相圖元素的特征，將具有代表性的反射圖像編成簡要的“雷達相圖集”，該相圖集對確定地下水文地質層序的位置有益。據悉，美國也利用GPR對多個州做了類似的調查。
地質雷達
3.3.7.1 *** 簡介
3.3.7.1.1 基本原理
地質雷達也稱探地雷達，是利用高頻電磁波束在界面上的反射來探測目標物，由發射天線和接收天線組成。發射天線向地下發射高頻短脈沖電磁波，接收天線則接收來自地下介質交界面的反射電磁波。由于電磁波向地下傳播速度主要受地下介質電性控制，在介質電性發生變化的界面，電磁波會發生反射。通過研究電磁波在介質中的傳播速度、介質對電磁波的吸收及介質交界面的反射，并用時間剖面圖像表示出地下各分界面的形態，從而推測地下地質體及地層結構的分布規律。
3.3.7.1.2 應用范圍及適用條件
地質雷達是一種高分辨率探測技術，可以對淺層地質問題進行詳細的地質填圖，淺層埋藏物進行無損探測。由于電磁波能量在碳酸鹽巖區衰減快，勘探深度較淺主要適用于碳酸鹽巖 *** 或覆蓋層淺的地區，目前廣泛用于地基探查、地下空洞、巖溶、破碎帶、斷層等地質構造探測。
要求發射的電磁波能量必須足夠大，探測距離能夠達到目標體，并能返回地面被系統接收；目標體阻抗差別足夠大，有足夠的反射或散射能量為系統所識別；目標體的幾何形態必須盡可能了解清楚，正確選用天線中心頻率；測區干擾不足以影響目標物的反射信息。
3.3.7.1.3 工作布置原則與觀測 ***
主測線應垂直地下目標體走向，輔助測線平行目標體走向，可更好地反映目標體形態，測線應盡量通過已有的井位，以利于地層的對比。
目前常用的觀測 *** 有剖面法和寬角法兩種。
剖面法：發射天線和接收天線以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。
寬角法：發射天線固定在地面某一點上不動，而接收天線沿測線逐點移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時的測量方式。
3.3.7.1.4 資料整理及成果解釋
檢查驗收合格的原始數據，經濾波及二維偏移歸位等處理，經過反射層的拾取，編繪探地雷達圖像剖面，最終形成推斷成果圖等。
由于雷達反射界面是電性界面，與地層分界面并不一致，如相鄰地層有相近的波阻抗、同一巖層中的含水帶界面、多個薄層的地質界面組合等。同時雷達時間剖面轉換為深度剖面的精度，分辨率的限制，旁側界面反射波的影響等因素，給雷達資料帶來很多假象，使雷達剖面解釋存在多解性。因此成果解釋必須結合地質、鉆探資料，根據反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質意義，建立測區地質—地球物理模型，構筑地質—地球物理綜合解釋剖面。
3.3.7.2 試驗情況
本次實驗主要選擇了表層帶富水塊段納堡村地區、天然出露的巖溶水源地皮家寨工區，目的是為了查明地表至30m深度的蓋層結構、完整穩定性、水文地質結構、巖溶發育特征及富水性。對 *** 型隱伏的巖溶水源地大衣村和萬畝果園及覆蓋型隱伏的巖溶水源地三家村和大興堡實驗區擬實施鉆孔位置也布置了少量地質雷達剖面。共布置剖面94條，總長3.4km，其中納堡村實測66條剖面，長1635m。
本次試驗使用SIR-20型地質雷達，天線類型SIR-100MHZ，掃描時窗250～600ns，工作 *** 為連續剖面測量。
3.3.7.3 主要成果
納堡村探測結果，表層結構大致分為兩層：之一層為第四系覆蓋層，巖性為粘土，厚度在2～6m，時窗為0～100ns，表現為能量強、頻率較高，連續性較好的波組特征；第二層為個舊組風化灰巖，厚度8～16m，時窗為50～300ns，表現為能量較弱且變化大、頻率較低，連續性差的波組特征；向下則表現為無明顯反射或雜亂零星反射的“平靜帶”波組特征，表明已進入基巖(完整灰巖)層。
圖3-18為納堡小學L20線的測量結果，雷達反射波大致分為三層，之一層時窗0～80ns，為能量強、頻率較高的波組特征，深度約5m，反映了第四系覆蓋層；第二層時窗80～300ns，為能量弱、變化大、頻率較低的波組特征，深度約5～16m，反映了風化灰巖層；第三層時窗300ns以上，為無明顯反射或雜亂零星的波組特征，推斷已進入完整的灰巖層。在剖面10～15m處，時窗范圍160～200ns，深度約9～12m范圍內，地質雷達記錄出現明顯的強反射波異常，推斷解釋為巖溶裂隙含水層。經施工的淺鉆驗證，覆蓋層厚5.15m，5.15～15m巖溶發育，以溶隙、溶洞、溶孔為主，為主要含水層段，涌水量36m3/d，15m以下巖溶不發育，富水性弱，與推斷結果吻合。
圖3-18 瀘西小江流域納堡村納堡小學L20線地質雷達曲線
納堡村賓珍紅商店地質雷達測量未發現異常，反射波為明顯的兩層，頂部覆蓋層為高能量波特征，時窗0～100ns，厚度約6m，下部為基巖的平靜弱反射波特征，經ZK2淺鉆驗證，基巖埋深6.7m，孔深30.3m未見水，探測結果與驗證結果一致。
納堡村實驗點共圈出8處地質雷達異常，經鉆孔驗證4處，除1處水量小外，3處表層巖溶水較豐富。
圖3-19為皮家寨大泉旁實測地質雷達剖面，大致可分為兩層，之一層時窗0～60ns，波組連續穩定，反映出第四系覆蓋層厚度為1～3m；時窗60～300ns，地質雷達曲線顯示為雜亂反射、振幅變強、頻率變低的異常現象，推斷該區地下3～16m之間的個舊組灰巖中巖溶裂隙較為發育，局部存在較大充填或未充填的溶洞，如L73線7m、28m、55m處推斷為巖溶含水區，與高密度電法38線100～110點的低阻異常對應。經鉆孔驗證，溶洞，溶孔發育，與推斷結果吻合。
圖3-19 瀘西小江流域皮家寨L73線地質雷達曲線
3.3.7.4 結論
地質雷達反射波組特征：巖溶裂隙含水層為明顯的強反射波異常；第四系覆蓋層為能量強、頻率較高，連續性較好的反射波；風化灰巖層為能量較弱且變化大、頻率較低，連續性差的反射波；完整灰巖層為無明顯反射或雜亂零星反射的“平靜帶”特征。
地質雷達在探測深度0～30m范圍內，分辨率較高，對表層巖溶裂隙發育帶探測效果較好，劃分的覆蓋層厚度較接近，誤差均小于1m。推斷的巖溶發育異常帶，準確度很高，是表層巖溶找水的有效 *** 之一。
什么是探地雷達
探地雷達（Ground
Penetring
Radar簡稱GPR）又稱地質雷達，是用頻率介于10^6-10^9Hz的無線電波來確定地下介質分布的一種 *** 。
探地雷達 *** 是通過發射天線向地下發射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的界面時發生反射，根據接收到電磁波的波形、振幅強度和時間的變化特征推斷地下介質的空間位置、結構、形態和埋藏深度。
在壩體滲漏探測中，滲透水流使滲漏部位或浸潤線以下介質的相對介電常數增大，與未發生滲漏部位介質的相對介質常數有較大的差異，在雷達剖面圖上產生反射頻率較低反射振幅較大的特征影像，以此可推斷發生滲漏的空間位置、范圍和埋藏深度。
探地雷達的用途：US
RADAR探地雷達可用于檢測各種材料，如巖石、泥土、礫石，以及人造材料如混凝土、磚、瀝青等的組成。雷達可確定金屬或非金屬管道、下水道、纜線、纜線管道、孔洞、基礎層、混凝土中的鋼筋及其它地下埋件的位置。它還可檢測不同巖層的深度和厚度，并常用于地面作業開工前對地面作一個廣泛的調查。
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