探地雷达的原理及前景展望

周成全

摘 要：探地雷达是一种对位于地球浅层的内部结构进行探测的技术，它利用地下各物质自身介质参数的差异，以短高频电磁脉冲波作为媒介，根据反射波的振幅、波形和频率等的变化实现对地表以下物体结构特征的分析。探地雷达所使用的频率远低于一般的探空雷达，其主要研究领域为电磁脉冲波在有损介质中的传输特性。由于地表下各种介质分布的不确定性，探地雷达相比传统探空雷达的研究要更为复杂。与传统的探测方式相比，它具有便捷、高效、组成简单、抗干扰能力强、地形适应能力强、高分辨率等优点。

关键词：高频脉冲波；雷达；介质

1 探地雷达的发展历史及研究现状

对探地雷达的研究开始于二十世纪初。1904年，德国进行了首次用电磁波信号对地下金属进行探测的研究。由于地下介质的强衰减特性，加上地下介质组成复杂多样，引起严重的电磁波干扰，研究起来非常困难。加之两次世界大战的影响，所以在首次应用后的几十年间，该项技术的发展一直迟滞不前。直到上世纪50年代以后，探地雷达才重新被各国提上发展日程。随着电子技术特别是数字磁带记录问世以后，依托现代数据处理技术的新型实用性探地雷达迅速发展，许多商业化的数字产品先后问世。这些雷达仪器的基本原理大同小异，主要具有多维显示、多通道采集、变频天线、实时处理、多波形处理、多次叠加等功能，另外还有用于井下探测的特种探地雷达等。国内对于探地雷达的研究开始于二十世纪七十年代，当时，伴随着煤矿各部委科研院所探矿工作的开展，急需进行探地雷达研究工作，但由于种种原因，这些研究未能深入进行。进入到九十年代以后，在引进了多种国外先进探测设备的基础上，我国的探地雷达研究事业有了长足的进步。

由于雷达波进入到地下复杂地质环境后传播变得难以预测，再加上地下各种介质产生的噪声对有用信号的干扰，如何滤除各种噪声与杂波，从中提取到有用的信息是探地雷达记录工作面临的主要技术难题。关于在于运用多种数据处理技术对所得到的信号进行科学滤波处理。由于发射的探地雷达波位于高频带，使得研究者对于电磁波在不同高频段上所反映出的不同地质构成要有深入的了解。这个也是探地雷达研制过程中的一个难点问题。

2 探地雷达基本原理

探地雷达（简称GPR）是一种对地下浅层结构或者不可见物体进行探测的技术，它利用高频电磁波（发射波频率一般高达106—109Hz），将地面发射天线发射的宽频带短脉冲发送到地下浅层，电磁波在经过介质特性变化的界面时发生反射，通过接收反射波信号，并对波形的时延，波形等信息进行采样预处理，判断地表下的介质组成，目标深度以及位置和大小。通过数据处理技术和数字图像技术的处理，对地下目标进行重建成像处理，可以再现地表下的基本地质构成。

探地雷达的工作原理如下图，雷达通过发射天线向地下发射短高频电磁波，遇到地表及地下目标，由于地下介质的非连续特性，在经过不同介质面的时候将会产生回波信号，地面接收天线接收到这些回波信号后由数据采样系统进行采样，采样完成后的数据将会被送入数据处理系统进行处理，以分析地下目标介质的存在和特性。

3 探地雷达的几个未来发展方向

3.1 成像技术不断发展

探地雷达的成像方式，现在来说，一般还是集中于二维成像。商用探地雷达基本不具备三维成像功能。当二维成像剖面测线倾向斜交于地下目标时，位于测线正下方的界面反射波就无法被接收到，而不在剖面之内的反射点却被记录在内。这就导致了勘探扫描结果与真实值不一致。三维成像可以很好的二维成像剖面在这方面的不足，并且三维图像也可以更好的了解地下目标介质分布的深度和构成。

3.2 提高雷达分辨率

探地雷达对于目标的分辨率就是最终成像的极限分辨程度。它主要取决于脉冲信号的脉宽。分辨率与脉冲宽度成反比，分辨率越高要求对应的脉宽就要越窄。目前由于技术条件的限制，难以做到在时域范围内同步触发幅度几十V，宽度小于1ns的激励信号，故而现在经常采用频域扫频技术来满足发射源的宽度要求。

3.3 自适应天线技术

传统雷达所使用的天线一般包括以下几种：蝴蝶结天线、喇叭形天线、超宽频带偶极子天线。这些天线广泛应用于传统的探地搜索任务。然后随着探地雷达探测精度要求的不断提高，传统天线已经无法满足现代工程探矿的需求，更先进的自适应天线技术应运而生。

自适应天线国际上目前主要的思路有两种：一种是基于时域电场积分方程理论，在得到耦合条件下天线的瞬态电流分布情况从而研制出的探地相控阵列雷达天线。

另外一种是基于蝴蝶结形天线进行的改进，让蝴蝶结天线的各项电性能参数指标伴随其张角及电长度的改变而改变而研制出的等效蝶形自适应天线。这两种自适应天线的出现，都使得探地雷达更加适应复杂多变的地形状况。

3.4 信号源的改进

步进频率信号是一种大时宽带宽乘积的高分辨率信号，其优点有：利用较小的瞬时带宽合成较大的工作带宽，极大降低了接收机和数模采样过程的带宽要求。对各个离散频点的频率和幅度可以进行方便的调节。由于步进频率的信号随时间均匀推进，用频率域信号处理的办法进行处理较为方便。这种信号在提高分辨率的同时对硬件也没有提出很高的要求。在数字信号合成技术不断发展的今天，步进频率的信号源将成为探地雷达研究领域的重点。

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