一、探地雷達發展歷史

探地雷達始于1910年，源于德國，用于探測地下相對高導電性質的區域。

1926年，德國專家提出脈沖技術確定地下結構的思路。

1960年，Cook將脈沖雷達應用于礦井中。

1970年，雷達用于南極冰蓋探測。

70年代末，雷達技術成熟，并進行商用生產。

二、探地雷達方法簡介

探地雷達（GPR）方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜（10MHz~3GHz）電磁技術。一個天線發射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接收地下介質界面的反射波。利用回波的回程時間、振幅和波形資料等運動學和動力學特征來分析和推斷介質結構和物性特征。

三、探地雷達特點

發射天線和接收天線間距小，當地層傾角不大時，反射波路徑與地層垂直。

工作效率高，可以實時反應地下介質情況。

電磁波傳播理論與彈性波的傳播理論類似。

四、天線分類

• 以頻率劃分為低頻、中頻和高頻
• 以結構特點又劃分為非屏蔽、屏蔽天線
• 以電性參數分有偶極子天線、反射器偶極子天線、喇叭狀天線
• 按其耦合類型可分為 ：地面耦合和空氣耦合型
• 低頻天線：頻率在100MHz及以下的天線，工程檢測中多用于超前預報及空洞溶洞探測。
• 中頻天線：頻率在100MHz-1000MHz，采用屏蔽式半波偶極子天線。具有天線體積小，發射效率高的特點。在工程勘查與檢測中常使用該類天線，包括200MHz、400MHz、600MHz、900MHz。
• 高頻天線：頻率在1GHz以上的天線。 工程中用于橋梁路基等結構體檢測

五、系統組成

探地雷達結構如下圖所示，主要分五部分組成。

主控單元

顯示單元

發射單元

發射天線

接收單元

接收天線

距離測量單元

六、工作原理

一個天線發射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接收地下介質界面的反射波。利用電磁破在不同介質中的速度差異導致的回波回程時間不同，可以推斷出介質的結構。

七、主要參數介紹

1、中心頻率與帶寬

頻率與頻帶寬度是天線重要技術指標，關系到天線的分辨大小與探測深度的能力。探地雷達天線均采用為高寬帶雷達天線

2、分辨率

分辨率是指探地雷達分辨最小異常介質的能力，它分為垂直分辨率和水平分辨率。

1）、垂直分辨率

探地雷達剖面中能夠區分兩個最近反射界面的能力成為垂直分辨率。理論上我們把四分之一波長作為分辨率極限，層厚度大于此則可分辨率，否則就不能分辨；但實際應用中，由于各方面的原因，我們所得到的分辨率要小于此值。雷達探測的實際分辨率受多方面的因素影響，它不但與所使用來探測的波的波長有關，而且還與所通過的介質的吸收有關，與所在場地的干擾程度有關，與所探測目標界面的反射系數有關。

2）、水平分辨率

探地雷達的水平分辨率是指在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸。在物理學上使用菲涅爾帶來說明該參數，如右圖所示。從圖中可以得出，水平分辨率與深度及波長都有關系，使用第一菲涅爾帶直徑D的1/4為其最小水平分辨率。

3、波速

式中C為真空中電磁波傳播速度（常數：C=0.3m/ns）。ε'為相對介電常數。知道探測目標的相對介電常數，即可按上述關系求取電磁波速度v。下表為幾種常見介質的相對介電常數ε'與地層電磁波傳播速度v的參考值。

4、介電常數

介電常數是一個無量綱物理量，它表征一種物質在外加電場情況下，儲存極化電荷的能力。自然界中物質的介電常數最大的物質是水，介電常數為81，最小的是空氣，數值為1。工程狀態下的巖土介質，其介電常數的主要差異決定其含水量的大小。介電常數不同的兩種介質的界面，會引起電磁式波的反射，反射波的強度與兩種介質的介電常數及電導率的差異有關。常用介電常數如下表所示。

八、探地雷達測量參數選擇

1、時窗(納秒)

時窗的選擇是最重要的，選擇的太小會丟失有用數據，選擇太大會降低垂直分辨率。一般選取探測深度為目標深度的1.5倍。根據探測深度D和介電常數ε確定采樣時窗長度，深度和時窗fwin的關系：

2、采樣點數

采樣點數是影響垂直分辨率的一個重要參數，采樣點數太小難以反應真實情況，太多則會影響采集速度，同時由于探地雷達天線波長限制，太高的采樣點數并不會產生真正的效果。一般選取512點或1024點足夠滿足采集現場。

3、 掃描速率

掃描速率是表示在1秒鐘內，探地雷達可以發射并采集多少道數據，該 參數是直接影響水平分辨率的參數，同時也決定在測試時天線移動的最高速度。

為保證可以有效探測到目標體，穿過目標體的數據至少要達到20道或更高。假設探測目標 體最小尺寸為20厘米，天線移動速度為1米/秒，所以要求探地雷達的掃描速率至少為100道/秒。

4、時變增益

通常從介質反射回來的信號非常微弱，深度越深信號越小，所以要對不同深度反射回來的信號進行不同的放大，這樣在視覺才便于使用分析。

• 濾波

濾波的目的是為了將有用信號保留將無用信號濾除，方便數據分析使用，所以選擇合適的濾波參數是得到最有用信號的有效方法。

九、探地雷達工作模式

點測模式

使用在隧道超前預報或測試環境復雜的地方。

連續模式

普遍使用在管線探測和隧道襯砌檢測等位置。

DMI模式

使用在需要精確定位的場合。

十、產品分類

十一、水下探地雷達面臨的問題

1、電磁波傳播受限：水會大大消弱電磁波的傳播能力，導致雷達在水下的探測距離受到很大限制。

2、頻率和波長受影響：水對電磁波的頻率和波長會造成一定的影響，會降低雷達的探測效果，包括距離和分辨率。

十二、解決水下雷達檢測問題的方法

1、通過降低頻率增加探測距離

2、提高發射和接收天線的信噪比，降低電磁波衰減問題，增加探測距離

3、提高能量聚焦方向增加探測距離

4、提高信號處理和軟件后處理能力來解決頻率降低帶來的分辨率降低問題

十三、水下探地雷達主要應用領域

1、水電站大壩檢測

2、水庫大壩檢測

3、橋墩基礎檢測

4、堤防檢測

5、防浪堤檢測

6、隧洞襯砌完整性檢測