探地雷達的原理及前景展望

周成全

摘 要：探地雷達是一種對位于地球淺層的內部結構進行探測的技術，它利用地下各物質自身介質參數的差異，以短高頻電磁脈沖波作為媒介，根據反射波的振幅、波形和頻率等的變化實現對地表以下物體結構特征的分析。探地雷達所使用的頻率遠低于一般的探空雷達，其主要研究領域為電磁脈沖波在有損介質中的傳輸特性。由于地表下各種介質分布的不確定性，探地雷達相比傳統探空雷達的研究要更為復雜。與傳統的探測方式相比，它具有便捷、高效、組成簡單、抗干擾能力強、地形適應能力強、高分辨率等優點。

關鍵詞：高頻脈沖波；雷達；介質

1 探地雷達的發展歷史及研究現狀

對探地雷達的研究開始于二十世紀初。1904年，德國進行了首次用電磁波信號對地下金屬進行探測的研究。由于地下介質的強衰減特性，加上地下介質組成復雜多樣，引起嚴重的電磁波干擾，研究起來非常困難。加之兩次世界大戰的影響，所以在首次應用后的幾十年間，該項技術的發展一直遲滯不前。直到上世紀50年代以后，探地雷達才重新被各國提上發展日程。隨著電子技術特別是數字磁帶記錄問世以后，依托現代數據處理技術的新型實用性探地雷達迅速發展，許多商業化的數字產品先后問世。這些雷達儀器的基本原理大同小異，主要具有多維顯示、多通道采集、變頻天線、實時處理、多波形處理、多次疊加等功能，另外還有用于井下探測的特種探地雷達等。國內對于探地雷達的研究開始于二十世紀七十年代，當時，伴隨著煤礦各部委科研院所探礦工作的開展，急需進行探地雷達研究工作，但由于種種原因，這些研究未能深入進行。進入到九十年代以后，在引進了多種國外先進探測設備的基礎上，我國的探地雷達研究事業有了長足的進步。

由于雷達波進入到地下復雜地質環境后傳播變得難以預測，再加上地下各種介質產生的噪聲對有用信號的干擾，如何濾除各種噪聲與雜波，從中提取到有用的信息是探地雷達記錄工作面臨的主要技術難題。關于在于運用多種數據處理技術對所得到的信號進行科學濾波處理。由于發射的探地雷達波位于高頻帶，使得研究者對于電磁波在不同高頻段上所反映出的不同地質構成要有深入的了解。這個也是探地雷達研制過程中的一個難點問題。

2 探地雷達基本原理

探地雷達（簡稱GPR）是一種對地下淺層結構或者不可見物體進行探測的技術，它利用高頻電磁波（發射波頻率一般高達106—109Hz），將地面發射天線發射的寬頻帶短脈沖發送到地下淺層，電磁波在經過介質特性變化的界面時發生反射，通過接收反射波信號，并對波形的時延，波形等信息進行采樣預處理，判斷地表下的介質組成，目標深度以及位置和大小。通過數據處理技術和數字圖像技術的處理，對地下目標進行重建成像處理，可以再現地表下的基本地質構成。

探地雷達的工作原理如下圖，雷達通過發射天線向地下發射短高頻電磁波，遇到地表及地下目標，由于地下介質的非連續特性，在經過不同介質面的時候將會產生回波信號，地面接收天線接收到這些回波信號后由數據采樣系統進行采樣，采樣完成后的數據將會被送入數據處理系統進行處理，以分析地下目標介質的存在和特性。

3 探地雷達的幾個未來發展方向

3.1 成像技術不斷發展

探地雷達的成像方式，現在來說，一般還是集中于二維成像。商用探地雷達基本不具備三維成像功能。當二維成像剖面測線傾向斜交于地下目標時，位于測線正下方的界面反射波就無法被接收到，而不在剖面之內的反射點卻被記錄在內。這就導致了勘探掃描結果與真實值不一致。三維成像可以很好的二維成像剖面在這方面的不足，并且三維圖像也可以更好的了解地下目標介質分布的深度和構成。

3.2 提高雷達分辨率

探地雷達對于目標的分辨率就是最終成像的極限分辨程度。它主要取決于脈沖信號的脈寬。分辨率與脈沖寬度成反比，分辨率越高要求對應的脈寬就要越窄。目前由于技術條件的限制，難以做到在時域范圍內同步觸發幅度幾十V，寬度小于1ns的激勵信號，故而現在經常采用頻域掃頻技術來滿足發射源的寬度要求。

3.3 自適應天線技術

傳統雷達所使用的天線一般包括以下幾種：蝴蝶結天線、喇叭形天線、超寬頻帶偶極子天線。這些天線廣泛應用于傳統的探地搜索任務。然后隨著探地雷達探測精度要求的不斷提高，傳統天線已經無法滿足現代工程探礦的需求，更先進的自適應天線技術應運而生。

自適應天線國際上目前主要的思路有兩種：一種是基于時域電場積分方程理論，在得到耦合條件下天線的瞬態電流分布情況從而研制出的探地相控陣列雷達天線。

另外一種是基于蝴蝶結形天線進行的改進，讓蝴蝶結天線的各項電性能參數指標伴隨其張角及電長度的改變而改變而研制出的等效蝶形自適應天線。這兩種自適應天線的出現，都使得探地雷達更加適應復雜多變的地形狀況。

3.4 信號源的改進

步進頻率信號是一種大時寬帶寬乘積的高分辨率信號，其優點有：利用較小的瞬時帶寬合成較大的工作帶寬，極大降低了接收機和數模采樣過程的帶寬要求。對各個離散頻點的頻率和幅度可以進行方便的調節。由于步進頻率的信號隨時間均勻推進，用頻率域信號處理的辦法進行處理較為方便。這種信號在提高分辨率的同時對硬件也沒有提出很高的要求。在數字信號合成技術不斷發展的今天，步進頻率的信號源將成為探地雷達研究領域的重點。

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