探地雷达技术简介：工作原理、应用场景及发展前景

1.探地雷达技术概述

探地雷达（Ground Penetrating Radar，缩写GPR）是以地下不同介质电磁性质的差异为物理依据的一种高频电磁探测技术，又称亚表面界面雷达（Sub-Surface Interface Radar）。

表4.4-10列举了在一些常用介质中影响电磁波传播的物理参数。

表4.4-10 常用介质中影响电磁波传播的部分物理参数

如果按用途或天线的工作模式分类，GPR可以细分成很多类型，但其工作原理大致相同，即发射天线发射的电磁波在地层中传播时，如果遇到电磁性质不同的目标，将发生前向和后向散射，散射波在多个目标之间以及目标内部还会形成新的散射，一部分散射波被接收天线接收。随着天线的移动，GPR记录到各测量点处的电磁波信号，经过进一步处理和分析后可判断地质分层或各层的材质情况，同时可以识别地下目标体。

GPR技术紧随着无线电技术的发展而萌生，尽管如此，如今的电磁学理论已相当成熟，然而GPR技术还处在不断完善的过程中。在目前的计算机水平下，地质结构和地质材料的多样性、目标体的电磁特性和几何形状的复杂性，不断向GPR提出新的挑战，日趋广泛的地下探测活动推动着GPR硬件系统的发展和数据处理技术的创新。

人们在微波技术发展的基础上开发了GPR技术，但由于地下介质的复杂性、非均质性、无规律性及多变性，时至今日有些难题仍有待解决。近年来，GPR技术取得了突破性的进展，在我国，地矿、煤炭、铁道、水利、建筑等部门和单位相继引进国外的仪器和设备，已在地质勘探、工程与环境勘查、农业、考古、地下水污染等诸多领域取得了良好的效果。

2.探地雷达主要类型

依据不同的工作方式，GPR可分为地面探地雷达和钻孔探地雷达两大类。

（1）地面探地雷达地面探地雷达的示意图如图4.4-37所示。主要用于检测地下浅层目标，例如市政工程设施、机场跑道、高速公路和桥梁的铺设路面、铁路路基、隧道衬砌和地雷等的检测。随着探测灵敏度和空间分辨力的提高，探地雷达也逐渐用于墙壁、楼板等房屋建筑结构的检测。探测深度可达30m左右。

（2）钻孔探地雷达钻孔探地雷示意图如图4.4-38所示。又有单孔和双孔两种主要工作模式，主要用于岩层裂隙探测、矿产勘探和地下水调查等。探测深度可达100m以上。

3.探地雷达的数据处理

在商用GPR出现以后，数据处理能力成为制约GPR发展水平、限制GPR应用范围的关键因素，一方面其数据量相当大，不经过处理几乎无法判读出有用信息，且处理任务繁重；另一方面只有具备相关专业知识的人员才可能完美地处理并判读GPR数据。提高处理效率、减少对专家的依赖性，是GPR数据处理研究的两大课题。

与研制GPR的硬件系统相比，数据处理研究对物质条件的要求相对较少，因而吸引了世界上大批数学、地球物理、电子工程及其相关专业的优秀人才投身其中，取得了丰硕的成果。

数据处理主要指对GPR采集并记录的数字化数据的处理，处理过程依据GPR的不同用途会有很大差异，很多情况下仅需对原始数据作简单处理，数据处理要作具体分析，讲究技巧和策略。一般地，数据处理可分为基本处理和高级处理两部分。(www.xing528.com)

（1）基本处理基本处理包括数据编辑整理、时变增益校正、时间和空间滤波，核心在于杂波抑制和滤波，由于GPR回波信号具有时变、非平稳、随机性等特点，且覆盖频谱宽，传统的傅里叶变换域滤波的降噪效果不佳。对随机噪声通过叠加的方法可以取得明显效果；对相干噪声的处理比较复杂，其处理技术一直随着GPR的发展而进步。实际上，信号处理的任何新技术都值得关注，如S变换，它秉承了小波变换的时频局部化的思想，由于巧妙地采用了与频率相关的高斯型窗函数，因而具有比小波变换更优良的性能，即可用于直接作时频分析（小波变换只能在某时间尺度下分析），更强的频率局部化能力并且天然地保持了局部化频率分量的相位特征，更高的时间清晰度，而且运算更方便，已成功应用于医学诊断、电能质量分析和地震数据处理等方面，S变换同样适用于GPR的信号处理。

图4.4-37 地面探地雷达示意图

图4.4-38 钻孔探地雷达示意图

（2）高级处理为了对地下探测区作精确的刻画，需要对GPR数据作深入处理，可采用图像处理法和逆散法。

1）图像处理法。主要是对时域雷达图进行数学和图形处理，用处理过的图像提供目标的相关信息，适于目标识别类的应用领域。图像法具有处理速度快的优点，因此在地雷探测等对实时性要求极高的场合，得到了广泛应用。图像法最初借鉴了比较成熟的地震数据处理方法，如偏移、反褶积，随后Hough变换、合成孔径成像、全息成像、高分辨率三维图像处理、自适应图像法等也应用于GPR数据的实时处理或后处理。基于图像的目标自动识别属于更高级的处理过程。GPR图像处理技术的总体发展水平目前尚处于幼年期，与医学诊断等行业的图像处理水平有较大差距。

2）逆散射法。从电磁波的标量或矢量方程出发，根据GPR接收的信号反演目标及其背景的电磁本构参数、目标的几何参数（尺寸、深度和方位角等），在定量无损评估（QNDE）等方面得到了有效应用。逆散射问题除了在一些极简单的物理模型假设下有显式的解析解外，通常是非线性的。目前逆散射问题的求解计算大多是将其分解为一系列正问题，利用确定类或随机类优化算法进行迭代求解，因而计算量大、占用计算机内存和CPU时间多。如何在现有计算机技术水平下提高计算效率一直是GPR发展过程中的热点。

4.几种主要探地雷达的实用型式

常见探地雷达有车载式、手推车式、便携式等几种不同形式。如图4.4-39所示的几幅图像显示了正在对公路路面、房屋楼板、隧道内墙以及铁道路基进行探测作业的车举式、手推车式和便携式探地雷达。

图4.4-39 常见型式的探地雷达

5.探地雷达的适应性和局限性

（1）适应性现阶段商用GPR品种繁多，数据记录格式各异，尚无世界通用的产品规范，给厂商和用户增加了麻烦，而且不利于通用数据处理软件的开发和推广。尽管如此，在无损检测领域至今还没有其他检测手段具有像GPR这样广泛的适应性，惠及如此众多的行业，在很多场合下GPR是无可替代的。除了车载式探雷用的GPR和机载GPR有越来越复杂的倾向外，一般民用产品正在向更精巧、更智能化、更节能和更方便的方向发展，最具吸引力的是价格要低廉，这一点对于GPR的健康发展具有深远意义。

（2）局限性GPR也有局限性，例如，它的探测深度与分辨率是相互制约的，所以在选用工作频率或天线时只好折中考虑。另外，它的探测效果也与地质条件密切相关，当土壤对电磁波的耗散性弱，且目标的电磁特性与其环境反差大时，探测效果就好，且数据处理相对简单；反之，呈现不出较好的性能，甚至可能完全不适用。