探地雷达法在地球物理通论中的应用

探地雷达法（GPR），通过向地下发射高频宽带（1MHz～1GHz）电磁波，并接收来自地下介质界面的反射波来进行地下介质结构探测的一种电磁法。自20世纪70年代以来，探地雷达在环境和工程地质探测领域得到广泛的应用。

4.7.1 探地雷达的基本原理

探地雷达通过发射天线（T）发射宽带短脉冲（脉冲宽为数纳秒甚至更小）的高频电磁波（主频十几兆赫至千兆赫），由地面送入地下，经地层界面或目标体反射后返回地面，由地面接收天线（R）进行接收（图4．45）。脉冲旅行时为当地下介质中的波速v（m/ns）为已知时，可根据测得的走时t（ns），由上式求出反射物的深度（m）。

图4.45 反射探地雷达工作原理示意图

波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时进行测定。反射脉冲波形由重复间隔发射（重复率20～100k Hz）的电路，按采样定律等间隔地采集叠加后获得。考虑到高频波的随机干扰性质，由地下返回的反射波脉冲系列均经过多次叠加（叠加次数几十至数千）。这样，若地面的发射和接收天线沿探测线以等间隔移动时，即可在纵坐标为双程走时t（ns）、横坐标为距离x（m）的探地雷达屏幕上描绘出仅仅由反射体的深度所决定的“时距”波形道的轨迹图（图4．46），并以数字形式记录每一道波形的数据。

探地雷达图像类似于地震记录剖面。画面的直观性较强，同一反射脉冲起跳点所构成的“同相轴”可用来勾画出反射界面或目标体。

图4.46 反射雷达探测原理和记录剖面

探地雷达使用的是高频电磁脉冲波，在实际工作中，地下介质的电导率一般不为零。此时，电磁波在介质中传播的速度为

式中，ω为角频率，ε为介电常数，σ为电导率，μ为磁导率，k为相为系数。

这表明，电磁波在导电介质中传播时，其传播速度不仅与介质参数有关，而且还与频率有关（图4．47）。考虑两种极端情况：

图4.47 放入水中充气排球的探地雷达探测结果（球径21cm、顶深0.85m、波速0.033m/ns）

（1）若σ≪ωε，对应σ很小或f、ε很大，具有低电导率的介质或非理想介质属于这种情况，此时可近似认为

得

这时，相位系数与电导率无关，而与成正比，电磁波的速度亦与介质的电导率无关，且与介质的介电常数的平方根成反比；吸收系数与频率无关，而与介质的电导率成正比，与成反比，电导率越大，电场强度的振幅值衰减越大。这是探地雷达野外工作的最佳条件，可以选取更高的频率以获得更高的探测分辨率，而不降低探测深度。

（2）若σ≫ωε，对应σ很大或f、ε很小，良导体属于这种情况。此时可近似认为

上式表明，相位系数k′仅与频率、电导率有关，而与介质的介电常数无关；介质的电导率越大，电磁波传播速度就越小；吸收系数同样与频率、电导率有关，与介电常数无关，当电导率较大时，电场强度的振幅值发生急剧衰减，电磁波无法进入良导体深处，严重影响探测的深度。

4.7.2 探地雷达的方法技术

1）明确探测任务和了解工区环境

应用探地雷达探测最重要的一步是对所需探测任务要有清楚的了解。包括：

（1）目标体的深度范围。可根据地下介质的衰减系数及雷达系统参数，利用雷达探距公式估算出最大探测范围，如果需探测的目标体在雷达探测范围（理想状态下）之外，这时雷达探测方法就应当排除在外，而选用其他的手段来实现，在估算最大探距时，根据工程实际经验，可使用以下近似方式判别：

dmax＜30/α或dmax＜35/σ（α为地下介质的衰减系数，σ为电导率）

表4．5给出了不同雷达系统在一同地下介质衰减系数时对应的最大探距。(www.xing528.com)

（2）目标体可能的几何形态。一般而言，雷达测线的布设应尽量垂直于目标体的长轴或延伸方向，尤其是对探测地下管线时，测线应垂直于管线的轴线，这样可以提高GPR剖面对地下目标体的成像质量。

表4.5 对应不同雷达系统的雷达最大测距列表

注：表中EKKO表示加拿大EKKO型探地雷达，GSSI为美国SIR型探地雷达，RAMAC为瑞典RAMAC型探地雷达；最大探距单位为米。

（3）目标体与围岩的电性特征。要关注目标体与围岩的相对介电常数及电导率的差异，因为GPR的工作原理要求目标体与周围介质存在相当的差异，以产生足够能量的反射及散射电磁波而被接收天线接收到，从而保证探测的有效性。实际可用功率反射系数来判别：

式中，εH为固岩的相对介电常数，εr为目标的相对介电常数。

如果围岩其本身表现出的电性差异性与周围介质与目标体的差异性相近，则在GPR剖面上，目标体的反射将被覆盖而不能识别出。

（4）探区周围工作环境。GPR方法对其工作环境是相当敏感的。金属结构体及辐射电磁波源或发射装置将会产生十分强大的干扰，严重影响GPR剖面上目标体的识别。

2）采集参数的优选

野外探测多选用反射测量方式，需要选取的参数主要有天线的频率、采集时窗、采样间隔、测量步长、天线分离距以及天线的极化方向等。

天线频率的选择兼顾空间分辨率及探测深度两方面，有时还需要考虑系统的可操作性。应在满足探测深度的基础上再考虑尽可能地提高分辨率。在满足空间分辨率的同时，应尽量选用频率较低的天线。这里给出初始频率的经验估算公式：

式中，x为需要达到的空间分辨率；εr为地下介质的相对介电常数。

时窗的选择相对简单，一般取两倍的最大探深与波速之比值，为确保采集到足够的数据并考虑到地层速度变化零漂因素，应增加30％。

式中，Dmax为最大探测深度。这里波速的选取应优先考虑整个工作区内的最小值。

采样间隔是由奈奎斯特采样定律决定的，最大取值为获取数据中最高频率信号的周期的一半。商用雷达系统天线系统带宽与中心频率的比值一般为1，这就意味着辐射脉冲包含的能量分布在0．5倍天线中心频率及1．5倍中心频率之间的频带范围内，即所采集的信号中最高频率为中心频率的1．5倍。而数据应当以两倍最高频率来采样，如再留有2倍的余地，则合适的数据采样间隔应取天线中心频率的6倍，即t＝1000/（6f）（f单位为兆赫兹）。表4．6给出了常用天线频率的最大采样间隔。

表4.6 不同中心频率天线的最大采样间隔

数据采样空间移动步长的选择应与所用的天线频率、地下介质的介电常数联系起来，为了确保地下介质的响应在空间上不重叠，也应遵循奈奎斯特采样定律。其最大值不应超过奈奎斯特采样间隔，而奈奎斯特采样间隔为地下介质中电磁波的四分之一波长，即nx＝λ/4＝75/（f）。

当采用分离式天线时，最优天线分离距应为目标体相对发射 接收天线的张角为临界角的2倍，其估算式为

式中，DT为目标体的最大深度。

4.7.3 探地雷达法应用

探地雷达法已被广泛用于不良地质体、风化层分带及基岩面的起伏形态探测；隐伏断裂、破碎带及裂隙发育带的空间分布探测；地下障碍物、塌陷区、地下埋藏物及隐蔽工程的空间分布探测；重大基础设施（包括地铁、铁路、公路、机场、港口码头、大桥、隧道、堤坝、垃圾填埋场等）选址探查及其施工质量检测；地下管线探测、地下管道泄漏的检查评估；建（构）筑物结构及运营健康检测（包括隧道、地下基础设施的壁后注浆、脱空区探测等）；环境污染及滑坡等有关地质灾害、环境工程问题的调查、监测与评价；文物古迹探测等，并取得成效。图4．48给出了土壤剖面及对应的GPR探测深度剖面，测区范围内土壤为滨海平原上沙质海底沉积物（含10％～27％黏性土），左侧的土壤剖面中的参照物铲子长度约为90cm，雷达剖面中深度轴有相同的比例。其中灰化层与黏化层的顶边界面反射波均很突出，反映出界面两侧土壤较强的电性差异。在左侧的土壤剖面中，灰化层对应为上部的深色土体，黏性层对应为下部的灰色土体。对应GPR剖面上，20～60cm深度范围内连续的反射波同相轴反映了灰化层的底界面。由于黏性层中含有相当多的硅酸盐黏土，黏性层与上层土壤存在着较大的电性差异，在雷达剖面上可以观察到强振幅的反射波组。追踪同相轴的变化发现，黏性层顶界面在60～160cm深度范围内起伏变化。总的来看，上部的灰化岩底界面变化相对平缓，而下部的黏性层顶界面的剧烈起伏应该是该区喀斯特地形岩溶现象所致。

图4.48 土壤剖面与GPR探测深度剖面