我國(guó)探地雷達(dá)的發(fā)展與應(yīng)用

我國(guó)探地雷達(dá)的發(fā)展與應(yīng)用

0目標(biāo)體反射波信號(hào)轉(zhuǎn)換為臨床應(yīng)用,其又分以下簡(jiǎn)稱作在中國(guó)，也稱為地殼雷達(dá)，使用超高頻（106109hz）脈沖磁強(qiáng)計(jì)研究地下環(huán)境的分布特征，是一種利用超高頻（106109hz）探測(cè)地下介質(zhì)分布特征的地球物理方法。其工作原理是,寬帶脈沖發(fā)射天線將納秒高壓脈沖源提供的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖電磁場(chǎng),并以脈沖電磁波形式射向目標(biāo)體。寬帶脈沖接收天線將來(lái)自目標(biāo)體的反射脈沖電磁波轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)傳送給寬帶取樣示波器后以時(shí)域方式顯示出來(lái),再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后給出時(shí)域特性或頻域特性顯示。在雷達(dá)移動(dòng)探測(cè)過(guò)程中,定時(shí)向地下發(fā)射脈沖電磁波,并不斷接收到目標(biāo)體的反射波,它們組成雷達(dá)剖面圖像。通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的判讀可確定目標(biāo)體(管道、洞穴、埋藏物、地層等)的分布特征。也可以通過(guò)讀取接收到的反射波傳播時(shí)間和求取電磁波傳播速度來(lái)計(jì)算目標(biāo)體的埋藏深度。探地雷達(dá)理論雖然早在上世紀(jì)初就提出,但真正開展應(yīng)用研究是在上世紀(jì)70年代以后,隨著電子技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展,探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用已從冰層、鹽層等弱耗介質(zhì)擴(kuò)展到土層、煤層、巖層等有耗介質(zhì)。其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大,現(xiàn)在已在巖土工程勘察、水文地質(zhì)勘察、工程質(zhì)量檢測(cè)、地下埋藏物探測(cè)、塌陷和巖溶勘察、礦產(chǎn)資源勘探和考古等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1國(guó)家探測(cè)雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的歷史回顧和設(shè)備研究現(xiàn)狀1.1探地雷達(dá)在我國(guó)的發(fā)展歷程利用探地雷達(dá)探測(cè)地下目標(biāo)體分布特征的理論,早在1910年,德國(guó)的G.Leimbach和H.Lowy等就以專利形式提出。此后,直到1968年前后,美國(guó)TeledyneMicronetics公司在其它科研機(jī)構(gòu)研究視頻雷達(dá)探地的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一套單周期雷達(dá),并應(yīng)用于加利福尼亞公路路基下溶洞勘查和地下采礦試驗(yàn),這可以說(shuō)是最早的探地雷達(dá)設(shè)備。由于受地下介質(zhì)的復(fù)雜性和地層對(duì)電磁波有較強(qiáng)的衰減性等條件限制,探地雷達(dá)的初期應(yīng)用,僅限于冰層、巖層等對(duì)高頻電磁波吸收較弱的介質(zhì)中。如1970年Harrison在南極的冰面上,取得了800~1200m穿透深度的資料。1974年L.T.Procello用雷達(dá)研究月球表面結(jié)構(gòu);UnterbergerR.R.用探地雷達(dá)探測(cè)冰川、冰山的厚度以及巖礦層中的夾層等。上世紀(jì)70年代后期,探地雷達(dá)的應(yīng)用從冰層、鹽層等弱耗介質(zhì)擴(kuò)展到土層、煤層和巖層等有耗介質(zhì)中。1970年,美國(guó)地球物理探測(cè)儀器公司(GeophysicalSurveySystems,Inc.簡(jiǎn)稱GSSI)生產(chǎn)出第一臺(tái)商業(yè)性質(zhì)的探地雷達(dá),取名為地下界面探測(cè)雷達(dá)(SubsurfaceInterfaceRadar,簡(jiǎn)稱SIR型雷達(dá))。相關(guān)工程技術(shù)人員開始利用SIR型雷達(dá)來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)分布特征。此后,巖土工程地質(zhì)勘察的某些領(lǐng)域才逐步開始實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)損、快速探查——探地雷達(dá)探測(cè)。上世紀(jì)80年代中后期,世界上其他國(guó)家也紛紛開始研制探地雷達(dá),如德國(guó)、英國(guó)、瑞典、意大利、挪威和加拿大。l989年,加拿大Sensors&Software公司(簡(jiǎn)稱S&S公司)成立,它在A—CuBed公司開發(fā)的EKKO脈沖探地雷達(dá)基礎(chǔ)上,生產(chǎn)出PulseEKKO-IV型探地雷達(dá),并將其商業(yè)化。我國(guó)從上世紀(jì)80年代開始引進(jìn)國(guó)外的探地雷達(dá)技術(shù),l985年前后,鐵道部門和城市市政部門先后引進(jìn)過(guò)一臺(tái)SIR-8型探地雷達(dá)(鐵道部)和一臺(tái)SIR-3型探地雷達(dá)(成都自來(lái)水公司),并進(jìn)行了一些探測(cè)性能的初步試驗(yàn)工作,這可以說(shuō)是我國(guó)最早期的探地雷達(dá)應(yīng)用研究。1990年,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)在中國(guó)首次引進(jìn)加拿大EKKO-IV型探地雷達(dá),并且進(jìn)行了從探測(cè)理論、探測(cè)方法到圖像資料解釋等較為系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,對(duì)促進(jìn)探地雷達(dá)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用與發(fā)展,起到了很大的推動(dòng)作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)先后引進(jìn)探地雷達(dá)200余臺(tái),約相當(dāng)于探地雷達(dá)起源生產(chǎn)國(guó)(美國(guó))所擁有數(shù)量的2倍。我國(guó)引進(jìn)國(guó)外的探地雷達(dá)儀器種類以美國(guó)GSSI公司的SIR系列和加拿大S&S公司的EKKO系列為主,這兩家公司產(chǎn)品約占我國(guó)探地雷達(dá)引進(jìn)總數(shù)量的75%,其余部分是瑞典MALA公司生產(chǎn)的RAMAC系列雷達(dá)、意大利IDS公司的RIS系列雷達(dá)和極少量的俄羅斯等國(guó)生產(chǎn)的探地雷達(dá)。我國(guó)在引進(jìn)國(guó)外探地雷達(dá)后不久,就開始了研制生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)的探地雷達(dá)設(shè)備,當(dāng)時(shí)進(jìn)行研究的有:煤炭部重慶煤炭研究所、成都電訊工程學(xué)院(現(xiàn)成都電子科技大學(xué))、北京工業(yè)學(xué)院(現(xiàn)北京理工大學(xué))和上海微波研究所等單位,并且先后都有成功的樣機(jī)問(wèn)世。1994年,交通部公路科學(xué)研究院以王笑京為首的項(xiàng)目研究組,研制出了手推車式連續(xù)測(cè)量探地雷達(dá),并先后在深圳等地應(yīng)用。1997年,航天部的支海燕等人也研制成功頻率較高、脈沖較窄的一種高分辨率探地雷達(dá),并生產(chǎn)出正式商業(yè)產(chǎn)品(即愛(ài)迪爾CBS29000V型車載脈沖探地雷達(dá))。此后中國(guó)電波傳播研究所、西南交大、上海微波所、新鄉(xiāng)22所及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等單位都先后研制成功了各具特色的探地雷達(dá),并且應(yīng)用于一定領(lǐng)域。1.2探地雷達(dá)的發(fā)展概況國(guó)外儀器生產(chǎn)廠商由于研發(fā)實(shí)力強(qiáng)、技術(shù)水平先進(jìn),他們所生產(chǎn)的儀器早已商品化和系列化。目前國(guó)外已推出的商品化探地雷達(dá)設(shè)備主要有:美國(guó)地球物理探測(cè)儀器公司(GSSI)的SIR系列,微波聯(lián)合公司(M/A—Com,Inc.)的TerrascanMK雷達(dá);日本應(yīng)用地質(zhì)株式會(huì)社(OYO公司)的GEORADAR系列;加拿大探頭及軟件公司(S&S)的PulseEKKO系列;瑞典MALA公司的RAMAC雷達(dá)系列;意大利IDS公司的RIS系列雷達(dá)等。其中美國(guó)GSSI生產(chǎn)SIR系列產(chǎn)品由于其數(shù)據(jù)采集速度高,在公路、鐵路和橋梁等交通線檢測(cè)中具有很大優(yōu)勢(shì)。目前最新型SIR-20型探地雷達(dá)的掃描速率最高可達(dá)到每秒800次,基本上代表著新一代探地雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)。近幾年國(guó)內(nèi)在探地雷達(dá)設(shè)備的研制方面也取得很大進(jìn)展,國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院在國(guó)家863計(jì)劃信息獲取與處理技術(shù)主題支持下,歷時(shí)三年,于2005年研制成功高分辨率GPR系統(tǒng)RadarEye,該系統(tǒng)具有車載式和便攜式(手持)兩種工作方式,分淺層高分辨率和深層低分辨率多種工作模式。其處理軟件具備地下目標(biāo)的二維、三維合成成像以及地下目標(biāo)分類等功能。2005年,中國(guó)電波傳播研究所研制出LTD系列探地雷達(dá),其中LTD-2000型探地雷達(dá)可配套25~1000MHz等多種屏蔽天線,代表著國(guó)產(chǎn)商業(yè)探地雷達(dá)設(shè)備的水平。LTD-2000型探地雷達(dá)的商品化程度和相關(guān)技術(shù)性能指標(biāo)較以前已有了很大提高,其中某些技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到或者超過(guò)了國(guó)外同類儀器水平,這說(shuō)明我國(guó)自制的探地雷達(dá)已經(jīng)具備了一定的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,各種探地雷達(dá)儀器的性能指標(biāo)也在不斷提高?，F(xiàn)階段探地雷達(dá)的發(fā)展主流趨勢(shì)是研發(fā)數(shù)據(jù)采集速度高、抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)深度大、性能穩(wěn)定、處理速度快、分辨率高、設(shè)備輕便的探地雷達(dá)系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外幾種主流型號(hào)探地雷達(dá)設(shè)備的性能指標(biāo)如表1所示。2工程探測(cè)經(jīng)驗(yàn)我國(guó)開展探地雷達(dá)應(yīng)用研究已有20余年,取得了一系列研究成果,積累了豐富的工程探測(cè)經(jīng)驗(yàn)。探地雷達(dá)在我國(guó)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀主要分為探測(cè)理論研究和工程應(yīng)用研究?jī)纱蠓矫妗?.1地震波的正演模擬技術(shù)理論研究方面,目前仍相對(duì)地集中在信號(hào)處理上。物探技術(shù)人員為了識(shí)別圖像或?qū)D像進(jìn)行地質(zhì)解釋,將目前最新的許多數(shù)據(jù)處理方法,諸如分形、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反褶積、小波分析等應(yīng)用于探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理中。這主要是因?yàn)樘降乩走_(dá)所接收到的信號(hào)十分復(fù)雜,脈沖電磁波在通過(guò)地下介質(zhì)的過(guò)程中,波形和波幅將發(fā)生較大的變化,而脈沖余振、系統(tǒng)內(nèi)部干擾、地表不光滑或地下介質(zhì)不均勻等引起的散射以及剖面旁側(cè)的繞射等干擾,導(dǎo)致實(shí)時(shí)記錄圖像多變和不易分辨。但是當(dāng)前的信號(hào)處理僅限于時(shí)間波形處理,如從單次測(cè)量結(jié)果中減去平均波形以壓低噪聲和雜亂回波、采用時(shí)變?cè)鲆嬉匝a(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制深部噪聲、用頻率濾波以剔除不必要的干擾頻率等;除此之外,還研究采用了聚焦技術(shù),以集中目標(biāo)體的空間響應(yīng);采用信號(hào)增強(qiáng)以及反褶積等數(shù)值處理技術(shù),以加強(qiáng)近地表被強(qiáng)初至電磁波模糊了的反射體波形特征等。為了識(shí)別圖像或?qū)D像進(jìn)行地質(zhì)解釋,除了對(duì)簡(jiǎn)單形體模型進(jìn)行正演外,目前計(jì)劃開展專家系統(tǒng)技術(shù)的有關(guān)研究。此外,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)等高等院校已經(jīng)進(jìn)行了探地雷達(dá)探測(cè)體的正反演研究。2.2探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊在探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用研究方面,我國(guó)擁有的200多臺(tái)探地雷達(dá),幾乎涵蓋了全國(guó)各個(gè)部門。從大型的國(guó)家級(jí)研究院所、高等學(xué)校到工礦企業(yè),從地礦、鐵路、交通、民航、水利到城建、考古部門,許多單位都用上了探地雷達(dá),工程技術(shù)人員在各自的工作領(lǐng)域進(jìn)行了較深入的系統(tǒng)研究,隨著研究程度的深入,將進(jìn)一步拓展探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用范圍,使我國(guó)的探地雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)水平一直處于世界先進(jìn)行列。我國(guó)探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用研究主要有下列幾個(gè)領(lǐng)域。(1)探地雷達(dá)對(duì)于施工缺陷的處理方法在工程中的應(yīng)用這是探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用卓有成效的領(lǐng)域之一。工程質(zhì)量檢測(cè)的最基本、最重要的要求就是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,但其探測(cè)對(duì)象許多卻是隱蔽工程,所以常規(guī)手段難以兼顧,而探地雷達(dá)可以解決這類問(wèn)題。由于工程的缺陷部位介質(zhì)與完好部位介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)存在較大差異,因此可用雷達(dá)查明施工中出現(xiàn)的隱蔽的質(zhì)量缺陷。探地雷達(dá)能夠較好地檢測(cè)混凝土澆筑質(zhì)量、土體含水量等指標(biāo),還可用于建筑物結(jié)構(gòu)檢測(cè)、混凝土中鋼筋分布準(zhǔn)確定位探測(cè)、混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè)、建筑物結(jié)構(gòu)探傷(空洞、裂縫、蜂窩等)和建筑物內(nèi)隱蔽物查找等方面。(2)探地雷達(dá)天線城市基礎(chǔ)設(shè)施探測(cè)包括各種金屬和非金屬(PE、PVC、水泥等)管線探測(cè),地下空洞(巖溶、人防工程、地下室、地道)探查,城市路面塌陷檢測(cè),突發(fā)工程事故搶險(xiǎn)等。由于城市中有各種干擾源(機(jī)械振動(dòng)、電磁干擾),許多物探方法無(wú)能為力。而探地雷達(dá)天線有屏蔽功能,在這方面具有相當(dāng)優(yōu)越性,其快速準(zhǔn)確探測(cè)的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。相關(guān)應(yīng)用研究很多,應(yīng)用效果也各具特色,尤其是在地基(復(fù)合地基)和樁基等基礎(chǔ)工程檢測(cè)方面取得了較大突破,目前能用探地雷達(dá)較準(zhǔn)確地檢測(cè)地基加固處理效果。(3)路基質(zhì)量檢測(cè)算法驗(yàn)證隨著我國(guó)公路建設(shè)的突飛猛進(jìn),探地雷達(dá)技術(shù)在高速公路和高等級(jí)公路的質(zhì)量驗(yàn)收和路基質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用,其探測(cè)速度快、成果精度高已得到了廣泛認(rèn)同。應(yīng)用領(lǐng)域主要包括瀝青層(或混凝土)厚度檢測(cè),公路基層、墊層和路基質(zhì)量檢測(cè),路基病害(路基下沉、翻漿、高含水區(qū)域、孔洞、軟弱體、裂縫等)檢測(cè)及橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)等。(4)路基凍土層及采空區(qū)的探測(cè)包括鐵路路基各層質(zhì)量檢測(cè),路基病害(路基下沉、翻漿、高含水區(qū)域、孔洞、軟弱體及裂縫等)檢測(cè),路基中巖溶或采空區(qū)探測(cè),路基凍土層分布范圍探測(cè)、鐵路道渣囊分布范圍檢測(cè)等方面,應(yīng)用效果越來(lái)越好。應(yīng)用范圍已從未運(yùn)營(yíng)鐵路線路向通車運(yùn)行線路擴(kuò)展,目前正在研究類似公路質(zhì)量檢測(cè)的軌道車載式鐵路路基質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。(5)妨礙物及斷裂發(fā)育情況由于常規(guī)的勘察鉆孔數(shù)量有限,無(wú)法全面了解地下地層分布特征。而探地雷達(dá)可有效地勘察地下回填土的厚度、地下障礙物的分布范圍、地層分層特征和地下斷裂的發(fā)育情況等。其優(yōu)點(diǎn)是能夠快速地大面積普查,從而彌補(bǔ)鉆孔勘察數(shù)量有限的不足,為工程設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。在該領(lǐng)域,單獨(dú)或配合少量其它物探手段,可完成下列地質(zhì)勘探工作:地層劃分、地下斷層和斷裂查找、地基調(diào)查、水文地質(zhì)勘察、礦產(chǎn)資源調(diào)查、地下采空區(qū)范圍探測(cè)、巖溶地質(zhì)調(diào)查及滑坡勘查等。(6)其它技術(shù)的優(yōu)勢(shì)近幾年,探地雷達(dá)技術(shù)在公路、鐵路和水電工程隧道施工和竣工驗(yàn)收上應(yīng)用十分普遍,主要用于隧道開挖超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、隧道襯砌厚度檢測(cè)、隧道襯砌缺陷檢測(cè)和隧道路基質(zhì)量檢測(cè)等方面。特別是在隧道襯砌厚度檢測(cè)及隧道襯砌缺陷檢測(cè)上具有其它方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。此外在隧道開挖超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中,配合進(jìn)行一些地震反射探測(cè),也已取得了令人矚目的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果。(7)施工質(zhì)量控制我國(guó)水利水電行業(yè)工程技術(shù)人員使用探地雷達(dá),主要用于前期工程勘察(滑坡體調(diào)查、基巖埋深探測(cè)),中后期的工程施工階段質(zhì)量控制、堤壩隱患探測(cè)和水利工程質(zhì)量檢測(cè)(堤壩中孔洞、蟻穴、裂隙滲漏點(diǎn)探測(cè)等),對(duì)水利工程的施工進(jìn)度和施工質(zhì)量起到保證作用和改善促進(jìn)作用。特別是在堤壩隱患探測(cè)和水利工程質(zhì)量的檢測(cè)中,工程技術(shù)人員已嘗試解決了一些工程問(wèn)題,如探測(cè)壩基的密實(shí)度、完好程度及洞穴、裂縫及陷落等嚴(yán)重隱患的分布范圍,并取得良好的效果。(8)家庭壁畫的探測(cè)在考古學(xué)領(lǐng)域,探地雷達(dá)主要用于古文化層埋深調(diào)查,古遺址探測(cè),地下埋藏物探測(cè),地下墓穴探測(cè),古建筑結(jié)構(gòu)和風(fēng)化程度檢測(cè)及古代壁畫空鼓區(qū)域調(diào)查等。我國(guó)在這方面的應(yīng)用雖然起步較晚,但已取得了許多成果,如中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)曾對(duì)甘肅敦煌莫高窟的石窟進(jìn)行過(guò)探測(cè)研究。在對(duì)秦始皇陵的考古研究工作中,地礦系統(tǒng)的許多單位也使用了探地雷達(dá)技術(shù)。(9)用探地雷達(dá)探地雷達(dá)在環(huán)境保護(hù)方面,我國(guó)利用探地雷達(dá)技術(shù)比較晚。目前,國(guó)內(nèi)外使用探地雷達(dá)主要解決如下問(wèn)題:農(nóng)業(yè)土壤調(diào)查分類,地下水位埋深探測(cè),地下儲(chǔ)油罐位置探測(cè),加油站泄漏點(diǎn)和污染范圍探測(cè),地下排污管道破碎泄漏污染探測(cè)及垃圾填埋場(chǎng)污染物擴(kuò)散范圍探測(cè)等。(10)探地雷達(dá)在地下隱患檢測(cè)及安全探測(cè)中的應(yīng)用前景我國(guó)在軍事與安全領(lǐng)域使用探地雷達(dá)技術(shù)相對(duì)國(guó)外更晚,屬于新拓展領(lǐng)域。目前主要用于下列方面:戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期遺留未爆炸物探測(cè),建筑物內(nèi)隱蔽物探測(cè),地下隱蔽物(小型隱蔽地穴、埋藏的槍械或武器)探測(cè),掩埋的尸體探測(cè)等等。在該領(lǐng)域中,由于探測(cè)對(duì)象(兵器、爆炸物、危險(xiǎn)物等)與周圍介質(zhì)的電性差異很大,用雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)的效果非常好。隨著探地雷達(dá)應(yīng)用實(shí)踐的增加和研究的深入,其在軍事與安全探測(cè)方面的應(yīng)用前景將十分廣闊。上述眾多領(lǐng)域的成功應(yīng)用表明,探地雷達(dá)所用的天線種類較多,與其他的物探方法相比,在地下隱患無(wú)損探測(cè)及工程質(zhì)量的檢測(cè)方面具有其獨(dú)特的優(yōu)越性,它能夠針對(duì)不同的問(wèn)題(如文中敘述的10大領(lǐng)域)和不同的探測(cè)對(duì)象,合理選用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和正確的探測(cè)方法,并取得良好的效果。當(dāng)然,在所有這些應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)的行業(yè)中,盡管有少數(shù)單位還達(dá)不到熟練運(yùn)用的程度,但總體來(lái)看,我國(guó)在探地雷達(dá)的應(yīng)用方面,已進(jìn)入成熟和研究開發(fā)新應(yīng)用領(lǐng)域階段,國(guó)內(nèi)進(jìn)行的某些探測(cè)領(lǐng)域甚至在國(guó)外也從未研究過(guò),屬于我國(guó)首創(chuàng)。3探地雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)是什么?+探地雷達(dá)由于使用的是高頻寬頻帶短脈沖電磁波和高速采樣技