探地雷達(dá)的原理及前景展望

周成全

摘 要：探地雷達(dá)是一種對(duì)位于地球淺層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)，它利用地下各物質(zhì)自身介質(zhì)參數(shù)的差異，以短高頻電磁脈沖波作為媒介，根據(jù)反射波的振幅、波形和頻率等的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)地表以下物體結(jié)構(gòu)特征的分析。探地雷達(dá)所使用的頻率遠(yuǎn)低于一般的探空雷達(dá)，其主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶琶}沖波在有損介質(zhì)中的傳輸特性。由于地表下各種介質(zhì)分布的不確定性，探地雷達(dá)相比傳統(tǒng)探空雷達(dá)的研究要更為復(fù)雜。與傳統(tǒng)的探測(cè)方式相比，它具有便捷、高效、組成簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、地形適應(yīng)能力強(qiáng)、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高頻脈沖波；雷達(dá)；介質(zhì)

1 探地雷達(dá)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

對(duì)探地雷達(dá)的研究開(kāi)始于二十世紀(jì)初。1904年，德國(guó)進(jìn)行了首次用電磁波信號(hào)對(duì)地下金屬進(jìn)行探測(cè)的研究。由于地下介質(zhì)的強(qiáng)衰減特性，加上地下介質(zhì)組成復(fù)雜多樣，引起嚴(yán)重的電磁波干擾，研究起來(lái)非常困難。加之兩次世界大戰(zhàn)的影響，所以在首次應(yīng)用后的幾十年間，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展一直遲滯不前。直到上世紀(jì)50年代以后，探地雷達(dá)才重新被各國(guó)提上發(fā)展日程。隨著電子技術(shù)特別是數(shù)字磁帶記錄問(wèn)世以后，依托現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)的新型實(shí)用性探地雷達(dá)迅速發(fā)展，許多商業(yè)化的數(shù)字產(chǎn)品先后問(wèn)世。這些雷達(dá)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(shí)時(shí)處理、多波形處理、多次疊加等功能，另外還有用于井下探測(cè)的特種探地雷達(dá)等。國(guó)內(nèi)對(duì)于探地雷達(dá)的研究開(kāi)始于二十世紀(jì)七十年代，當(dāng)時(shí)，伴隨著煤礦各部委科研院所探礦工作的開(kāi)展，急需進(jìn)行探地雷達(dá)研究工作，但由于種種原因，這些研究未能深入進(jìn)行。進(jìn)入到九十年代以后，在引進(jìn)了多種國(guó)外先進(jìn)探測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上，我國(guó)的探地雷達(dá)研究事業(yè)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

由于雷達(dá)波進(jìn)入到地下復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境后傳播變得難以預(yù)測(cè)，再加上地下各種介質(zhì)產(chǎn)生的噪聲對(duì)有用信號(hào)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(dá)記錄工作面臨的主要技術(shù)難題。關(guān)于在于運(yùn)用多種數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)所得到的信號(hào)進(jìn)行科學(xué)濾波處理。由于發(fā)射的探地雷達(dá)波位于高頻帶，使得研究者對(duì)于電磁波在不同高頻段上所反映出的不同地質(zhì)構(gòu)成要有深入的了解。這個(gè)也是探地雷達(dá)研制過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。

2 探地雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)（簡(jiǎn)稱(chēng)GPR）是一種對(duì)地下淺層結(jié)構(gòu)或者不可見(jiàn)物體進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)，它利用高頻電磁波（發(fā)射波頻率一般高達(dá)106—109Hz），將地面發(fā)射天線發(fā)射的寬頻帶短脈沖發(fā)送到地下淺層，電磁波在經(jīng)過(guò)介質(zhì)特性變化的界面時(shí)發(fā)生反射，通過(guò)接收反射波信號(hào)，并對(duì)波形的時(shí)延，波形等信息進(jìn)行采樣預(yù)處理，判斷地表下的介質(zhì)組成，目標(biāo)深度以及位置和大小。通過(guò)數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)字圖像技術(shù)的處理，對(duì)地下目標(biāo)進(jìn)行重建成像處理，可以再現(xiàn)地表下的基本地質(zhì)構(gòu)成。

探地雷達(dá)的工作原理如下圖，雷達(dá)通過(guò)發(fā)射天線向地下發(fā)射短高頻電磁波，遇到地表及地下目標(biāo)，由于地下介質(zhì)的非連續(xù)特性，在經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)面的時(shí)候?qū)?huì)產(chǎn)生回波信號(hào)，地面接收天線接收到這些回波信號(hào)后由數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)進(jìn)行采樣，采樣完成后的數(shù)據(jù)將會(huì)被送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，以分析地下目標(biāo)介質(zhì)的存在和特性。

3 探地雷達(dá)的幾個(gè)未來(lái)發(fā)展方向

3.1 成像技術(shù)不斷發(fā)展

探地雷達(dá)的成像方式，現(xiàn)在來(lái)說(shuō)，一般還是集中于二維成像。商用探地雷達(dá)基本不具備三維成像功能。當(dāng)二維成像剖面測(cè)線傾向斜交于地下目標(biāo)時(shí)，位于測(cè)線正下方的界面反射波就無(wú)法被接收到，而不在剖面之內(nèi)的反射點(diǎn)卻被記錄在內(nèi)。這就導(dǎo)致了勘探掃描結(jié)果與真實(shí)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(biāo)介質(zhì)分布的深度和構(gòu)成。

3.2 提高雷達(dá)分辨率

探地雷達(dá)對(duì)于目標(biāo)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(hào)的脈寬。分辨率與脈沖寬度成反比，分辨率越高要求對(duì)應(yīng)的脈寬就要越窄。目前由于技術(shù)條件的限制，難以做到在時(shí)域范圍內(nèi)同步觸發(fā)幅度幾十V，寬度小于1ns的激勵(lì)信號(hào)，故而現(xiàn)在經(jīng)常采用頻域掃頻技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足發(fā)射源的寬度要求。

3.3 自適應(yīng)天線技術(shù)

傳統(tǒng)雷達(dá)所使用的天線一般包括以下幾種：蝴蝶結(jié)天線、喇叭形天線、超寬頻帶偶極子天線。這些天線廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的探地搜索任務(wù)。然后隨著探地雷達(dá)探測(cè)精度要求的不斷提高，傳統(tǒng)天線已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代工程探礦的需求，更先進(jìn)的自適應(yīng)天線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

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

另外一種是基于蝴蝶結(jié)形天線進(jìn)行的改進(jìn)，讓蝴蝶結(jié)天線的各項(xiàng)電性能參數(shù)指標(biāo)伴隨其張角及電長(zhǎng)度的改變而改變而研制出的等效蝶形自適應(yīng)天線。這兩種自適應(yīng)天線的出現(xiàn)，都使得探地雷達(dá)更加適應(yīng)復(fù)雜多變的地形狀況。

3.4 信號(hào)源的改進(jìn)

步進(jìn)頻率信號(hào)是一種大時(shí)寬帶寬乘積的高分辨率信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)有：利用較小的瞬時(shí)帶寬合成較大的工作帶寬，極大降低了接收機(jī)和數(shù)模采樣過(guò)程的帶寬要求。對(duì)各個(gè)離散頻點(diǎn)的頻率和幅度可以進(jìn)行方便的調(diào)節(jié)。由于步進(jìn)頻率的信號(hào)隨時(shí)間均勻推進(jìn)，用頻率域信號(hào)處理的辦法進(jìn)行處理較為方便。這種信號(hào)在提高分辨率的同時(shí)對(duì)硬件也沒(méi)有提出很高的要求。在數(shù)字信號(hào)合成技術(shù)不斷發(fā)展的今天，步進(jìn)頻率的信號(hào)源將成為探地雷達(dá)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。

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