國內探地（地質）雷達現行技術標準及應用范疇研究

摘 要：探地雷達是一種重要的無損檢測（探測）手段，起源于國外，引入國內之初主要用于淺部地質調查，目前在工程探測、工程檢測中發(fā)揮著十分重要的作用。為研究國內探地雷達在不同行業(yè)的應用效果和發(fā)展程度，本文對國內現行探地雷達標準進行了研究分析。從標準類型、應用行業(yè)、標準發(fā)布部門、歸口管理部門等方面可看出探地雷達的標準化具有較強的針對性，在隧道襯砌檢測、道路結構檢測方面發(fā)展較成熟，在其他常用或新興行業(yè)的標準化相對滯后。為促進探地雷達在其他常用行業(yè)或新興行業(yè)的發(fā)展，有關部門需加強相應的標準化建設。

關鍵詞：探地雷達，無損檢測，隧道襯砌，道路結構，道路病害

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.14.022

0 引 言

雷達為英文Radar的音譯，源于“radio detectionand ranging”的縮寫，意為“無線電探測和測距”，指利用無線電來發(fā)現目標體并測定其空間位置。公眾所知的“雷達”一詞一般對應氣象雷達、軍用雷達等，可簡單理解為“對空雷達”。相對于對空雷達，對地雷達目前一般稱為“探地雷達”（Ground Penetrating Radar），又稱“地質雷達”，是利用天線收發(fā)高頻電磁波來探測介質內部物質特性和分布規(guī)律的一種地球物理方法[1-3]。

相對于其他傳統(tǒng)的地球物理勘探方法如地震勘探、直流電阻率法、磁法、重力等，探地雷達是一種較新的探測技術，具有效率高、精度高、非破壞性、結果直觀的特點，20世紀80年代探地雷達技術突飛猛進，21世紀初探地雷達逐漸進入穩(wěn)定發(fā)展期。經過二十余年的快速發(fā)展，探地雷達已在淺部地質勘查、工程勘察、工程檢測、考古、軍事、冰川探測等領域獲得了廣泛應用，并隨著大面積地面工程探測、工程檢測方面的應用，向著三維精細化、快速化探測方向發(fā)展。

隨著探地雷達在工程檢測、淺部地質勘查中應用的推廣，國內近二十年發(fā)布了十余部專門針對探地雷達的標準、規(guī)范，主要集中在公路路面檢測、公路隧道檢測、鐵路隧道檢測等領域，探地雷達在這些領域已成為常態(tài)化的檢測、探測技術，在這些領域的標準化也相對成熟。

1 發(fā)展應用歷程

探地雷達起源于2 0世紀初期，19 0 4年德國Hulsmeyer首次將電磁波信號應用于地下金屬物探測。1910年德國Leimbackhe和L?wy利用鉆孔中的偶極子天線探測相對高導電區(qū)域，并對此申請專利，首次正式提出探地雷達的概念[2-3]。1926年德國Hulsenbeck第一個提出利用脈沖技術確定地下結構的思路，其指出只要是介電常數發(fā)生改變的界面就會產生電磁波反射，這也是當代探地雷達工作的思路，但限于當時技術的發(fā)展，其應用受到很大限制。利用脈沖電磁波技術重復獲得地下介質探測的結果最早出現在美國空軍的報告中。

由于電磁波在地下傳播比在空中傳播復雜得多，在探地雷達的應用初期僅限于冰川、鹽礦等弱損耗介質中。直至20世紀70年代探地雷達技術重新受到重視，同時美國阿波羅月球表面探測實驗的需要，加速了探地雷達技術的發(fā)展。在此期間，全球首家生產和銷售商用探地雷達的公司—美國地球物理測量系統(tǒng)公司（GSSI）成立。此后，美國、日本、加拿大、瑞典、英國、意大利等國家相繼推出探地雷達系統(tǒng)，應用較廣泛的有美國地球物理測量系統(tǒng)公司（GSSI）SIR系列、加拿大探頭與軟件公司（SSI）EKKO系列、瑞典地質公司（SGAB）RAMAC鉆孔雷達系統(tǒng)、日本應用地質株式會社（OYO）GEORADAR系列等。

20世紀80年代，隨著計算機技術和數據處理技術的發(fā)展，全數字化探地雷達問世，極大拓展了探地雷達的應用領域，更多國家開始關注探地雷達技術，出現了很多探地雷達的研究機構，如法國和德國國防部共同組建的法德圣路易斯研究所（ISL）、瑞典國防科學研究院（FOA）、英國國防部防務評估與研究署（DERA）、美國林肯實驗室（前身為研制出雷達的麻省理工輻射實驗室MIT Radiation Lab）等，國內一些高校和研究機構也先后開展地下探測工作以及探地雷達試驗系統(tǒng)的研制工作。此后美國GSSI公司、加拿大SSI公司等儀器生產商迅速發(fā)展，不斷推出商用探地雷達系統(tǒng)，為探地雷達向民用領域推廣奠定了基礎。進入21世紀后，探地雷達逐漸向更多的領域拓展，覆蓋考古、礦產資源調查、鐵路、公路、農業(yè)、環(huán)境工程、工程建筑質量檢測、市政設施維護、工程場地勘察等眾多領域。

探地雷達從最初問世至今，共經過了120年的發(fā)展歷程。探地雷達最初起源于科學研究的設想，但限于當時科技的發(fā)展其應用受到很多限制。早期探地雷達主要應用于軍事研究，早期的探地雷達研究機構如ISL、FOA、DERA、林肯實驗室等均隸屬于一些國家的國防部門。進入20世紀80年代后，探地雷達技術突飛猛進、商用探地雷達加大推廣，使得探地雷達逐漸從軍用領域進入到民用領域，在此之后探地雷達又逐漸走向地質勘查、工程檢測、水利水電工程、鐵路、公路等行業(yè)。

2 探地雷達在不同行業(yè)的現行標準

進入21世紀后，探地雷達在解決地質構造、工程場地勘察、交通線路選擇、工程質量檢測、超前地質預報、道路病害探測、環(huán)境檢測、考古等問題上發(fā)揮重要作用。目前國內已發(fā)布20余部專門針對應用探地雷達的技術標準，主要包括軍事、隧道橋梁檢測、道路結構檢測、建筑工程混凝土結構檢測、地質測繪、管線探測、道路病害探測（檢測）等行業(yè)，現行技術標準對該技術一般稱“探地雷達”“地質雷達”或簡稱“雷達”。表1統(tǒng)計了國內現行的專門探地雷達技術標準。

此外，2004年由原鐵道部發(fā)布的TB 10223—2004《鐵路隧道襯砌無損檢測技術規(guī)程》規(guī)定了地質雷達法、聲波法兩種無損檢測方法，標題未注明地質雷達，此后多部“公路隧道地質雷達檢測技術規(guī)程”均參考了該規(guī)程。

3 探地雷達技術應用行業(yè)及標準化分析

目前探地雷達在國內的應用主要包括以下幾個方面：（1）鐵路、公路交通建設，主要包括公路質量檢測、鐵路及公路隧道超前地質預報、鐵路及公路隧道襯砌質量檢測。（2）水利水電工程，主要包括堤壩洞穴探測、水庫滲漏探測等。（3）城市地下構筑物探測，主要包括地下管線探測、地下人防設施探測、地下樁基等其他地下結構物探測。（4）工程場地地質、災害地質調查，主要包括地下巖溶探測、滑坡面探測、采空區(qū)探測、斷層探測等。（5）環(huán)境調查，主要包括地下水污染探測、地下廢棄物探測、油氣污染探測、垃圾掩埋場調查等。（6）農業(yè)地質調查，主要包括鹽堿層探測、洪積扇調查等。（7）軍事，軍事設施調查、地雷等遺留物探測等。（8）考古，古遺址探測、古文化層調查等。

由于無損、高精度、高效率的優(yōu)點，探地雷達在很多行業(yè)獲得應用，在制定專業(yè)標準化方面主要有公路質量檢測、鐵路與公路隧道襯砌檢測、道路病害探測、混凝土質量檢測、管線探測、水電工程、軍事等幾個方面，其中以隧道襯砌檢測、道路病害探測兩方面的標準最多[4 -5]。此外，綜合性的地球物理探測標準一般都包含探地雷達方法。

在現行標準類型上，主要為地方標準，其次為行業(yè)標準和團體標準，無國家標準；在標準對應行業(yè)上，主要為隧道檢測、道路檢測，其次為道路病害探測、水電工程、管線探測、地質測繪、混凝土結構檢測、軍事以及探地雷達儀器的計量檢定；在標準的發(fā)布、批準部門上，主要為各省市、自治區(qū)的市場監(jiān)督管理局、住房和城鄉(xiāng)建設廳，其次為交通運輸部，其他還包括標準化協(xié)會、計量測試學會、交通運輸學會等國家或地方團體，以及住房和城鄉(xiāng)建設部、國家能源局、原鐵道部、原信息產業(yè)部；在標準歸口管理部門上，主要為省部級住建部門、交通運輸部門，其他為能源、信息、城市管理、市場監(jiān)督等部門；在標準起草、編寫單位上，主要為交通運輸部門及相關企業(yè)、工程試驗檢測公司、高校及相關研究院所等。

從現行探地雷達標準可以看出，標準化最完善的是在隧道襯砌檢測、道路結構檢測這兩個行業(yè)，近年來新增的標準化方向是城市道路地下病害探測（檢測），隨著三維探地雷達技術推廣應用，三維探地雷達技術的標準化也在逐漸實施。

4 標準內容差異性分析

作為一個專業(yè)性較強的技術方法，現行探地雷達的技術標準一般包括總則及適用范圍、術語及符號釋義、基本規(guī)定或要求、儀器設備及參數、探測或檢測方法與技術、探測或檢測成果報告、分析與評價、附錄等幾項內容，少數較詳細的標準附條文說明部分。

不同行業(yè)的標準側重點有所區(qū)別，如“水電工程探地雷達探測技術規(guī)程”作為水利水電工程行業(yè)的標準，既涉及覆蓋層、巖溶、破碎帶等地質勘查內容，又涉及隧洞、混凝土結構等構筑物探測，其綜合性較強，在內容上更注重方法技術本身，如對剖面法、寬角法、共中心點法、鉆孔雷達、三維雷達探測方法都有較詳細的定義，并給出了不同目的、不同條件下的適宜采方法，附較詳細的條文說明；隧道襯砌檢測、路面結構檢測、混凝土結構檢測等工程質量無損檢測標準，對探地雷達技術定義較少，更注重具體的檢測目的、檢測精度，在精度方面要求更高，在精度、儀器標定等方面的定義更詳細；“地質雷達探測測繪技術規(guī)程”作為測繪地理信息行業(yè)提出的標準，未具體指定應用對象，兼顧了探地雷達探測和控制測量的要求，較詳細的闡述了地質雷達精度指標、衛(wèi)星控制測量要求，對中心頻率、天線時窗、采樣率、測量點距、移動速度、天線間距等參數設置做了明確要求；道路病害探測類標準對方法技術闡述較少，在探測技術方面主要對儀器系統(tǒng)、數據采集、數據處理、資料解譯進行了要求，對異常體、病害體的雷達數據特征進行了總結，近年來各地發(fā)布了較多該類地方標準；關于探地雷達的計量檢定標準主要針對公路、橋梁等工程結構，著重對測量誤差、重復性、定位誤差等定義，并做詳細的計算說明。

總體來說，不同行業(yè)的探地雷達標準在內容側重點上具有很大的差異性，“水電工程探地雷達探測技術規(guī)程”、“地質雷達探測測繪技術規(guī)程”所對應的應用場景更廣，在探地雷達技術定義上更詳細，隧道無損檢測、路面檢測、道路病害探測、計量檢定等標準針對性更強，對于具體應用場景下的定義和要求更細。正是由于探地雷達的應用對象差異較大，造成了其在不同的應用場景、應用對象下的適用標準差異較大。

5 結語

探地雷達是一種重要的無損檢測（探測）手段，可用于各類工程結構檢測、淺部工程探測、淺部地質調查等，在交通運輸、地質調查、建筑、水利水電、考古、軍事等行業(yè)有廣泛的應用，針對應用對象的不同形成了諸多的行業(yè)標準、地方標準。

標準化的建立，促進了探地雷達在不同行業(yè)的應用和良性發(fā)展。目前形成的探地雷達標準主要為行業(yè)標準、地方標準，具有較強的針對性和較窄的適用范圍。目前探地雷達標準化較成熟的行業(yè)主要為隧道襯砌檢測、道路結構檢測，其他應用較多的行業(yè)如道路地下病害體探測、城市淺部地質結構探測、工程結構檢測（探測）等仍需完成標準的完善或標準的建立和宣貫，從而為探地雷達在相關行業(yè)的發(fā)展起到促進和引導作用。

參考文獻

[1]李大心.探地雷達方法與應用[M].北京：地質出版社，1994.

[2]曾昭發(fā)，劉四新，馮暄，等.探地雷達原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]楊峰，彭蘇萍.地質雷達探測原理與方法研究[M].北京：科學出版社，2010.

[4]蘇鵬.城市道路塌陷病害探測標準化及行業(yè)現狀研究[J].中國標準化，2024（8）：79-85.

[5]蘇鵬.地質雷達法在城市道路塌陷病害探測中的應用[J].華北地震科學，2024，42（1）：59-65.

作者簡介

蘇鵬，碩士研究生，工程師，主要從事工程與環(huán)境地球物理勘探技術應用及研究工作。

（責任編輯：袁文靜）