探地雷达技术应用综述
作者：师丽萍
来源：《资源网 国土资源情报》，2007（3）

     一、  探地雷达技术的概述
    雷达法检测技术是新兴的建设工程无损检测技术雷达（RADAR）一词最早出现于军事，是“无线侦察与定位”的缩写，意即利用无线电波发现并测定其位置的设备。
    1985 年，美国采用线性调频脉冲雷达技术检测具有近80 年历史的纽约地铁通道结构完整性，发现雷达可穿透6一8层、厚约28 一31cm的水浸饱和砖，探出原隧道的钢铁护套，还能发现混凝土地板下的空洞从此，将微波检测技术引人了工程建设领域。1 994年，美国地球物理公司发明了SIR 地质雷达仪，同时也适用于公路路面检测20 世纪90 年代日本雷达仪器公司(JRc ）研制开发了一系列混凝土内部雷达探测仪。
    频率高于20GHz 的微波关键器材由于军事原因受到“巴黎统筹委员会”限制，难以从国外直接引进，所以国内于20世纪70 年代才开始微波检测技术的研究，民主要应用于航空航天领域。1988 年我国航天部二院203所研制出2cm频域干涉仪探测系统，对直径480mm 的玻璃钢壳体发动机进行检查，壳检出最小直径为45mm 相邻距离40mm 以上的缺陷；1990 年机电部海材料研究所白宝泉等研制出96 Hz检测装置，采用楔形介质天线，实现近场检测，可检出直径2mm的球孔，横向分辨率为2 .5mm ; 1990年能源部苏州热工研究所运用微波散射法检测金属表面裂纹，当裂缝深度在0 . 01 一6 . 3 时，测量误差小于2％。
     20 世纪90年代，我国亦开始了地质雷达（或称探地雷达）的应用研究。上海同济大学采用地质雷达探测地下管线、旧建筑混凝土桩、古河道、暗河等，取得良好效果；交通部门引进了多台SIR一10H 地质雷达仪，用于公路路面检测，90 年代国内多家单位从日本JRC 公司引进了JEJ 一60BF雷达仪，用于探测钢筋混凝土结构内部钢筋和缺陷的分布。
    雷达波是频率为300MHz 一300GHz 的微波，属于电磁波，其真空中相应的波长为lm 一lmm，在电磁波谱上处于远红外线至无线电短波之间。当波长远小于物体尺寸时，微波的传导和几何光学相似，即在各向同性均匀介质中具有直线传播、反射折射的性质。当波长接近物体尺寸时，微波又有近于声波的特点。
    雷达法检测技术就是以微波作为传递信息的媒介，根据微波传播特性，对材料、结构和产品的性质、缺陷进行非破损检测与诊断技术。微波对电磁衰减大的非金属材料具有较强的穿透能力，不穿透导电性好的材料。
    由于雷达波对物体的电磁特性敏感，因此其主要用途在于探测被测物的结构组成、内部缺陷等，例如市政建设中可采用雷达波技术查明地下管线（如水管、煤气管等）的分布，探测浅层的地层结构，用于高速公路、机场跑道、铁路路基、桥梁、隧道及大坝等混凝程的质量验收和日常维护，探测混凝土结构中的孔洞、剥离层和裂缝等缺陷损伤的位置和范围。这类探测深度可达3一10m ，有较高的分辨率。雷达波检测具有如下技术特点：
   （1）对混凝土有很强的穿透能力，可测较大深度。
    (2）可实现非接触探测，可作实时检测，探测速度快。
    ( 3 ）以减小波长和增大频率宽度，实现高分辨率的探测
    ( 4 ）微波有极化特性，可确定缺陷的形状和取向。
    当前，IRls （属于生产地质擂达的一家法国公司的缩写）型路面雷达的速度80km / h ，作50 一100次／秒扫描，连续4h 下作可检测路面320km ，采样速率达40kHz，可实时直接数字化存盘，能作实时包括检测数据，分析程序以彩色剖面图、三维厚度剖面、波形、剥离层等显示，可作告诉行驶下非破损非接触，不受气候气温限制的探测。
     二、探地雷达的工作原理
     探地雷达简称GPR，也称地质雷达，是一种对地下的或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁技术。其工作原理为，高频电磁波以宽频带脉冲形式，通过发射天线被定向送人地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面。由接收天线接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁特性和几何形态而变化，所以对接收信号进行分析处理，可判断地下的结构或埋藏物等。探地雷达的检测原理如图：

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    根据发射信号与接收信号的时间差 △T ，以及电磁波在地下的传播速度v ，可以算出反射所处的深度D：D = l / 2v x △T
    因此，习惯上把雷达检测称为“时距法”由于地下地层成分结构复杂，而且一般含有较多水分，因而为提高穿透能力，一般采用频率较低的雷达波，其频率最低的为（50一100MHz ）。电磁波的频率越高，其穿透能力越弱，但分辨率越高。雷达反射波和透射波的幅度变化与微波的极化特性有关，在平行极化时，当入射角0，等于布儒斯特角。

W020071130525977918346.jpg入射的微波则产生全投射，而没有反射，使用这个重要特性，可减少微波在探测表面的能量损失。电磁波在地质中传播有两个“频率窗口”传播能量损失较小，即10kHz，以下的低频窗和几十兆赫兹以上的高频窗。雷达波最大探测距离与地层的电子特性密切相关，设理论上最大可达到30米，考虑各种因素引起的散射，实际上地层中 10 米以内的目标可能探测到。
     三、探地雷达的应用
    探地雷达法有广泛的用途，在建筑结构、道路桥梁、地质勘探、市政管线甚至考古刑侦等方面都有用武之地。
    1 ．路面测厚
    路面厚度检测是公路检测的主要内容之一。一般简易路面厚100 一200mm ，高等级公路路面厚200 一300mm，机场跑道路面厚400mm ，这就要求公路路面厚度检测有较高的分辨率，误差小于10mm 。
    雷达测厚是利用电磁波在不同介质界面处的反射一折射、其原理如图1 所示。对于200mm厚度以上的混凝土或沥青路面，检测精度达到10mm 以内，则探地雷达使用900MHz 以卜中心频率的天线。
    2 ．路面与路基缺陷检测
   公路在修筑过程中对路基进行处理，随着公路投人使用，路基介质经历压实或外来扰动的影响，使原来软弱地基发生变化，这类缺陷会引起公路陷落，造成事故。监测这类软弱地基的变化，将有利于提高公路运输的安全性。雷达路基测损原理也是雷达波的反射一折射，由于路基一般在地下8一10cm ，为了达到这一探测深度，并且具有一定的分辨率（直径0 . 5m 以上的土洞）般选用100MHz 天线。
      3 ．路面与路基裂缝调查
    路面与路基微裂缝的存在是公路老化的标志，微裂缝的存在形成了雨水通道，渗人路面下的水流会加速路面的损坏，因此调查路面微裂缝及其延伸情况也是公路无损检测的一个重要内容根据美国、加拿大所做的检测工作，微裂缝主要存在于细粒状路基介质中，少部分渗到路面介质中，特别是在退出坡道处出现大面积裂缝密集区，在慢车道出现斑状裂隙带，而外车道和内车道稍好。
    4 ．工程地质勘查
    由于不同的地层介电常数不同对雷达波反射强度也不同，因而具有各自的雷达彼形特征，,以利用雷达波探测地层分类，了解地下基岩等持力层的位置。特别是在基岩面起伏剧烈、破碎带又相对发育的地区，单纯依靠工程钻探显然不能满足工程设计的要求。结合钻探、探地雷达能给出整个地层的剖面图，查找出基岩破碎带在软上地基工程勘察中，探地雷达可以用来确定地层中暗河、占河道等特殊地质现象。
     5 ．城市顶管工程和隧道施工
    随着市政建设的发展，开挖施工（如顶管工程、盾构施工）愈来愈多迅速、紧缺地查清施工前方的暗河、管线（特别是较深的污水管）、旧基础等地下障碍物的分布具有重要意义这是因为暗河多为淤泥沉积物，液化态势高，在地下顶管施工中受到扰动，饱和孔隙水释放使淤泥塌陷造成地面变形、路面破损；在施工中打断管线，会造成停水、断电、污水横流等事故；大量的旧基础会造成施工中断，延误工期。可以说，除了探地雷达，目前尚无别的有效方法来确定地下障碍物的位置。
     6 ．桥梁施工中的
    应用我国桥梁施工中，桥墩均使用桩基础，大口径钻孔灌注桩作为高层建筑基础和桥墩基础越来越引起重视由于钻孔灌注桩截面积大，承受荷载大，且多为一柱一桩直接影响其上部结构，故对其质量要求严格。在桥梁建设中，桩基础的质量问题常常造成桥梁隐患。
    7 ．在防治地质灾害方面的应用
    土木工程施工过程中，经常会遇到各种不同类型的地质灾害，这一方面是由于人们对地质情况不了解或不完全了解，另一方面是由于对地质问题处理不当而造成的。地质灾害所导致的后果将会对社会和经济产生严重的影响，因此必须对施工过程中地质灾害的防治引起足够的重视。常见的地质灾害主要有：滑坡、崩塌、泥石流、地面沉陷、水土流失和特殊土灾害等。利用哪种方法来预报和防治这些地质灾害一直是相关领域的研究人员所密切关注的问题。
     8 ．金属矿化带的勘察
     对于浅表的金属矿化带、断层蚀变带，可以利用探底雷达进行探测，矿化带金属及氧化物、硫化物富集，电磁性质差异明显，电磁波反射明显，可以为寻找隐伏矿体提供参考。
    9 ．地表水资源调查
    利用探地雷达调查和水的深度、流速，评估水资源是现在西方使用较多的一种水资源调查方法。这种探测不使用船，而是将雷达用钢索吊在河面上，横跨河流断面移动，测量河床界面反射，确定河流断面水深度分布，同时可以利用10GHz频率天线测量河面水流速度，计算和水流量，现场检验效果相当的不错。目前，探地雷达方法已经在上述领域内取得了一定的进展，相信随着工作的逐步开展和研究的进一步深人，探地雷达方法必将在各领域内发挥越来越重要的作用。