探地雷达的发展历程及其前景探讨

在总结近年来众多探地雷达研究者成果基础上,概述了探地雷达在仪器设备研制、数据处理及解释、应用范围这三方面的发展历程.指出了当前雷达设备研制所存在的问题、数据处理及解释技术的不足之处.并针对探地雷达以后的发展方向作了预测.希望通过此文能使读者对探地雷达有一个更深刻的了解,也希望本文对探地雷达工作有一定的指导作用.     

三维探地雷达技术在道路塌陷空洞探测中的应用

道路塌陷空洞一直是威胁交通安全运行的重要隐患,对道路塌陷空洞的探测方法进行研究具有重大的现实意义。研究工作通过实例探讨三维探地雷达（GPR）对道路塌陷区进行探测的方法技术及其应用效果。为查明道路塌陷空洞的空间分布特征,在塌陷区布设了共23条测线,1.0 m×0.5 m的三维测网并进行数据采集;通过对雷达数据进行处理,获得不同测线、不同方向的三维雷达剖面。结合地质情况对上述图件进行综合分析与解释,准确地查明塌陷空洞的位置、埋深及发育程度;经开挖验证,解译结果可靠。工程实践表明,三维探地雷达技术可以快速、高效地应用于道路塌陷探测中,其探测结果可为塌陷区后续施工以及安全防治提供参考。     

GPR技术在考古勘探中的应用研究

地面航向雷达（ＧＰＲ）是一种高分辨率浅层地球物理勘探仪器,它适用于考古勘探中目标体埋藏浅、尺度小、物性差异不大的特点。结合近几年实际应用实例,本文介绍了ＧＰＲ技术及其对承础石、夯土城墙和早期墓葬等不同考古遗存的探测效果,并就考古勘探的地球物理特点对ＧＰＲ的数据处理和解释进行了探讨。     

探地雷达技术在古墓完整性探测中的应用

介绍了应用探地雷达探测地下古墓的原理及技术，阐述了该技术的基本方法及其数据图像处理过程，通过对湖南西部某处古墓的完整性探测，表明探测效果良好。     

RAMAC／GPR探地雷达数据处理软件的自主开发与应用

分析研究了RAMAC／GPR探地雷达的数据结构,结合数据处理技术,利用Visual C＋＋编写了雷达数据处理软件,成图效果较好,为该类探地雷达数据的自主处理分析提供了高效率工具。     

探地雷达多剖面联合解释方法及应用

在城市道路塌陷隐患探测中,相邻车道地下介质差异性较小,其探地雷达剖面之间具有较高的一致性和关联性,为了提高探地雷达资料解释的准确性和速度,综合对比分析相邻车道探地雷达剖面之间的相关性,提出了探地雷达多剖面联合解释方法,首先同时对多个相邻车道探地雷达剖面中的塌陷隐患病害同步进行分类和分级判释,然后将每个病害异常输出为单体病害文件至单体病害文件库,并基于人机交互方式对单向或双向多车道探地雷达剖面中的任意病害类型或病害等级进行综合统计、自动排序,可用于生成严重病害的现场加密复测验证单和最终的检测报告.结果表明:探地雷达多剖面联合解释方法能够同时对多个相邻车道探地雷达剖面同步进行对比分析、相互验证,能有效克服单剖面信息量不足的局限性,不仅可以快速辨别和剔除外界干扰形成的虚假异常,减少多解性,而且可以估算地下病害异常的面积范围和空间展布,有效提高解释的自动化、准确性和可信度,明显加快解释速度.     

Kirchhoff偏移法在探地雷达正演图像处理中的应用

本文首先通过对波动方程的分析,得出了声波波动方程和雷达波波动方程形式一致性,从而说明了把广泛应用在地震数据处理中的偏移技术引入到GPR资料处理中的可行性;其后说明了时域有限差分法（FDTD）的原理,并用它合成了几种常见的雷达正演剖面;最后利用Kirchhoff积分偏移法对正演所得的雷达剖面进行偏移处理,通过对比偏移处理前后的雷达正演剖面,可知Kirchhoff积分偏移法能使雷达正演剖面中的反射波的归位,绕射波收敛,从而大大地提高了雷达正演剖面的分辨率,更好地指导GPR剖面的地质解释和验证偏移方法的有效性.     

基于双频高动态探地雷达技术的道路地下病害检测研究

探地雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)以其快速、无损和高分辨率等优势已被广泛应用于道路地下病害体的排查应用.针对传统时域单主频天线GPR在勘探深度和分辨率上的局限性,本文提出了一种基于双主频高动态GPR检测系统的道路地下病害检测方法,通过二维正演,模拟道路地下典型病害体的电磁响应,获得病害体的典型GPR特征图谱,为实际病害的客观判读和科学解译提供理论依据.并以某区道路地下病害的实测GPR数据为例,给出了双主频高动态GPR采集的参数设置及数据分析流程.钻探验证结果表明,高频回波信号对浅部薄层具有较高分辨率,能较清晰地识别3 m以上浅部病害体,低频回波信号具有较高信噪比,能有效识别3 m以下深部病害体,兼顾了探测深度和纵向分辨率的双主频GPR检测系统,能较好地识别地下病害类型、位置、埋深及影响范围,可为城市道路病害排查与防治提供技术支持.     

管线模型的探地雷达物理模拟实验

地下管线是保障城市运行的重要基础设施与生命线,开展管线探测是城市地下工程建设中必不可少的环节.探地雷达正演有助于掌握雷达波在地下的传播规律、加深对管线回波的认识.由于真实的地下介质分布不均匀、测区环境充斥着多种干扰,导致实际的探地雷达剖面中回波信号成分复杂、目标双曲线形态不完整,难以直接进行地质解释,而数值模拟常不考虑杂波干扰,模拟结果相对理想化.因此,本文聚焦于管线模型的物理模拟实验,在室内实验室和野外现场构建了一系列不同材质、不同埋深、不同管径的管线模型,利用不同中心频率的天线开展探测实验;分析了地下管线的雷达波传播规律及特征;结合管线材质、大小和埋深等信息,进一步验证雷达资料解释的准确度.结果表明：在背景介质均匀的沙池实验中,原始雷达剖面中背景噪声较小、目标双曲线形态完整,金属管线的反射波能量最强,含水管线会引起明显的多次波.而在野外现场采集到的雷达数据中存在较多的噪声干扰,不同管线引起的雷达回波呈双曲线或“类双曲线”;与背景介电常数的差异越大,反射波能量越强;相较于深埋管线,浅埋管线的双曲线特征更明显、振幅能量更强.由此可见,不同管线具有不同的双曲线特征、相位和振幅特征,可为地...     

全极化探地雷达正演模拟

全极化探地雷达不但能获取当前探地雷达使用的共极化信息,而且能使用交叉极化信息,进而更好地分析目标属性.本文在时域有限差分法的基础上,构建了全极化探地雷达的正演模拟方法,通过水平正交双方向同时接收获取全极化信息.标准目标体金属板和角反射器的正演模拟与实验室物理模型测试一致的共极化和交叉极化响应信息,证实了该正演模拟方法的有效性.同时还模拟了典型目标(随机表面和斜裂缝)的响应.正演模拟和实验结果均反映出结合交叉极化响应和共极化响应信息有助于识别和判断目标的方向、结构组成等属性.     

探地雷达在LNAPL污染土壤探测中的应用进展研究

轻非水相液体(LNAPL)的不当使用、渗漏及不当处置等会造成严重的土壤和地下水污染,威胁环境和公共卫生安全.探地雷达(GPR)作为一项重要的浅表地球物理观测技术已在LNAPL污染土壤探测中发挥重要作用.本文对近年来国内外学者利用GPR探测LNAPL污染土壤方面的理论和应用研究进行梳理,结合实例主要从以下几个方面开展评述.这些方面包括LNAPL污染土壤电性特征、基于GPR探测的LNAPL污染土壤建模、GPR信号响应、GPR的测量方式等.这些理论与应用研究为如何从场地的地质和水文背景中提取与污染有关的GPR信号做出了指导与成功的示范.现场和实验室的大量的研究工作表明,所有成功的案例都不可能倚赖单一的手段或方法.直接(例如,钻孔)和间接(例如,GPR)调查结合,多手段、多方法的有效配合,才有可能最大程度的减小探测结果的非唯一性,达到全面准确了解污染场地的目的.     

中尺度模拟土壤油污染区探地雷达探测效果分析

为使物理模拟实验效果与实际探测情形更为接近,在室外自然条件下建立中尺度土壤石油污染实验模型,油污染区扩展深度超过1 m,采用实地探测中常用的500 MHz雷达天线进行长期定时探测.通过实测雷达图像特征、土壤含水量含油量分析,并对比前人开展的小尺度室内模拟试验结果,综合评价探地雷达对油污染区的探测效果.研究表明探地雷达探测图像异常特征与污染区扩散阶段密切相关:包气带内油污染区会引起振幅增强;毛细带的油污染区则表现为水位面反射轴附近清晰可辨的高幅异常区,且水位面反射轴呈下凹状;随扩散过程持续进行,异常区下移与水位面反射轴相交,并产生水平扩张.当污染土含油饱和度大于20%时,可通过雷达图像异常区圈定污染范围;当污染土含油饱和度大于15%时,可通过频谱图出现低频响应的位置圈定污染区水平范围.中尺度实验结果与室内小尺度模拟结果具有一致性,可作为油污染区雷达图像异常的解译依据.     

地质雷达技术指标的标定研究

近年来,地质雷达勘探作为一种重要的工程无损勘探方法,在我国已广泛应用,并取得了很多重要成果.目前,引进的地质雷达和我国自己生产的地质雷达种类很多,但对地质雷达设备本身性能指标的标定或评价方法却是个空白,本文参照美国德克萨斯交通学院和全美地质雷达使用者协会建议的方法对我们使用的地质雷达系统进行了性能标定,并根据勘探实践需要的指标,对地质雷达辐射子波和频率域参数的技术指标进行了标定方法的研究并给出了相应的结果.     

基于电磁波衰减补偿的探地雷达三维逆时偏移成像

常规探地雷达（GPR）逆时偏移大都未考虑高频电磁波在地下高电导率介质中传播的强衰减特性,致使高衰减区域的成像质量低;实际地下结构呈三维空间分布,二维GPR逆时偏移难以将反射波准确归位和绕射波完全收敛于真实位置.为此,本文构建了一种基于电磁波衰减补偿的三维GPR逆时偏移算法.该算法采用三维时域有限差分法计算正传和反传电磁波场,并通过改变反传电磁波方程中包含电导率的衰减项的正负号,人为保持反传时的时间对称性和反转不变性,以补偿正传时衰减的能量;零时刻成像条件用于获取地下三维结构的成像结果.数值试验结果表明：相比于常规GPR逆时偏移算法,基于电磁波衰减补偿的三维GPR逆时偏移可精确补偿电磁波在地下高电导率介质中正传衰减的能量,高电导率区域的成像精度更高,分辨率更好,抗干扰能力更强,其结果更有利于指导后续雷达剖面的解译.

     

探地雷达检测公路结构层隐含裂缝实用方法研究

本文在简要介绍探地雷达基本原理的基础上,详细介绍了作者最近完成的“多层均匀层状介质中的垂直裂缝对雷达波场响应的数值模拟和物理模拟实验研究”成果,通过与实际的公路工程检测结果对比,三者表现出很好的一致性. 研究结果表明,采用探地雷达检测公路结构层中的隐含裂缝,理论条件是充分的,实践上是可行的,检测方法本身实用性较大,检测结果直观、可靠.     

基于非分裂CFS-PML边界条件的频散介质GPR时域有限元模拟

通过数值模拟研究探地雷达（GPR）高频电磁波在频散介质中的传播规律,对提高实测资料的解释精度具有重要意义.复频移完全匹配层边界条件（CFS-PML）以其优越的吸收特性被广泛用于一阶电磁波动方程的GPR时域有限差分数值模拟中,其实现过程大都涉及电磁场的卷积计算,辅助变量较多,降低计算效率.为此,本文从复拉伸坐标系下的Debye频散介质电磁波动方程出发,通过合理构造辅助微分方程,推导了二阶Debye频散介质电磁波动方程的非分裂CFS-PML边界条件实现公式,避免了电磁波场的分裂和卷积计算.在此基础上,利用Galerkin法和Newmark-β差分法推导了基于非分裂CFS-PML边界条件的GPR有限元方程及其时域差分离散格式.两个GPR模型的模拟结果表明：本文提出的基于辅助微分方程的非分裂CFS-PML边界条件实现方法可有效地吸收大角度入射的低频虚假反射波,提高模拟精度;相比于非频散介质,高频电磁波在频散介质中传播衰减更强、子波持续时间增大、分辨率和传播速度降低、直达波和反射波的主频更小,分析结果有助于提高实测GPR资料的解译精度.

     

Novel integrated system calibration method for impulse ground penetrating radar

This paper proposes a new method of integrated system calibration that uses the transmitting and receiving signals from the impulse ground penetrating radar itself. In order to eliminate the influence from each subsystem or part including antenna, transmitter, receiver, signal processing circuits and transmission cables, two new calibration parameters that are different from the conventional S-parameters are introduced. The characteristic and influence of all parts in the transmitting and receiving channels are incorporated into the calibration equation through the new parameters. The calibration results of the radar detection data show that the new integrated system calibration can improve the quality of the data greatly in many aspects. It removes direct coupled waves, suppresses wave distortion and tail oscillation, and improves the quality of waveform and signal-clutter-ratios. It also compresses the pulse width and enhances resolution.     

探地雷达正演的间断伽辽金法影响因素分析

时域间断伽辽金(discontinuous Galerkin time-domain, DGTD)算法具有守恒性、稳定性、高精度性和间断性等优点, 现已成为一种有效的探地雷达(Ground penetrating radar, GPR)正演方法.为了提高DGTD算法的计算效率和精度, 作者详细分析了数值通量、时间离散格式、单元大小与局部基函数阶次、网格剖分方式等影响因素.数值实验表明, 局部Lax-Friedrichs中τ=1/2的补偿数值通量既可以消除伪解, 又可以提高计算精度; 在精度相同的情况下, 低存储显式Runge-Kutta方案(low-storage explicit Runge-Kutta, LSERK)的稳定性条件和低存储优势要明显优于其它两种时间离散格式, 尤其是在大型复杂模型和三维正演模拟中更有优势.而提高基函数的阶次或增大网格数, 均可以提高其误差的收敛性, 局部基函数阶次N和单元大小d与电磁波波长λ的适用关系为d/N约等于λ/15;当单元数目大致相等时, 网格剖分方式对于高阶DGTD算法的影响较小, 说明DGTD算法对网格具有较好的适应性.最后, 采用DGTD算法对火星乌托邦平原模型进行正演, 验证了基于最优参数的DGTD算法模拟精度高, 可为火星乌托邦平原GPR实测数据的解译奠定理论基础.

     

基于小波能谱分析的岩溶区探地雷达目标识别

目前常用的根据记录波形的频率、振幅等特征进行岩溶区探地雷达目标识别的方式具有一定的局限性,为此提出了利用小波能量谱特征进行识别的新方法.通过对岩溶区典型样本进行分析,构造雷达信号各频率成分在各尺度上的能量特征向量,得到样本模型的能量谱,将待识别目标体的能量谱特征与之比对,数据分析和实际验证表明,小波特征能量谱具有直观地显示目标信号不同特征的优点,能有效地对岩溶区探地雷达剖面目标体进行识别.