1、.第二講國(guó)內(nèi)外地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r（歷史與現(xiàn)狀）探地雷達(dá)的歷史最早可追溯到 20 世紀(jì)初， 1904 年，德國(guó)人 hulsmeyer 首次將電磁波信號(hào)應(yīng)用與地下金屬體的探測(cè)。 1910 年 leimback 和 lowy 以專利形式在 1910 年的專利，他們用埋設(shè)在一組鉆孔里的偶極子天線探測(cè)地下相對(duì)高的導(dǎo)電性質(zhì)的區(qū)域，并正式提出了探地雷達(dá)的概念。 1926 年 hulsenbeck 第一個(gè)提出應(yīng)用脈沖技術(shù)確定地下結(jié)構(gòu)的思路， 指出只要介電常數(shù)發(fā)生變化就會(huì)在交界面會(huì)產(chǎn)生電磁波反射，而且該方法易于實(shí)現(xiàn)，優(yōu)于地震方法 1,2 。但由于地下介質(zhì)具有比空氣強(qiáng)得多的電磁衰減特性， 加之地下介質(zhì)情況的多樣

2、性， 電磁波在地下的傳播比空氣中復(fù)雜的多， 使得探地雷達(dá)技術(shù)和應(yīng)用受到了很多的限制， 初期的探測(cè)僅限于對(duì)波吸收很弱的冰層厚度（ 1951，b.o.steenson， 1963， s.evans）和巖石和煤礦的調(diào)查（ j.c.cook）等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，直到 70 探地雷達(dá)技術(shù)才重新得到人們的重視， 同時(shí)美國(guó)阿波羅月球表面探測(cè)實(shí)驗(yàn)的需要， 更加速了對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，其發(fā)展過程大體可分為三個(gè)階段：第一階段，稱為試驗(yàn)階段，從 20 世紀(jì) 70 年代初期到 70 年代中期，在此期間美國(guó)，日本、加拿大等國(guó)都在大力研究，英國(guó)、德國(guó)也相繼發(fā)表了論文和研究報(bào)告，首家生產(chǎn)和銷售商用 gpr 的公司問世

3、， 即 rex morey 和 art drake 成立的美國(guó)地球物理測(cè)量系統(tǒng)公司（ gssi），日本電器設(shè)備大學(xué)也研制出小功率的基帶脈沖雷達(dá)系統(tǒng)。 此期間探地雷達(dá)的進(jìn)展主要表現(xiàn)在， 人們對(duì)地表附近偶極天線的輻射場(chǎng)以及電磁波與各種地質(zhì)材料相互作用的關(guān)系有了深刻的認(rèn)識(shí)， 但這些設(shè)備的探測(cè)精度、地下雜亂回波中目標(biāo)體的識(shí)別、分別率等方面依然存在許多問題。第二階段，也稱為實(shí)用化階段，從20 世紀(jì) 70 年代中后其到 80 年代，在次期間技術(shù)不段發(fā)展，美國(guó)、日本、加拿大等國(guó)相繼推出定型的探地雷達(dá)系統(tǒng)，在國(guó)際市場(chǎng)，主要有美國(guó)的地球物理探測(cè)設(shè)備公司（gssi）的 sir 系統(tǒng)，日本應(yīng)用地質(zhì)株式社會(huì)（ oyo

4、 ）的 yl r2 地質(zhì)雷達(dá)，英國(guó)的煤氣公司的gp 管道公司雷達(dá)，在 70 年代末，加拿大a cube 公司的 annan 和 davis 等人于 1998 年創(chuàng)建了探頭及軟件公司 （ssi），針對(duì) sir 系統(tǒng)的局限性以及野外實(shí)際探測(cè)的具體要求，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和探測(cè)方式上做了重大的改進(jìn)，大膽采用了微型計(jì)算機(jī)控制、數(shù)字信號(hào)處理以及光纜傳輸高新技術(shù)，發(fā)展成了ekko ground penetrating radar系列產(chǎn)品，簡(jiǎn)稱ekko gpr 系列。瑞典地質(zhì)公司（ sgab）也生產(chǎn)出 ramac鉆孔雷達(dá)系統(tǒng)，此外，英國(guó)era 公司、 sppscan 公司，意大利ids 公司、瑞典及丹麥也都在生產(chǎn)和

5、研制各種不同型號(hào)的雷達(dá)。80 年代全數(shù)字化的gpr 問世，具有劃時(shí)代的意義，數(shù)字化gpr 不僅提供了大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的解決方案，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理的能力， 為數(shù)據(jù)的深層次后處理帶來方便，更重要的是 gpr因此顯露出更大的潛力，應(yīng)用領(lǐng)域得以向縱身拓展。第三階段，從上個(gè)世紀(jì) 80 年代至今，可稱為完善和提高階段。在此期間， gpr 技術(shù)突飛猛進(jìn)，更多的國(guó)家開始關(guān)注探地雷達(dá)技術(shù)，出現(xiàn)了很多探地雷達(dá)的研究機(jī)構(gòu)，如荷蘭的應(yīng)用科學(xué)研究組織和代爾夫大學(xué)， 法國(guó) _德國(guó)的 saint-louis 研究所（ isl），英國(guó)的 dera ，瑞典的 foa ，娜威科技大學(xué)和地質(zhì)研究所，比利時(shí)的 rma ，南非的開

6、普敦大學(xué)，澳大利亞昆士蘭大學(xué)，美國(guó)的林肯實(shí)驗(yàn)室和 lawrence livermore 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及日本的一些研究機(jī)構(gòu)等等。同時(shí)，探地雷達(dá)也得到了地球物理和電子工程界的更多關(guān)注， 對(duì)天線的改進(jìn)、 信號(hào)的處理、 地下目標(biāo)的成像等方面提出了許多新的見解。 gssi 公司在商業(yè)上取得了極大的成功，.并在 1990 年被 oyo 公司收購(gòu)， pulse radar 公司、 panetradar 公司以及加拿大的 ssi 公司也在此時(shí)迅速發(fā)展壯大。進(jìn)入 21 世紀(jì)以后，探地雷達(dá)逐漸的象更多的領(lǐng)域拓展，在礦產(chǎn)調(diào)查、考古、地質(zhì)勘探、鐵路、公路、水文、農(nóng)業(yè)、環(huán)境工程、土木工程、市政設(shè)施維護(hù)以及刑事勘察等各領(lǐng)

7、域都有重要的應(yīng)用， 用以解決地質(zhì)構(gòu)造、場(chǎng)地勘察、線路選擇、工程質(zhì)量檢測(cè)、病害診斷、超前預(yù)報(bào)、垃圾填埋場(chǎng)環(huán)境污染研究等問題。我國(guó)探地雷達(dá)的研制工作起步較晚，于上個(gè)世紀(jì) 70 年代中期，由煤炭科學(xué)研究總院重慶分院高克德教授為首的探地雷達(dá)專題小組， 針對(duì)煤礦生產(chǎn)特點(diǎn)研制開發(fā)出了一套探地雷達(dá)系列產(chǎn)品 kdl 系列礦井防爆雷達(dá)儀，開創(chuàng)了我國(guó)自主研制地質(zhì)雷達(dá)的先河。 直到 80 年代末 90 年代初，隨著國(guó)內(nèi)探地雷達(dá)儀器研制水平的提高及國(guó)外先進(jìn)的儀器引進(jìn)， 國(guó)內(nèi)不少高校和科研單位開展過地下目標(biāo)探測(cè)方面的工作，其中電子科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、二十二所、五十所、長(zhǎng)春物理所、北京遙感設(shè)備研究所、北京理工大學(xué)、清

8、華大學(xué)、西南交通大學(xué)、北京愛迪爾公司等單位先后研制過探地雷達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)， 并在其中某些技術(shù)上取得一些成果。 90 年代末和本世紀(jì)初，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）彭蘇萍教授根據(jù)國(guó)內(nèi)煤炭發(fā)展需要，成立儀器項(xiàng)目開發(fā)項(xiàng)目組， 開始著手地質(zhì)雷達(dá)的研制與開發(fā)， 并于 2004 年開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地質(zhì)雷達(dá)產(chǎn)品。近幾年來，探地雷達(dá)在硬件方面的發(fā)展已趨于平穩(wěn)， 儀器生產(chǎn)廠家把重點(diǎn)放在了數(shù)據(jù)采集速率和信噪比的提高，以及數(shù)據(jù)處理和解釋軟件的智能化方面。1.2.2 探地雷達(dá)信號(hào)處理與解釋的發(fā)展現(xiàn)狀雷達(dá)波在地下的傳播過程十分復(fù)雜， 各種噪聲和雜波的干擾非常嚴(yán)重， 正確識(shí)別各種雜波和噪聲， 提取有用信息是探地雷達(dá)記錄解釋的

9、重要環(huán)節(jié)， 關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)雷達(dá)記錄進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理。 由于電磁波在地下的傳播形式與地震波十分相似，而且探地雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面也類似于反射地震數(shù)據(jù)剖面， 因此反射地震數(shù)據(jù)處理的許多有效技術(shù)均可用于探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理， 但由于雷達(dá)波和地震波存在著動(dòng)力學(xué)差異如強(qiáng)衰減性， 所以單一地移植、借鑒地震資料處理技術(shù)是不夠的， 文獻(xiàn) 20 對(duì)反射地震與探地雷達(dá)進(jìn)行了詳細(xì)的比較， 指出雷達(dá)波在濕的地層中衰減比在干的情況下要大，而地震波卻恰好相反，探地雷達(dá)的穿透深度比地震波要淺得多。雷達(dá)信號(hào)常規(guī)的處理方法主要有：多次疊加來壓制隨即噪聲； 單道測(cè)量記錄減去各道平均值來壓制相干噪聲； 時(shí)變?cè)鲆鎭硇Ｕ刹ㄇ皵U(kuò)展及介質(zhì)吸收引起的信

10、號(hào)損失；低頻、高通、帶通等頻率域?yàn)V波消除不必要的干擾頻率；反褶積處理把雷達(dá)記錄變成反射系數(shù)序列以達(dá)到消除大地干擾、分辨薄層的目的； 偏移處理則是把雷達(dá)記錄中的每個(gè)反射點(diǎn)移到其本來位置，從而獲得反映地下介質(zhì)的真實(shí)圖像，偏移處理對(duì)消除直立體的繞射、散射產(chǎn)生的相干干擾能起到很大的作用。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展， 又產(chǎn)生了許多新的雷達(dá)信號(hào)處理方法， 如利用小波變換的調(diào)焦功能和頻域時(shí)域雙重局部性來壓制噪聲； 將小波和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)去噪目的；根據(jù)雷達(dá)有效信號(hào)和干擾信號(hào)在視速度上的差異，在頻率波數(shù)域上進(jìn)行二維濾波達(dá)到去噪目的； 通過分形技術(shù)、 hilbert 變換等方法來提取雷達(dá)波的有效信息來

11、提高分辨率； 利用水平預(yù)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)水平噪聲的干擾； 利用雷達(dá)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征來實(shí)現(xiàn)去噪的目的等等。 總之，雷達(dá)信號(hào)處理的方法類型很多，不同的方法用在不同的實(shí)際情況又不同的應(yīng)用效果。探地雷達(dá)解釋模型主要包括正演模型和反演模型。在數(shù)值模擬正演技術(shù)方面，眾多的研究成果在上世紀(jì)九十年代得到詳盡地報(bào)道。其中有代表性的文獻(xiàn)有：.burke and miller (1984)和 turner(1994)分別采用磁矩法模擬了半空間的線狀物體的響應(yīng)和在地球表面不同高度上偶極天線的近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)特征和天線輸入阻抗隨大地電學(xué)性質(zhì)的變化。carcione j. m.(1996，1998)闡述了有耗各向異性介質(zhì)中

12、探地雷達(dá)波理論和二維tm 及 te 模式波場(chǎng)的數(shù)值模擬技術(shù)，以及雷達(dá)天線的輻射模式研究。cai(1995)應(yīng)用射線追蹤法進(jìn)行了二維介質(zhì)中雷達(dá)波的傳播與模擬研究。隨著計(jì)算電磁學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 時(shí)間域有限差分法成為探地雷達(dá)模擬計(jì)算的首選方法。在此后一段時(shí)間內(nèi)， 發(fā)表了大量文章描述該技術(shù)在探地雷達(dá)天線輻射正演模擬方面的應(yīng)用。其中典型代表作有：maloney et al., (1990), tirkas andbalanis (1992), roberts,r. l.和 daniels, j. j.(1997)等等。我國(guó)學(xué)者在這方面也進(jìn)行許多探索，沈飚等于 1997 年以實(shí)際發(fā)射的脈沖子波為基礎(chǔ)，利用正

13、演模擬技術(shù)，模擬了雷達(dá)波在層狀鋪墊介質(zhì)中的反射曲線，分析、解釋了與之對(duì)應(yīng)的公路路面下的鋪墊結(jié)構(gòu)。西安電子科技大學(xué)的詹毅利用 fdtd 方法研究了脈沖探地雷達(dá)在有耗、色散、不均勻土壤中的應(yīng)用；何兵壽、岳建華、鄧世坤、馮德山等也利用 fdtd 方法對(duì)探地雷達(dá)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究不同地電模型雷達(dá)波德響應(yīng)特征， fdtd 方法的應(yīng)用使探地雷達(dá)的理論研究達(dá)到了一個(gè)新的高峰。在反演方面，德國(guó) makky s.jaya等人提出了一種改進(jìn)的反演模型，并用測(cè)試數(shù)據(jù)成功地反演出埋藏在混凝土中鋼筋的圖像。文海玉采用全局優(yōu)化反演算法，毅探地雷達(dá)資料的觀測(cè)數(shù)據(jù)與正演合成數(shù)據(jù)之差的平方合作為目標(biāo)函數(shù)， 反演除地下介質(zhì)的參數(shù)

14、；王兆磊利用地質(zhì)雷達(dá)二維數(shù)據(jù)資料反演了地下介質(zhì)的參數(shù)；但總體說來與實(shí)際應(yīng)用相差較遠(yuǎn)， 因而目前能用于探地雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋或反演的成果并不多見。2.2 國(guó)外地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r2.2.1 國(guó)外地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)發(fā)展概況2.2.1.1 美國(guó)的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)美國(guó)有三個(gè)地質(zhì)雷達(dá)廠家， gssi 是規(guī)模較大的一家（勞累代理） ，此外有 plus rodar （鄭州大學(xué)張培代理）和 penetradar （歐美大地代理）。gssi 公司成立與 1970 年， 1990 年加入 oyo 集團(tuán)，推出 sir-10 型雷達(dá)，銷售了 150 套， 1994 年推出 sir-2 型雷達(dá)， 4 個(gè)月內(nèi)銷售 25 套。上世紀(jì)末本世

15、紀(jì)初推出了 sir2000, 最近網(wǎng)上又推出 sir3000。美國(guó) plus rodar 公司的 plus rodar 型路用雷達(dá)，采用空氣耦合雙及型天線，有 250mhz， 500mhz， 1ghz， 2ghz多種型號(hào)。同時(shí)可安裝 4 個(gè)不同頻率的天線，測(cè)量速度可達(dá) 110km/h。美國(guó) penetradar公司創(chuàng)建于 1974 年，一直從事高精度路面雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，該公司的 iris/iris-l 型路面雷達(dá)已作為美國(guó)路橋檢測(cè)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 在中國(guó)有十幾家用戶。2.2.1.2 英國(guó) era 公司 sprscan 雷達(dá)英國(guó)有有兩家雷達(dá)生產(chǎn)商，分別是 era公司和 searchwell公司。

16、目前對(duì)于他們產(chǎn)品的詳情了解甚少。2.2.1.3 意大利 ids 公司 ris-2k/mf 雷達(dá)意大利意銳（ ids）公司生產(chǎn)的 ris-2k/mf 雷達(dá)（北京博態(tài)克公司代理） ，多通道雷達(dá)。 ids 公司具有多年國(guó)防及衛(wèi)星雷達(dá)經(jīng)驗(yàn)，民用始于于20 年前，意.大利電信在安裝前光纖前需探測(cè)地下目標(biāo)， 提出了及其嚴(yán)格的要求， ids 公司為此研制出 ris-2k/mf 雷達(dá)系統(tǒng)。目前配置的天線的頻率有 80， 100， 150，20，400，600，1200，1600mhz 。加拿大 ekko 天線 輸入電壓 400v，光纖 1000v，重復(fù)頻率 30khz。2.2.1.4 瑞典及 丹麥的 雷達(dá)瑞典

17、在生產(chǎn)地質(zhì)雷達(dá)較早，上世紀(jì) 80 年代中期， abem公司就生產(chǎn)井下透射雷達(dá)，到現(xiàn)在工程探測(cè)及檢測(cè)雷達(dá)及各類天齊全。 瑞典的 malageoscience公司，丹麥的依可 - 丹公司，也都生產(chǎn)談地雷達(dá)。2.2.1.5 加拿大探頭與軟件公司pluse-ekko雷達(dá)加拿大的 sensors&software 公司生產(chǎn)的pulse ekko 系列地質(zhì)雷達(dá)在上世紀(jì)初就進(jìn)入了中國(guó) (雷迪公司代理)，早期產(chǎn)品為pulse ekko，接著有功能改進(jìn)的pulse ekko 100 。該儀器的特點(diǎn)是接收與數(shù)字采樣都放在天線中，通用光纖與筆記本電腦通訊，筆記本電腦作為記錄器，抗干擾性強(qiáng)。但聯(lián)線太多，野外使用不太方

18、便。2.2.1.6 日本 oyo 雷達(dá)日本的 oyo 生產(chǎn)地質(zhì)雷達(dá)較早，上世紀(jì)80 年代末就有產(chǎn)品進(jìn)入我國(guó)，進(jìn)入90 年代后它將地質(zhì)雷達(dá)的生產(chǎn)轉(zhuǎn)給了gssi。2.2.2 國(guó)內(nèi)的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)發(fā)展國(guó)內(nèi)在上世紀(jì)80 年代就開始地質(zhì)雷達(dá)的研究工作，主要是為了煤礦安全，重慶煤研所在和多煤礦進(jìn)行了試驗(yàn)，采用模擬信號(hào)、屏幕顯示技術(shù)，不是數(shù)字雷達(dá)。90 年代初外國(guó)雷達(dá)進(jìn)入中國(guó)后，電子部 22 所和航天部愛迪爾公司也先后開始數(shù)字化雷達(dá)的研制，分別推出了自己的產(chǎn)品。 90 年代末和本世紀(jì)初驕鵬公司與礦大研究生院也分別研制出自己的產(chǎn)品。2.2.2.1 愛迪爾道路雷達(dá)愛迪爾公司推出的cidrc 道路檢測(cè)雷達(dá)， 天線中心頻率750mhz 、1000mhz 、2000mhz,并配有層位追蹤軟件，適合公路路面測(cè)量。后有開發(fā)出cbs-900 探地雷達(dá)一體化機(jī)，配有高頻、中頻和低頻天線， 10mhz 2ghz 系列。用于混凝土結(jié)構(gòu)、路面、工程場(chǎng)地等各種測(cè)量。2.2.2.2 電子部青島22 所 ltd-3 型探地雷達(dá)上世紀(jì) 90 年代中期，電子部青島22 所原在河南新鄉(xiāng)時(shí)就研制出ltd-3 型探地雷達(dá)，配有 80mhz-1000mhz