探地雷達(dá)工作原理初探

李昊佳

摘 要：本文從應(yīng)用背景的角度介紹了探地雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)及分類，闡述了探地雷達(dá)收、發(fā)電磁信號(hào)的傳播特性和沖激型探地雷達(dá)的測(cè)距原理，總結(jié)了探地雷達(dá)常規(guī)工作流程，并探討了探地雷達(dá)在植物根莖探測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)；分類；技術(shù)特點(diǎn)；原理；工作流程

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.研究背景

探地雷達(dá)作為一種高效、無損、便捷的淺層地表物理探測(cè)儀器，已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)探測(cè)、地下石油礦產(chǎn)勘探、橋梁工程、建筑工程、城市地下管線檢測(cè)等地質(zhì)領(lǐng)域。它利用地下不同媒介間存在電磁參數(shù)差異的特征，通過向地下發(fā)射高頻電磁波并接收反射信號(hào)，對(duì)比分析發(fā)射信號(hào)與回波的時(shí)域、頻域特性來研究和推斷淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性特征。與反射地震、地震CT、高密度電法、地震面波等傳統(tǒng)的地球物理方法相比，探地雷達(dá)具有快速便捷、操作簡(jiǎn)單、抗干擾和場(chǎng)地適應(yīng)能力強(qiáng)、探測(cè)分辨率高等方面的優(yōu)勢(shì)，尤其自計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)得到飛速發(fā)展以來，探地雷達(dá)的儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)處理能力都得到大幅提高，它在工程應(yīng)用中發(fā)揮的作用也日益劇增。本文通過總結(jié)探地雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)及分類，研究探地雷達(dá)的工作機(jī)理，探討探地雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)探測(cè)中的應(yīng)用，以促進(jìn)我國(guó)探地雷達(dá)的發(fā)展。

2.探地雷達(dá)基本組成及分類

探地雷達(dá)主要由天線與收發(fā)單元、雷達(dá)主機(jī)和便攜式計(jì)算機(jī)3部分組成。其中，天線與收發(fā)單元負(fù)責(zé)電磁波的發(fā)射與回波信號(hào)的接收，不同的雷達(dá)機(jī)制可能采用不同的天線類型及收發(fā)單元；雷達(dá)主機(jī)（嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊）負(fù)責(zé)收發(fā)信號(hào)的控制，以及對(duì)回波信號(hào)的預(yù)處理工作；計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)參數(shù)設(shè)置、圖像顯示和后期處理工作。

探地雷達(dá)的種類很多，以發(fā)射信號(hào)的不同調(diào)制方式大致劃分為5種類型，它們具有各自的特點(diǎn)，有些體制之間還存在著應(yīng)用上的互補(bǔ)，這5種調(diào)制方式分別如下：

（1）調(diào)頻連續(xù)波

調(diào)頻連續(xù)波方法常用于淺層或表層（2m以內(nèi)）地下目標(biāo)的探測(cè)，如機(jī)場(chǎng)跑道和高速公路等表層中的結(jié)構(gòu)異常或孔穴的探測(cè)。它的基本原理為：利用收、發(fā)電磁波的差頻分量來推算時(shí)間延時(shí)，進(jìn)而結(jié)合電磁波在介質(zhì)中的傳播速度確定目標(biāo)體的深度。其優(yōu)點(diǎn)為：分辨率高，發(fā)射頻譜易于控制，具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍；它的主要缺點(diǎn)為：體積大、成本高、系統(tǒng)比較復(fù)雜，抗干擾能力差。

（2）脈沖展寬-壓縮技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)已成熟的應(yīng)用于探空雷達(dá)中，它的收發(fā)端采用一對(duì)具有寬帶特性的對(duì)數(shù)周期天線或?qū)?shù)螺旋天線。它發(fā)射線性調(diào)頻脈沖，接收端采用匹配濾波器技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。它的最大優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，特別適用于對(duì)地下細(xì)長(zhǎng)目標(biāo)物（如管道等）的探測(cè)。

（3）連續(xù)波

點(diǎn)頻連續(xù)波發(fā)射技術(shù)的發(fā)射信號(hào)可以是點(diǎn)頻，也可以是一些特定間隔的頻率，接收端采用孔徑天線接收，它的分辨率主要由測(cè)量孔徑的大小決定。它的主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射頻帶窄，天線系統(tǒng)容易設(shè)計(jì)，而且不需要采用高速數(shù)據(jù)捕獲。它的主要缺點(diǎn)為技術(shù)要求苛刻。

（4）極化調(diào)制

根據(jù)收發(fā)天線的設(shè)置不同，極化調(diào)制方法主要分為線極化和圓極化，相對(duì)而言，采用圓極化特性的天線更有優(yōu)越性。然而，隨著極化矢量的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，接收信號(hào)的包絡(luò)與細(xì)長(zhǎng)目標(biāo)的方向無關(guān)，由線極化造成的方向性不靈敏給探測(cè)帶來了困難。

（5）幅度調(diào)制

根據(jù)發(fā)射波的特征，探地雷達(dá)系統(tǒng)采用的幅度調(diào)制方式通常分為兩種：一是脈沖調(diào)制雷達(dá)，它的發(fā)射波是經(jīng)載波調(diào)制后的窄脈沖，載波頻率通常為幾十兆赫茲，發(fā)射帶寬相對(duì)較窄，接收機(jī)采用常規(guī)解調(diào)技術(shù)提取回波脈沖的包絡(luò)，主要用于冰、淡水或地質(zhì)層的探測(cè)。

另一種幅度調(diào)制雷達(dá)是沖激脈沖雷達(dá)，它主要用于淺層（幾米到十幾米）高分辨率探測(cè)，可用于地下埋設(shè)物、結(jié)構(gòu)空洞等探測(cè)。它的基本原理為：發(fā)射機(jī)采用寬帶天線向地下周期性的發(fā)射無載頻沖激脈沖，回波信號(hào)經(jīng)時(shí)域取樣變換為低頻信號(hào)，再經(jīng)圖像處理形成探測(cè)區(qū)域的地下剖面圖。沖激脈沖探地雷達(dá)的脈沖寬度很窄（幾個(gè)納秒），因此它的頻譜寬度很寬，雷達(dá)具有很高的分辨率和較深的穿透深度。此外，沖激脈沖雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、技術(shù)成熟，是目前應(yīng)用最廣的探地雷達(dá)體制。

3.探地雷達(dá)基本工作原理

3.1 電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性

探地雷達(dá)的核心技術(shù)是獲取電磁波在有耗介質(zhì)中傳播時(shí)所攜帶的有效信息。電磁波的傳播特性由麥克斯韋方程組描述，表1給出了麥克斯韋方程組的積分形式及本構(gòu)關(guān)系。

其中麥克斯韋安培定律①揭示了磁場(chǎng)是由電流或者時(shí)變的電位移矢量激發(fā)產(chǎn)生；法拉第感應(yīng)定律②描述了時(shí)變磁場(chǎng)能激發(fā)電場(chǎng)的基本規(guī)律；高斯磁定律③闡述了磁場(chǎng)是一個(gè)螺線矢量場(chǎng)；高斯定律④闡明了電場(chǎng)是由電荷激發(fā)產(chǎn)生的，即電場(chǎng)的電位移矢量在閉合曲面S上的通量，等于該曲面包裹住的體積V內(nèi)的電荷總量。媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系描述了電磁場(chǎng)與材料屬性之間的關(guān)系，不同媒質(zhì)的介電常量、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率一般不同，探地雷達(dá)就是運(yùn)用了這種特性來獲取地下目標(biāo)物的信息。由麥克斯韋方程組可知：時(shí)變的電場(chǎng)能夠產(chǎn)生時(shí)變的磁場(chǎng)，時(shí)變的磁場(chǎng)同樣能夠激發(fā)時(shí)變的電場(chǎng)，它們相互激發(fā)并向前傳播，就形成了電磁波。通過麥克斯韋方程組可以得到平面電磁波在無耗介質(zhì)（真空）中的傳播方程，如公式（6）所示。其中E0為電場(chǎng)的振幅，w為電磁波的角頻率，k為沿電磁波傳播方向的一個(gè)矢量，其大小如公式（7）所示。

（6）

（7）

3.2 探地雷達(dá)的雷達(dá)方程

電磁波的本質(zhì)是時(shí)變的電場(chǎng)和時(shí)變的磁場(chǎng)相互激發(fā)產(chǎn)生鏈?zhǔn)絺鞑ィ诿劫|(zhì)中會(huì)產(chǎn)生能量損耗。對(duì)于探地雷達(dá)而言，它探測(cè)的媒介一般為土壤、巖石、馬路瀝青等，電磁波在這些媒介傳播的過程中以電損耗為主，它的具體表現(xiàn)為：電磁波在導(dǎo)體中轉(zhuǎn)化為電流而耗散，在不良導(dǎo)體中，極性分子會(huì)在時(shí)變電場(chǎng)的作用下不斷改變排列方向而相互摩擦，電磁波的頻率越高，分子的運(yùn)動(dòng)越劇烈，轉(zhuǎn)化為的內(nèi)能也越多，造成電磁波的能量損失。此時(shí)，矢量因子k轉(zhuǎn)換為一個(gè)復(fù)數(shù)矢量，它的表達(dá)式轉(zhuǎn)化為式（8），電磁波在傳播過程中，除了相位以傳播常數(shù)β隨距離變化外，其幅值也要以衰減常數(shù)α隨距離指數(shù)衰減。

（8）

當(dāng)發(fā)射的電磁波能量一定時(shí)，探地雷達(dá)接收信號(hào)的能量強(qiáng)度也與目標(biāo)物的形狀、天線的增益等參量相關(guān)，如探地雷達(dá)方程（9）所示。其中Pr為接收功率，Pt為發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，λ0為發(fā)射波長(zhǎng)，S為目標(biāo)的雷達(dá)截面積，R為雷達(dá)與目標(biāo)的距離，L01、L10分別表示發(fā)射天與地面的耦合系數(shù)和接收天線與地面的耦合系數(shù)，Ls表示整個(gè)過程中由于介質(zhì)產(chǎn)生的損耗、α則表示地層的衰減因子。由于要保證接收機(jī)接收到的信號(hào)能量不能被噪聲淹沒，因此探地雷達(dá)探測(cè)深度受到了限制，這就是探地雷達(dá)適用于淺層地表探測(cè)的原因。

（9）

此外，探地雷達(dá)的探測(cè)精度與電磁波的頻率密切相關(guān)，頻率越高，分辨率越高。因此，在使用探地雷達(dá)探測(cè)前，需要根據(jù)目標(biāo)物的幾何特點(diǎn)及埋藏深度、地下媒介的屬性等多種因素選擇探地雷達(dá)型號(hào)及特征參量。

3.3 沖激型探地雷達(dá)的工作原理

沖激型探地雷達(dá)應(yīng)用最為廣泛，它的測(cè)距原理如圖1所示。發(fā)射機(jī)發(fā)出周期脈沖電磁信號(hào)，電磁波在行進(jìn)過程中遇到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)發(fā)生反射，部分反射能量被接收機(jī)接收。若電磁波由發(fā)射到接收相隔的時(shí)間為t，v為電磁波在介質(zhì)1中的傳播速度，則由幾何關(guān)系得到反射面（目標(biāo)體）的深度z表達(dá)式（103.4 探地雷達(dá)的工作流程

通常，探地雷達(dá)的工作流程分如下5步：（1）對(duì)目標(biāo)體特征與所處環(huán)境進(jìn)行分析，建立測(cè)區(qū)坐標(biāo)，布置測(cè)網(wǎng)；（2）選擇測(cè)量參數(shù)。它包括天線中心頻率、采樣率等；（3）建立測(cè)區(qū)各種目標(biāo)體的探地雷達(dá)圖像特征；（4）利用寬角法等方法確定地層的電磁波速度；（5）完成實(shí)地測(cè)量，整理報(bào)告。

4.探地雷達(dá)在探測(cè)植物根系中的應(yīng)用

植物根系在植物的生長(zhǎng)發(fā)育、生態(tài)系統(tǒng)功能以及碳循環(huán)過程中具有重要作用，利用探地雷達(dá)獲取根系的直徑大小、生物量、空間分布和三維構(gòu)造等參數(shù)是目前林業(yè)學(xué)科研究的熱點(diǎn)話題之一，在植物根系的制圖、根徑大小、根系生物量的估算等方面均取得了一定的研究成果。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外常用方格作為布線方式，對(duì)根莖3D圖像的反演過程較為復(fù)雜。根據(jù)樹根由中心向外輻射的生長(zhǎng)特點(diǎn)，在走線布局時(shí)可以改變?cè)械姆叫尉W(wǎng)格布局，而是改用一簇以樹木本身為圓心的同心圓進(jìn)行探測(cè)，得到的數(shù)據(jù)可以繪制成一個(gè)圓形圖，更符合樹根的分布特點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)作為一種新興的淺層地表探測(cè)技術(shù)，以其高效、無損、便捷的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)探測(cè)、隧道及堤岸探測(cè)等各領(lǐng)域。本文結(jié)合探地雷達(dá)應(yīng)用背景總結(jié)了它的技術(shù)特點(diǎn)及分類，利用麥克斯韋方程組及雷達(dá)方程闡述了探地雷達(dá)的收、發(fā)電磁信號(hào)在有耗介質(zhì)中的傳播特性，以及沖激型探地雷達(dá)的測(cè)距原理，歸納總結(jié)了探地雷達(dá)5步常規(guī)工作流程，并討論了探地雷達(dá)在探測(cè)植物根系中的應(yīng)用，提出根據(jù)樹根由中心向外輻射的生長(zhǎng)特點(diǎn)，可以使用以樹木本體為圓心的同心圓作為網(wǎng)格布局方式進(jìn)行探測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳義群，肖柏勛.論探地雷達(dá)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2005（2）：149-155.

[2]李海華.探地雷達(dá)體制綜述[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2003（1）：25-28.

[3] 蘇東林，陳愛新，謝果樹，等.電磁場(chǎng)與電磁波[M].高等教育出版社，2009.

[4]楊可，趙新生，趙欽，等.探地雷達(dá)方法的原理及工作方法技術(shù)簡(jiǎn)介[J].西部探礦工程，2011（6）：151-152.

[5]王丹丹，徐永明，岳書平，等.基于探地雷達(dá)的植物根系探測(cè)研究進(jìn)展[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（1）：46-55.