怎样才能发现埋在地下一米的一块银元？
使用探地雷达。探地雷达是利用电磁脉冲波发射原理来实现探测目的,探地雷达( GPR) 是利用超高频短脉冲(106～109 Hz) 电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法
探地雷达可透视40米, 这次使用的探地雷达性能也十分先进，可以用来测量家具上油漆的厚度，也可以探测到地下30-40米深处埋藏的物品，
记者安丰报道，12月16日，北京市地质研究所完成的《北京市延庆木化石自然保护区木化石探测试验报告》通过专家组评审验收。 该所将探地雷达用于木化石的探测，在国内尚属首次。
延庆硅化木（也称木化石）国家地质公园是北京市三座国家级地质公园之一。该园区内已有少量木化石自然出露地面，推测该地区还...全部
使用探地雷达。探地雷达是利用电磁脉冲波发射原理来实现探测目的,探地雷达( GPR) 是利用超高频短脉冲(106～109 Hz) 电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法
探地雷达可透视40米, 这次使用的探地雷达性能也十分先进，可以用来测量家具上油漆的厚度，也可以探测到地下30-40米深处埋藏的物品，
记者安丰报道，12月16日，北京市地质研究所完成的《北京市延庆木化石自然保护区木化石探测试验报告》通过专家组评审验收。
该所将探地雷达用于木化石的探测，在国内尚属首次。
延庆硅化木（也称木化石）国家地质公园是北京市三座国家级地质公园之一。该园区内已有少量木化石自然出露地面，推测该地区还应有大量的木化石深埋地下。
为了进一步保护这一罕见的地质遗迹，北京市延庆木化石自然保护区管理处委托北京市地质研究所，在该地区的指定区域内，采用探地雷达，试验性探测该区域地下木化石的分布情况，为以后大面积的探测、保护性挖掘提供科学依据。
今年5月，该所在地质公园区内使用探地雷达开展试验工作。他们在搜集以往地质资料的基础上，依据已知点的方法测试试验，在测区0。1平方公里的范围内，完成测线79条，测点11432个，确定了30处地下异常点，并经开挖验证一处为木化石，从而达到了试验目的，取得较好的效果。
专家们认为，试验报告资料齐全，成果突出，工作技术路线合理，测试方法选恰当，完成了该自然保护区木化石探测的前期工作。专家建议对其余的异常点进行开挖验证，开展全面性的木化石的探测工作。
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探地雷达在堤防检测中的应用
王万顺1，孙建会1，郝丽生2，曾广冬2
( 水利水电科学研究院 工程安全监测中心，北京 100044；2。
北京爱迪尔国际探测技术有限公司，北京 100036)
摘要：探地雷达是利用电磁波在不同介质中的传播速度不相同的性质，来确定不同的地层结构。探地雷达在江河堤坝检测中的运用，提高了判断堤坝管涌、脱空、裂缝、空洞、坝基结构疏松、含水程度变化等堤坝病害和缺陷的能力，为江河堤坝的质量检测提供了一种高效、便捷的手段。
本文通过工程实例及图象解释加以验证，并叙述了探地雷达的最新进展情况。
关键词：探地雷达；堤坝；检测
中图分类号：TV871。4 文献标识码：A
1 技术方法
探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是近年来应用于浅层地质构造、岩性检测的一项新技术，其特点是快速、无损、连续检测，并以实时成象方式显示地下结构剖面，使探测结果一目了然，分析、判读直观方便。
因探测精度高、样点密、工作效率高而倍受一些行业的关注。随着该项技术的不断完善和发展，其应用领域不断扩展。
探地雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术。利用一个天线向地下发射无载波电磁脉冲，另一个天线接收由地下不同介质界面反射的回波，利用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性质(如介电常数Er)及几何形态的变化差异，根据接收到的回波旅行时间、幅度和波形等信息，来探测地下介质的地层结构与埋藏目的体。
其工作原理如图1。
理论研究与实验室模拟试验证明，雷达波在物体或介质中的传播速度v与介质的相对介电常数Er有如下关系
(1)
式中：c为真空中的电磁波传播速度(c=0。3m/ns)。
图1 探地雷达工作原理示意
探地雷达对于探测土堤大坝可能存在的如脱空、空洞、坝基结构疏松等堤坝病害和缺陷的地下被埋藏目的体，必须满足以下条件：(1)发射的电磁波的能量必须大到能够到达埋藏的物体，并能返回地面被接收器探测到。
(2)埋藏物的阻抗差别要足够大，以便造成充分的反射。(3)目标要大到能在规定的深度内探测到。(4)其它物体的干扰不足以影响来自埋藏物的反射。
分辨率是探测并确定一个埋藏物的能力，通常被定义为区分来自三层模型中第二层顶部和底部反射的能力。
它主要依赖于：(1)发射脉冲的波长和振幅。(2)围岩的电性和电磁波穿透性。(3)地质的复杂化。(4)人文设施或其附近、地表物体的干扰。(5)目标的深度、形状和大小。(6)目标物的电阻抗。
在这里需要特别指出的是，雷达探测的效果主要取决于不同介质层面的电性差异，既介质之间的介电常数(Er)差异越大，满足Er1≠Er2≠Er3≠…≠Ern，则探测效果越好，介质层面易于区分，反之则难。
对大多数的地质环境，水是引起介电常数差异的主要因素。介质的介电常数(Er)不仅与介质本身的性质有关，而且与介质中含水率n有如下关系：
(2)
式中：Emr为介质中相对介电常数；Ewr为水的相对介电常数(Ewr=81)；Eo为空气相对介电常数(Eo=1)；φ为介质的总孔隙度。
介质中含水率n的较小变化会引起介质Er值的较大变化，介质中含水率增加，Er值也会增大，而电磁波在介质中的传播速度则会降低。
据波动理论，波速v、波长λ、频率f三者的关系为
λ＝v/f (3)
当雷达发射电磁波频率一定时，随电磁波在介质中的传播速度的增加，雷达所接收到的反射波波长加大，反之，电磁波在介质中的传播波速度降低时，反射波波长变小。
利用雷达波对水“敏感” 这一特性，在“较湿润的”土堤大坝中可能形成如裂缝、管涌、渗水浸润面等潜在病害的部位，因其介质结构相对孔隙度大，物质充填不均匀，易于渗透积存水，可根据介质的含水差异在雷达图象上判别出隐患的部位、轮廓、状态和程度。
图2为北京永定河大堤(大兴阎家铺险工段)下雨前后对比探测结果。由于被探测目的体与周围土介质的亲水程度不同，从而加大了二者之间的电性差异，在雷达图象(b)上明显反映出被测目的体的埋藏位置。
图2 下雨前后探地雷达对比探测结果
2 工程实例及解释
为解决堤防隐患及险情快速探测的需要，水利部和国家防总在北京永定河大堤大兴阎家铺险工段的土堤内埋设了多种人工异常体，2000年7月27～29日，水利部国际合作与科技司和国家防汛抗旱总指挥部办公室在北京共同主持召开了堤防隐患及险情快速探测仪器现场测评会。
采用的探测仪器有高密度电法探测仪、瞬变电磁法探测仪、WF-6微化地震仪(三维反射地震勘探法)、多波列数字数像工程检测仪(表面波法)及探地雷达(GPR法)等。其中探地雷达选用北京爱迪尔公司研制的CBS系列探地雷达。
CBS系列探地雷达可进行三维层析图像显示、发射与接收，在堤上拖动检测，检测速度快，检测120m长的堤段仅需14min。在本次测试中，共测出16个异常体，其中测出人工埋设异常体数占人工埋设异常体总数的67％。
经专家组评定得62分，在所有6种检测仪器中名列第二，且其全面、便捷和快速检测却远远超过了得65分的电法探测仪。
为达到深层探测的目的，CBS系列探地雷达选用了100MHz袖式天线，记录时窗分别为200ns、440ns，探测深度可达7m到15m，人工拖动天线连续扫描探测并实时成象，与传统物探方法相比，其探测效果和检测速度的优势非常突出。
数据处理的过程就是对记录波形进行整理、增强和显示的过程。虽然不能改变地层介质岩性和埋藏物的固有电性或出现的干扰条件，但能够控制收发器的特性。通过对数字信号的处理，抑制随机噪声及非目的体的杂乱回波，达到降低背景噪声和余振影响，突出被测目的体的目的，经适当显示和解译来获得可靠、准确的地质解释结果。
土堤大坝内的异常物体如木材、稻草、粮食等都是影响大坝安全的隐患部位。图3为人工埋设异常体雷达探测图象，可清晰分辨出异常体在坝体内部的埋设深度及形态。
图3 北京永定河大堤(大兴阎家铺险工段)人工埋设异常体雷达探测图象之一
脱空、空洞及坝基结构疏松是土堤大坝的隐患。
图4为人工预埋空洞雷达探测图象，图中显示出典型凸起弧形强反射的空洞特征，由于空洞与周围土存在密度差异，电磁波呈现出相对较强的衰减吸收。
图4 北京永定河大堤(大兴阎家铺险工段)人工预埋空洞雷达探测图象之二
受到电磁波固有特性和大地介质不均匀电性复杂的制约，探地雷达的探深能力是有限的。
为获得较深地层下的信息，除选用低频天线外，仪器综合性能的高低是衡量雷达设备优劣的重要指标，图5为大堤深部人工埋设异常体雷达探测图象。图中清楚地反映出人工埋设在10余米深的异常物体，呈现出低频强反射波形。
图5 北京永定河大堤(大兴阎家铺险工段)人工埋设异常体雷达探测图象之三
渗漏水、管涌是土堤大坝典型的病害之一，其危害性非常严重。使用探地雷达检测，尽早发现隐患并及时治理，其效果是显著的。
图6为某水库大坝渗漏水雷达探测结果图象，其渗水部位出现强振幅反射波组，反射频率下降，脉冲周期变大。从雷达图象上清楚地反映出坝体渗水浸润面的展布形态。
图6 某水库大坝渗漏水浸润面雷达探测图象
3 探地雷达最新进展
将探地雷达技术应用到江河堤坝检测中，具有直观、快速等特点，其效果是显著的，为尽早发现堤坝隐患、评估坝体质量与安全性提供了一项应用新技术。
但在目前的堤防检测中，现行的探地雷达有以下两个问题难以解决：一是探测深度和分辨率的矛盾，通常是探测深度较浅；二是受堤坝几何形态和堤身介质不均匀的影响，记录干扰太大(不规则干扰和散射)，波场现象复杂，难于解释。
因此，现有的各种类型的探地雷达对于堤防隐患及险情探测工作而言，如果不加以改造，则也是难于胜任的。
近来，一种称为“相控阵雷达”的改进技术已经被运用到江河堤坝检测中。相控阵雷达和常规机械扫描雷达相比有很多的优点。
从信号上来说，相控阵雷达有更好的聚束能力，得到的采集信号更好，而且采集到的数据更加丰富，处理的方式更加灵活，因此从理论上可以取得更好的探测结果。在信号处理方面要结合相控阵雷达的特性，并且借鉴常规机械扫描探地雷达的方法，找到一种适应相控阵探地雷达的处理方法。
采用相控阵技术研制的相控阵探地雷达，可以有效克服目前探地雷达的固有缺陷，并赋予探地雷达新的探测功能。1、采用相控阵天线技术，获得窄波束发射和接收，提高天线的增益，使被探测目标得到了较强的有效激励，增强目标回波信号；定向窄波束设计可以有效地抑制波束外各种有源干扰和无源干扰；采用圆极化天线设计，能有效降低现有探地雷达线极化波在复杂介质中的极化损失。
2、利用窄波束快速电扫描技术，能对探测区域进行有效的区域分割，对所关心的区域可按需要作长时间波束驻留，并可从不同观测角度对区域内的小目标(如缝、开叉等)进行观测，有效增加目标的信息量。3、窄波束发射和接收技术能有效降低波在复杂介质、复杂边界和多目标环境下电磁波的散射、色散和衰减等效应的复杂性。
在利用探地雷达对江河堤坝进行隐患探测研究中，在重点研究改进探测雷达等硬件的基础上，应当同时注重编制分析计算软件和反演解释软件，要把自主研究与引进国外先进的探测技术结合，加以综合研究。要研究综合探测方法，逐步建立适应于普查检测及汛期快速探测相结合的不同类型的方法及仪器系统，以便组成堤防隐患及险情快速探测的系列手段。
探测技术的研究应注重实用性，应进行大量的现场试验、测评，并根据试验、测评结果作相应的调整、完善。
。收起
