探地雷達原理與應(yīng)用

前言

探地雷達（Ground Penetrating Radar, GPR）是用高頻無線電波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的一種地球物理方法，它利用寬帶電磁波以脈沖形式來探測地表之下的或確定不可視的物體或結(jié)構(gòu)。探地雷達是一種較新的地球物理方法，20世紀(jì)90年代以后逐漸成熟。探地雷達的發(fā)展和成熟既伴隨著各種各樣的探測應(yīng)用，同時又得到高新技術(shù)發(fā)展的推動。探地雷達的發(fā)展大致可以分為三個階段，即發(fā)明階段（1904-1930）、發(fā)展階段（1930-1980）和成熟階段（1980-目前）。早在1910年，德國人Letmbach和L?wy就在一份德國專利中闡明了探地雷達的基本概念。Hdlsenbeck（1926）第一個提出應(yīng)用電磁脈沖技術(shù)探測地下目標(biāo)物，他指出介電常數(shù)變化界面會產(chǎn)生電磁波反射。最早利用脈沖電磁波技術(shù)重復(fù)獲得地下介質(zhì)的探測結(jié)果出現(xiàn)在1961年美國空軍的報告中。由于地下介質(zhì)比空氣具有更強的電磁能量衰減特性，加之地質(zhì)情況的復(fù)雜性，電磁波在地下的傳播要比空氣中的傳播復(fù)雜得多。因此，探地雷達應(yīng)用初期，僅限于對電磁波吸收很弱的冰層、巖鹽等介質(zhì)的探測。登月和對月球探測的需要，使得人們開始重視使用脈沖電磁波來探測地下介質(zhì)這一研究課題，主要原因在于探地雷達在這一領(lǐng)域的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)越性，即能利用發(fā)射的電磁波對介質(zhì)內(nèi)部進行遙測。20世紀(jì)70年代以后，隨著電子技術(shù)的發(fā)展及先進數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，探地雷達的應(yīng)用從冰層、鹽礦等弱耗介質(zhì)逐漸擴展到土層、煤層及巖層等有耗介質(zhì)。探地雷達的實際應(yīng)用范圍迅速擴大，現(xiàn)已覆蓋考古、礦產(chǎn)資源勘探、災(zāi)害地質(zhì)勘查、巖土工程調(diào)查、工程質(zhì)量檢測、工程建筑物結(jié)構(gòu)調(diào)查和軍事探測等眾多領(lǐng)域，并開發(fā)了地面、鉆孔與航空衛(wèi)星上應(yīng)用的探地雷達系統(tǒng)。同時，很多專家出版了多本關(guān)于探地雷達的專著，如L. B. Conyers于1997年撰寫的Ground Penetrating Radar for Archaeology；D. Daniels 于2007年撰寫的Ground Penetrating Radar；Harry M. Jol于2009年撰寫的Ground Penetrating Radar Theory and Applications等，這些探地雷達書籍為廣泛推廣探地雷達技術(shù)作出了重要貢獻。在我國，探地雷達的研究和應(yīng)用也逐漸趨于成熟。應(yīng)用地球物理專家、儀器系統(tǒng)制造專家和其他領(lǐng)域應(yīng)用探地雷達的專家，都熟悉了探地雷達的性能，并具備了解決問題的能力。1994年由李大心教授編著的《探地雷達方法與應(yīng)用》，為推動探地雷達在我國的發(fā)展與應(yīng)用具有重要的作用。探地雷達在我國穩(wěn)步發(fā)展，20世紀(jì)90年代發(fā)表的探地雷達相關(guān)文章數(shù)量呈直線上升。進入21世紀(jì)，探地雷達出現(xiàn)了穩(wěn)定發(fā)展的趨勢。2006年，曾昭發(fā)等編著了《探地雷達原理及應(yīng)用》，較為系統(tǒng)地就理論和方法進行了介紹。2006年，粟毅、黃春琳等出版了《探地雷達理論與應(yīng)用》；2007年，耿玉嶺、賈學(xué)民等出版了《公路路面無損檢測中的探地雷達研究》；楊峰于2009年和2010年分別出版了《公路路基地質(zhì)雷達探測技術(shù)研究》和《地質(zhì)雷達探測原理與方法研究》等等。經(jīng)過這些年的發(fā)展，探地雷達的應(yīng)用實踐逐漸增加，應(yīng)用探地雷達的領(lǐng)域也逐漸增加。以教育為主要目的，進一步對國內(nèi)外相關(guān)的書籍和應(yīng)用實例進行總結(jié)，并根據(jù)我們在多年來的應(yīng)用實踐基礎(chǔ)上，以教材的形式編著了本書，并在每一章的后面增加一些思考題，供讀者自學(xué)和復(fù)習(xí)參考。本書是在充分吸收國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上編著而成的，目的是為廣大探地雷達應(yīng)用人員和相關(guān)技術(shù)人員、在校高年級大學(xué)生、研究生提供一本教學(xué)參考書。在本書的撰寫過程中，曾昭發(fā)教授完成了第1章～第6章、第9章全部和第7章與第11章、第12章的部分撰寫工作，劉四新教授完成了第7章與第10章和第11章的撰寫工作；馮晅教授完成了第14章和第18章全部和第17章部分的編著工作；王者江副教授完成第8章的編寫工作；鹿琪副教授完成第16章全部和第17章的部分編寫工作；薛建高級工程師完成了第11章～第15章的撰寫。全書由曾昭發(fā)、劉四新統(tǒng)稿。作者在進行探地雷達的研究和本書的撰寫過程中，挪威地質(zhì)工程公司（NGI）的孔凡年教授、日本東北大學(xué)的佐藤源之教授給予了諸多的幫助和指導(dǎo)；在撰寫過程中，中國科學(xué)院方廣有研究員、吉林大學(xué)林君教授給予了指導(dǎo)，并閱讀了部分稿件，提出了修改意見。浙江大學(xué)田鋼教授為本書的撰寫提供了大量有益的建議，同時還參與了其中許多實例的野外和室內(nèi)工作。在圖形的制作和清繪過程中，黃航、賈建秀兩位老師付出了辛勤的勞動。本書成稿以后，國電昆明勘查設(shè)計研究院的曾憲強、張志清，華南物探公司孟凡強等，提供了大量的建議。書中一定還有許多不妥或錯誤之處，請專家批評指正。

內(nèi)容概要

探地雷達是用高頻無線電波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的一種地球物理方法，它利用寬帶電磁波以脈沖形式來探測地表之下的或確定不可視的物體或結(jié)構(gòu)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，探地雷達逐漸趨于成熟，且由于具有高分辨率、高效率等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于工程、環(huán)境和資源等淺部地球物理領(lǐng)域，取得了很好的效果。本書介紹了探地雷達的基本原理、天線、系統(tǒng)、測量方法與技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、解釋與模擬及其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。本書系統(tǒng)地介紹了地面探地雷達及井中探地雷達的測量方式與方法。本書共分為兩部分，第一部分主要介紹探地雷達的理論、方法與技術(shù)，第二部分主要介紹探地雷達的應(yīng)用。    本書是在充分吸收國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上編著而成的，目的是以教學(xué)的用書形式，為在校大學(xué)生和從事探地雷達研究與應(yīng)用的工程技術(shù)人員提供一本內(nèi)容詳細的教材或參考書。

書籍目錄

第1章  探地雷達起源及特點  1.1  探地雷達的基本概念  1.2  探地雷達的發(fā)展歷史  1.3  探地雷達的優(yōu)越性  1.4  探地雷達的局限性  1.5  探地雷達的發(fā)展趨勢  1.6  探地雷達的應(yīng)用  習(xí)題  參考文獻第2章  探地雷達的電磁基礎(chǔ)  2.1  電磁波傳播的基本規(guī)律    2.1.1  電磁波譜    2.1.2  麥克斯韋方程組    2.1.3  本構(gòu)關(guān)系    2.1.4  探地雷達方法中電磁波的波動性    2.1.5  電磁波的橫波性質(zhì)    2.1.6  能流密度矢量    2.1.7  電磁位函數(shù)  2.2  平面電磁波    2.2.1  理想介質(zhì)中的平面波    2.2.2  導(dǎo)電媒介中的平面波    2.2.3  平面波的極化    2.2.4  平面波的反射和透射    2.2.5  多層介質(zhì)表面的正入射    2.2.6  電磁散射    2.2.7  色散和群速  習(xí)題  參考文獻第3章  介質(zhì)的電性質(zhì)及對電磁波傳播參數(shù)的影響  3.1  介質(zhì)的電性參數(shù)    3.1.1  介質(zhì)的電導(dǎo)率    3.1.2  電介質(zhì)的極化和介電常數(shù)    3.1.3  礦物的電性質(zhì)    3.1.4  巖石的電導(dǎo)率與介電常數(shù)    3.1.4  土壤的電導(dǎo)率和介電常數(shù)    3.1.5  植被的介電常數(shù)    3.1.6  永久凍土的電性參數(shù)    3.1.7  人造介質(zhì)的電性參數(shù)  3.2  介質(zhì)電性參數(shù)和介質(zhì)電性參數(shù)模型    3.2.1  介質(zhì)介電常數(shù)與電磁場頻率關(guān)系    3.2.2  探地雷達平臺    3.2.3  混合介質(zhì)的介電常數(shù)模型    3.2.4  介質(zhì)的介電常數(shù)模型  3.3  電磁波傳播參數(shù)與介質(zhì)電性質(zhì)的關(guān)系    3.3.1  電性參數(shù)對相速度的影響    3.2.2  電性參數(shù)對衰減系數(shù)的影響  習(xí)題  參考文獻第4章  探地雷達儀器系統(tǒng)和工作方法  4.1  探地雷達儀器和參數(shù)    4.1.1  探地雷達系統(tǒng)的信號調(diào)制方式    4.1.2  探地雷達系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)  4.2  時間域探地雷達    4.2.1  時間域探地雷達的基本原理    4.2.2  GSSI的SIR儀器系列的構(gòu)成和技術(shù)指標(biāo)    4.2.3  加拿大EKKO系列探地雷達    4.2.4  RAMAC/GPR探地雷達系統(tǒng)    4.2.5  中國電波傳播研究所LTD-2100探地雷達  4.3  FMCW探地雷達    4.3.1  FMCW雷達探測的基本原理    4.3.2  FMCW探地雷達  4.4  步進頻率探地雷達    4.4.1  步進頻率探地雷達系統(tǒng)的基本原理    4.4.2  步進頻率探地雷達系統(tǒng)設(shè)計方案    4.4.3  步進頻率探地雷達實驗系統(tǒng)79  4.5  脈沖探地雷達和步進頻率探地雷達的比較  習(xí)題  參考文獻第5章  探地雷達天線  5.1  天線基本元的輻射    5.1.1  近場區(qū)    5.1.2  遠場區(qū)    5.1.3  中間區(qū)  5.2  天線的基本參數(shù)    5.2.1  效率    5.2.2  輸入阻抗    5.2.3  輻射方向圖(波瓣圖)    5.2.4  方向系數(shù)    5.2.5  極化    5.2.6  增益系數(shù)    5.2.7  有效長度    5.2.8  工作頻帶寬度  ……第6章  探地雷達工作方法第7章  探地雷達的數(shù)值及物理模擬第8章  探地雷達數(shù)據(jù)處理第9章  探地雷達數(shù)據(jù)解釋第10章  鉆孔雷達第11章  機載探地雷達第12章  工程探測應(yīng)用第13章  水文地質(zhì)領(lǐng)域第14章  環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用第15章  土壤和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域第16章  考古探測應(yīng)用第17章  極地探測和星球探測應(yīng)用第18章  地雷和未爆炸彈探測參考文獻

章節(jié)摘錄

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