探地雷达工作原理初探

李昊佳

摘 要：本文从应用背景的角度介绍了探地雷达的技术特点及分类，阐述了探地雷达收、发电磁信号的传播特性和冲激型探地雷达的测距原理，总结了探地雷达常规工作流程，并探讨了探地雷达在植物根茎探测中的应用。

关键词：探地雷达；分类；技术特点；原理；工作流程

中图分类号：P631 文献标识码：A

1.研究背景

探地雷达作为一种高效、无损、便捷的浅层地表物理探测仪器，已广泛应用于地质探测、地下石油矿产勘探、桥梁工程、建筑工程、城市地下管線检测等地质领域。它利用地下不同媒介间存在电磁参数差异的特征，通过向地下发射高频电磁波并接收反射信号，对比分析发射信号与回波的时域、频域特性来研究和推断浅层地质结构和物性特征。与反射地震、地震CT、高密度电法、地震面波等传统的地球物理方法相比，探地雷达具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强、探测分辨率高等方面的优势，尤其自计算机和微电子技术得到飞速发展以来，探地雷达的仪器设备和数据处理能力都得到大幅提高，它在工程应用中发挥的作用也日益剧增。本文通过总结探地雷达的技术特点及分类，研究探地雷达的工作机理，探讨探地雷达技术在林业探测中的应用，以促进我国探地雷达的发展。

2.探地雷达基本组成及分类

探地雷达主要由天线与收发单元、雷达主机和便携式计算机3部分组成。其中，天线与收发单元负责电磁波的发射与回波信号的接收，不同的雷达机制可能采用不同的天线类型及收发单元；雷达主机（嵌入式数据处理模块）负责收发信号的控制，以及对回波信号的预处理工作；计算机主要负责参数设置、图像显示和后期处理工作。

探地雷达的种类很多，以发射信号的不同调制方式大致划分为5种类型，它们具有各自的特点，有些体制之间还存在着应用上的互补，这5种调制方式分别如下：

（1）调频连续波

调频连续波方法常用于浅层或表层（2m以内）地下目标的探测，如机场跑道和高速公路等表层中的结构异常或孔穴的探测。它的基本原理为：利用收、发电磁波的差频分量来推算时间延时，进而结合电磁波在介质中的传播速度确定目标体的深度。其优点为：分辨率高，发射频谱易于控制，具有很宽的动态范围；它的主要缺点为：体积大、成本高、系统比较复杂，抗干扰能力差。

（2）脉冲展宽-压缩技术

该项技术已成熟的应用于探空雷达中，它的收发端采用一对具有宽带特性的对数周期天线或对数螺旋天线。它发射线性调频脉冲，接收端采用匹配滤波器技术实现脉冲压缩。它的最大优点是分辨率高，特别适用于对地下细长目标物（如管道等）的探测。

（3）连续波

点频连续波发射技术的发射信号可以是点频，也可以是一些特定间隔的频率，接收端采用孔径天线接收，它的分辨率主要由测量孔径的大小决定。它的主要优点是发射频带窄，天线系统容易设计，而且不需要采用高速数据捕获。它的主要缺点为技术要求苛刻。

（4）极化调制

根据收发天线的设置不同，极化调制方法主要分为线极化和圆极化，相对而言，采用圆极化特性的天线更有优越性。然而，随着极化矢量的自动旋转，接收信号的包络与细长目标的方向无关，由线极化造成的方向性不灵敏给探测带来了困难。

（5）幅度调制

根据发射波的特征，探地雷达系统采用的幅度调制方式通常分为两种：一是脉冲调制雷达，它的发射波是经载波调制后的窄脉冲，载波频率通常为几十兆赫兹，发射带宽相对较窄，接收机采用常规解调技术提取回波脉冲的包络，主要用于冰、淡水或地质层的探测。

另一种幅度调制雷达是冲激脉冲雷达，它主要用于浅层（几米到十几米）高分辨率探测，可用于地下埋设物、结构空洞等探测。它的基本原理为：发射机采用宽带天线向地下周期性的发射无载频冲激脉冲，回波信号经时域取样变换为低频信号，再经图像处理形成探测区域的地下剖面图。冲激脉冲探地雷达的脉冲宽度很窄（几个纳秒），因此它的频谱宽度很宽，雷达具有很高的分辨率和较深的穿透深度。此外，冲激脉冲雷达结构简单、成本低、技术成熟，是目前应用最广的探地雷达体制。

3.探地雷达基本工作原理

3.1 电磁波在有耗介质中的传播特性

探地雷达的核心技术是获取电磁波在有耗介质中传播时所携带的有效信息。电磁波的传播特性由麦克斯韦方程组描述，表1给出了麦克斯韦方程组的积分形式及本构关系。

其中麦克斯韦安培定律①揭示了磁场是由电流或者时变的电位移矢量激发产生；法拉第感应定律②描述了时变磁场能激发电场的基本规律；高斯磁定律③阐述了磁场是一个螺线矢量场；高斯定律④阐明了电场是由电荷激发产生的，即电场的电位移矢量在闭合曲面S上的通量，等于该曲面包裹住的体积V内的电荷总量。媒质的本构关系描述了电磁场与材料属性之间的关系，不同媒质的介电常量、磁导率和电导率一般不同，探地雷达就是运用了这种特性来获取地下目标物的信息。由麦克斯韦方程组可知：时变的电场能够产生时变的磁场，时变的磁场同样能够激发时变的电场，它们相互激发并向前传播，就形成了电磁波。通过麦克斯韦方程组可以得到平面电磁波在无耗介质（真空）中的传播方程，如公式（6）所示。其中E0为电场的振幅，w为电磁波的角频率，k为沿电磁波传播方向的一个矢量，其大小如公式（7）所示。

（6）

（7）

3.2 探地雷达的雷达方程

电磁波的本质是时变的电场和时变的磁场相互激发产生链式传播，它在媒质中会产生能量损耗。对于探地雷达而言，它探测的媒介一般为土壤、岩石、马路沥青等，电磁波在这些媒介传播的过程中以电损耗为主，它的具体表现为：电磁波在导体中转化为电流而耗散，在不良导体中，极性分子会在时变电场的作用下不断改变排列方向而相互摩擦，电磁波的频率越高，分子的运动越剧烈，转化为的内能也越多，造成电磁波的能量损失。此时，矢量因子k转换为一个复数矢量，它的表达式转化为式（8），电磁波在传播过程中，除了相位以传播常数β随距离变化外，其幅值也要以衰减常数α随距离指数衰减。

（8）

当发射的电磁波能量一定时，探地雷达接收信号的能量强度也与目标物的形状、天线的增益等参量相关，如探地雷达方程（9）所示。其中Pr为接收功率，Pt为发射功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，λ0为发射波长，S为目标的雷达截面积，R为雷达与目标的距离，L01、L10分別表示发射天与地面的耦合系数和接收天线与地面的耦合系数，Ls表示整个过程中由于介质产生的损耗、α则表示地层的衰减因子。由于要保证接收机接收到的信号能量不能被噪声淹没，因此探地雷达探测深度受到了限制，这就是探地雷达适用于浅层地表探测的原因。

（9）

此外，探地雷达的探测精度与电磁波的频率密切相关，频率越高，分辨率越高。因此，在使用探地雷达探测前，需要根据目标物的几何特点及埋藏深度、地下媒介的属性等多种因素选择探地雷达型号及特征参量。

3.3 冲激型探地雷达的工作原理

冲激型探地雷达应用最为广泛，它的测距原理如图1所示。发射机发出周期脉冲电磁信号，电磁波在行进过程中遇到两种不同介质的交界面时发生反射，部分反射能量被接收机接收。若电磁波由发射到接收相隔的时间为t，v为电磁波在介质1中的传播速度，则由几何关系得到反射面（目标体）的深度z表达式（103.4 探地雷达的工作流程

通常，探地雷达的工作流程分如下5步：（1）对目标体特征与所处环境进行分析，建立测区坐标，布置测网；（2）选择测量参数。它包括天线中心频率、采样率等；（3）建立测区各种目标体的探地雷达图像特征；（4）利用宽角法等方法确定地层的电磁波速度；（5）完成实地测量，整理报告。

4.探地雷达在探测植物根系中的应用

植物根系在植物的生长发育、生态系统功能以及碳循环过程中具有重要作用，利用探地雷达获取根系的直径大小、生物量、空间分布和三维构造等参数是目前林业学科研究的热点话题之一，在植物根系的制图、根径大小、根系生物量的估算等方面均取得了一定的研究成果。当前国内外常用方格作为布线方式，对根茎3D图像的反演过程较为复杂。根据树根由中心向外辐射的生长特点，在走线布局时可以改变原有的方形网格布局，而是改用一簇以树木本身为圆心的同心圆进行探测，得到的数据可以绘制成一个圆形图，更符合树根的分布特点。

结语

探地雷达作为一种新兴的浅层地表探测技术，以其高效、无损、便捷的优势广泛应用于地质探测、隧道及堤岸探测等各领域。本文结合探地雷达应用背景总结了它的技术特点及分类，利用麦克斯韦方程组及雷达方程阐述了探地雷达的收、发电磁信号在有耗介质中的传播特性，以及冲激型探地雷达的测距原理，归纳总结了探地雷达5步常规工作流程，并讨论了探地雷达在探测植物根系中的应用，提出根据树根由中心向外辐射的生长特点，可以使用以树木本体为圆心的同心圆作为网格布局方式进行探测。

参考文献

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