周成全

摘 要：探地雷達是一種對位于地球淺層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行探測的技術(shù)，它利用地下各物質(zhì)自身介質(zhì)參數(shù)的差異，以短高頻電磁脈沖波作為媒介，根據(jù)反射波的振幅、波形和頻率等的變化實現(xiàn)對地表以下物體結(jié)構(gòu)特征的分析。探地雷達所使用的頻率遠低于一般的探空雷達，其主要研究領(lǐng)域為電磁脈沖波在有損介質(zhì)中的傳輸特性。由于地表下各種介質(zhì)分布的不確定性，探地雷達相比傳統(tǒng)探空雷達的研究要更為復(fù)雜。與傳統(tǒng)的探測方式相比，它具有便捷、高效、組成簡單、抗干擾能力強、地形適應(yīng)能力強、高分辨率等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：高頻脈沖波；雷達；介質(zhì)

1 探地雷達的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

對探地雷達的研究開始于二十世紀初。1904年，德國進行了首次用電磁波信號對地下金屬進行探測的研究。由于地下介質(zhì)的強衰減特性，加上地下介質(zhì)組成復(fù)雜多樣，引起嚴重的電磁波干擾，研究起來非常困難。加之兩次世界大戰(zhàn)的影響，所以在首次應(yīng)用后的幾十年間，該項技術(shù)的發(fā)展一直遲滯不前。直到上世紀50年代以后，探地雷達才重新被各國提上發(fā)展日程。隨著電子技術(shù)特別是數(shù)字磁帶記錄問世以后，依托現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)的新型實用性探地雷達迅速發(fā)展，許多商業(yè)化的數(shù)字產(chǎn)品先后問世。這些雷達儀器的基本原理大同小異，主要具有多維顯示、多通道采集、變頻天線、實時處理、多波形處理、多次疊加等功能，另外還有用于井下探測的特種探地雷達等。國內(nèi)對于探地雷達的研究開始于二十世紀七十年代，當(dāng)時，伴隨著煤礦各部委科研院所探礦工作的開展，急需進行探地雷達研究工作，但由于種種原因，這些研究未能深入進行。進入到九十年代以后，在引進了多種國外先進探測設(shè)備的基礎(chǔ)上，我國的探地雷達研究事業(yè)有了長足的進步。

由于雷達波進入到地下復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境后傳播變得難以預(yù)測，再加上地下各種介質(zhì)產(chǎn)生的噪聲對有用信號的干擾，如何濾除各種噪聲與雜波，從中提取到有用的信息是探地雷達記錄工作面臨的主要技術(shù)難題。關(guān)于在于運用多種數(shù)據(jù)處理技術(shù)對所得到的信號進行科學(xué)濾波處理。由于發(fā)射的探地雷達波位于高頻帶，使得研究者對于電磁波在不同高頻段上所反映出的不同地質(zhì)構(gòu)成要有深入的了解。這個也是探地雷達研制過程中的一個難點問題。

2 探地雷達基本原理

探地雷達（簡稱GPR）是一種對地下淺層結(jié)構(gòu)或者不可見物體進行探測的技術(shù)，它利用高頻電磁波（發(fā)射波頻率一般高達106—109Hz），將地面發(fā)射天線發(fā)射的寬頻帶短脈沖發(fā)送到地下淺層，電磁波在經(jīng)過介質(zhì)特性變化的界面時發(fā)生反射，通過接收反射波信號，并對波形的時延，波形等信息進行采樣預(yù)處理，判斷地表下的介質(zhì)組成，目標(biāo)深度以及位置和大小。通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)字圖像技術(shù)的處理，對地下目標(biāo)進行重建成像處理，可以再現(xiàn)地表下的基本地質(zhì)構(gòu)成。

探地雷達的工作原理如下圖，雷達通過發(fā)射天線向地下發(fā)射短高頻電磁波，遇到地表及地下目標(biāo)，由于地下介質(zhì)的非連續(xù)特性，在經(jīng)過不同介質(zhì)面的時候?qū)a(chǎn)生回波信號，地面接收天線接收到這些回波信號后由數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)進行采樣，采樣完成后的數(shù)據(jù)將會被送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理，以分析地下目標(biāo)介質(zhì)的存在和特性。

3 探地雷達的幾個未來發(fā)展方向

3.1 成像技術(shù)不斷發(fā)展

探地雷達的成像方式，現(xiàn)在來說，一般還是集中于二維成像。商用探地雷達基本不具備三維成像功能。當(dāng)二維成像剖面測線傾向斜交于地下目標(biāo)時，位于測線正下方的界面反射波就無法被接收到，而不在剖面之內(nèi)的反射點卻被記錄在內(nèi)。這就導(dǎo)致了勘探掃描結(jié)果與真實值不一致。三維成像可以很好的二維成像剖面在這方面的不足，并且三維圖像也可以更好的了解地下目標(biāo)介質(zhì)分布的深度和構(gòu)成。

3.2 提高雷達分辨率

探地雷達對于目標(biāo)的分辨率就是最終成像的極限分辨程度。它主要取決于脈沖信號的脈寬。分辨率與脈沖寬度成反比，分辨率越高要求對應(yīng)的脈寬就要越窄。目前由于技術(shù)條件的限制，難以做到在時域范圍內(nèi)同步觸發(fā)幅度幾十V，寬度小于1ns的激勵信號，故而現(xiàn)在經(jīng)常采用頻域掃頻技術(shù)來滿足發(fā)射源的寬度要求。

3.3 自適應(yīng)天線技術(shù)

傳統(tǒng)雷達所使用的天線一般包括以下幾種：蝴蝶結(jié)天線、喇叭形天線、超寬頻帶偶極子天線。這些天線廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的探地搜索任務(wù)。然后隨著探地雷達探測精度要求的不斷提高，傳統(tǒng)天線已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工程探礦的需求，更先進的自適應(yīng)天線技術(shù)應(yīng)運而生。

自適應(yīng)天線國際上目前主要的思路有兩種：一種是基于時域電場積分方程理論，在得到耦合條件下天線的瞬態(tài)電流分布情況從而研制出的探地相控陣列雷達天線。

另外一種是基于蝴蝶結(jié)形天線進行的改進，讓蝴蝶結(jié)天線的各項電性能參數(shù)指標(biāo)伴隨其張角及電長度的改變而改變而研制出的等效蝶形自適應(yīng)天線。這兩種自適應(yīng)天線的出現(xiàn)，都使得探地雷達更加適應(yīng)復(fù)雜多變的地形狀況。

3.4 信號源的改進

步進頻率信號是一種大時寬帶寬乘積的高分辨率信號，其優(yōu)點有：利用較小的瞬時帶寬合成較大的工作帶寬，極大降低了接收機和數(shù)模采樣過程的帶寬要求。對各個離散頻點的頻率和幅度可以進行方便的調(diào)節(jié)。由于步進頻率的信號隨時間均勻推進，用頻率域信號處理的辦法進行處理較為方便。這種信號在提高分辨率的同時對硬件也沒有提出很高的要求。在數(shù)字信號合成技術(shù)不斷發(fā)展的今天，步進頻率的信號源將成為探地雷達研究領(lǐng)域的重點。

參考文獻：

[1]粟毅，黃春琳，雷文太.探地雷達理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2]金添.超寬帶 SAR 淺埋目標(biāo)成像與檢測技術(shù)[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論.

[3]周智敏等.超寬帶SAR探雷試驗系統(tǒng)[J].電子與信息學(xué)報，2007，29（08）：1805-1808

[4]詹毅.復(fù)雜有耗色散地層中的FDTD方法以及在沖擊探地雷達中的應(yīng)用[D].西安電子科技大學(xué)，2000.

[5]王均宏， Dougals H. Werner.阻抗加載脈沖天線的研究閉[J].通信學(xué)報（第20卷增刊）1999：90-95.

[6]劉志新，王志勇，岳建華.探地雷達天線方向特性探討[J].物探與化探，vol.25，第1期，2001：45-49.

[7]周蔚紅，何建國，周東明一種新型探地天線的優(yōu)化設(shè)計閉，電波科學(xué)學(xué)報，vol.19，第3期，2004：371-373.