什么是探地雷达（GPR）？

穿透雷达（GPR）是通用术语，指的是使用通常在1至1000 MHz频率范围内的无线电波来绘制埋在地下（或人造结构）的结构和特征的地图的技术。 从历史上看，GPR主要集中于绘制地面结构。 最近，GPR已用于非金属结构的无损检测中。

应用无线电波探测地面内部结构的概念并不新鲜。 毫无疑问，该领域最成功的早期工作是使用无线电回声测深仪测绘北极和南极冰盖的厚度，并测出冰川的厚度。 1970年代初开始在非冰环境中使用GPR开展工作。 早期的工作集中在多年冻土的应用上。

GPR的应用仅受想象力和合适仪器可用性的限制。 如今，GPR已在许多不同的领域中使用，包括定位埋藏的公用设施，矿场评估，法医调查，考古挖掘，寻找埋藏的地雷和未爆弹药，以及测量雪和冰的厚度和质量以进行滑雪场管理和雪崩预测，仅举几例。

我们如何运作？

GPR就像探鱼器和回声测深仪

GPR有什么难处？

为什么管道看起来不像管道？

• GPR记录是地面的伪像
• 局部特征变成双曲线（倒V）
• GPR向各个方向将信号发送到地面
• 从各个方向观察回声
• 最接近的方法（超出目标）发生在V的顶点
• 倒V的形状有助于确定确切的深度

探地雷达的穿透深度是多少？

“你能看到多深？” 是探地雷达（GPR）供应商最常问的问题。 尽管物理学是众所周知的，但是大多数GPR初学者都没有意识到存在基本的物理限制。

许多人认为GPR的普及受到仪器的限制。 在某种程度上是正确的，但是勘探深度主要由材料本身决定，没有任何仪器改进可以克服基本的物理限制。

什么控制渗透？

无线电波无法穿透土壤，岩石和大多数人造材料（例如混凝土）。 在开车通过隧道或进入地下停车场时失去无线电接收或手机连接便证明了这一点。

GPR完全起作用的事实取决于所使用的非常敏感的测量系统和特殊情况。 如图1所示，无线电波以指数方式减少，并很快在能量吸收材料中变得不可检测。

图1：GPR信号在土壤和岩石中呈指数衰减。

指数衰减系数α主要取决于材料的导电能力。 在简单的均质材料中，这通常是主要因素。 因此，电导率（或电阻率）的测量确定衰减。

在大多数材料中，能量也会因材料的可变性以及存在的水而散失。 水有两个作用。 首先，水中含有有助于整体导电性的离子。 其次，水分子在通常高于1000 MHz的高频下吸收电磁能（与解释为什么微波炉起作用的机理完全相同）。

如图2所示，衰减随频率增加。在适合GPR探测的环境中，衰减与频率关系曲线通常会出现一个平稳段，该曲线定义了“ GPR窗口”。

图2：衰减随激励频率和材料而变化。 这一系列图描述了总体趋势。 在低频（1000 MHz）下，水是一种强大的能量吸收器。

我可以降低频率以提高渗透率吗？

降低频率可改善勘探深度，因为衰减主要随频率而增加。 但是，随着频率降低，GPR测量的其他两个基本方面也开始发挥作用。

首先，降低频率会导致分辨率降低。 其次，如果频率太低，电磁场将不再像波一样传播，而是会扩散，这就是感应EM或涡流测量的领域。

为什么我不能仅仅增加发射机功率？

可以通过增加发射器功率来增加探测深度。 不幸的是，为了增加勘探深度，功率必须成倍增加。

图3：当衰减限制探测深度时，功率必须随深度成倍增加。

图3显示了探查给定深度以进行图1所示衰减所需的相对功率。人们可以很容易地看到，勘探深度的增加需要大功率电源。

除实际限制外，政府还规定了可以产生的无线电发射水平。 如果GPR发射器信号太大，则它们可能会干扰其他仪器，电视，收音机和手机。 （不幸的是，这些相同的普遍存在的设备通常是GPR接收器的限制噪声源！）

我可以预测勘探深度吗？

是的，只要要探测的材料在电气上已知，那么就可以使用许多数值计算程序。 估算勘探深度的最简单方法是使用雷达距离方程（RRE）分析。 提供了执行这些计算的软件，并且有很多关于该主题的论文。 基本概念如图4所示。

图4：此处以流程图形式显示的雷达范围确定能量分布，并提供了一种估算勘探深度的方法。

RRE分析对于参数研究和灵敏度分析非常强大。

雷达范围太复杂了！

许多用户说RRE对于常规使用来说太复杂了。 如果您不希望进行详细的计算，我们建议使用以下简单的经验法则来估算勘探深度

D = 35 /米

电导率，以mS / m为单位。 尽管不如RRE可靠，但此有用的规则在许多地质环境中还是很有用的。

甚至更简单的方法是使用常用材料获得的勘探深度表或图表。 GPR遇到的常见材料的示例图表如图5所示。

图5：常用材料的勘探深度图。 这些数据基于“最佳案例”观察。 如图9所示，仅靠材料本身并不是对勘探深度的真实衡量。

图6、7和8显示了从深部勘探到浅部勘探的示例。 可以看到材料类型可以控制勘探深度。 不幸的是，不能仅通过了解调查区域中的材料来始终预测勘探。

图6：大块花岗岩的数据-反射是裂缝。 图7：数据显示了湿砂沉积物中的层理。 图8：数据显示了桶在湿粉质粘土中的响应。

图9显示了一个地质基本均匀但勘探深度高度可变的区域。 孔隙水的电导率是变化的，而地质材料是不变的！ 在这种情况下，与了解材料相比，了解电导率可以更好地衡量勘探深度。

图9：砂型设定的GPR部分。 勘探深度取决于孔隙水的电导率，而不是砂子。 从垃圾填埋场浸出的污染物会随位置而改变电导率（和探测深度）。

GPR应用和合适的频率

系统和天线按应用