GPR常见问题

探地雷达（GPR） 是一个通用术语，适用于采用通常在1至1000 MHz频率范围内的无线电波来绘制埋在地下（或人造结构中）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绘制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？

1. 发出微弱的射频信号
2. 检测回送的回声并使用它们来构建图像
3. 显示信号时间延迟和强度

GPR就像探鱼器和回声测深仪

1. 发现者发出ping
2. 信号从鱼身上散射回来
3. 信号从底部散回

1. 随着船的移动，它会收集录音
2. 录音并排显示
3. 结果看起来像一个横截面

GPR勘探深度

勘探深度取决于具体地点

• 土壤吸收无线电波
• 沙砾有利于GPR
• 细粒土壤（如淤泥和粘土）吸收信号
• 盐水是完全不透明的

GPR有什么难处？

1. 地面比较复杂
2. 人造结构很复杂
3. 有些事情根本无法反映
4. 一些地面会吸收所有信号

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）出现在V的顶点
• 倒V的形状有助于确定确切的深度

“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）。

探地雷达（GPR）测量（如图1所示）可检测反射或散射的能量。 用技术术语来说，反射是由于与性能变化相关的电磁阻抗的变化而产生的。 不幸的是，许多GPR用户并不熟悉无线电场和材料特性等更深奥的方面。

图1：经典数据集，显示了调查区域中存在的物体的反射。

什么是材料特性？

“材料特性”表征材料的物理特性。 这些属性的范围从密度，弹性，孔隙率，导热率，颜色，织物和质地到其他许多属性。 对于无线电波重要的物理特性是介电常数，电导率和磁导率。

GPR响应电和磁特性的变化。 人们自然倾向于通过其视觉或机械特性（即，通过视觉，触觉等直接感知）来表征目标。 电学性质和其他物理性质之间通常存在关联。 因此，GPR反应通常符合人们的先入之见。

为什么电气特性很重要？

电特性控制电磁波在材料中的传播方式； 介电常数主要控制波速； 电导率决定了信号的衰减。

当无线电波遇到速度或衰减变化时，就会发生雷达反射。 特性变化越大，反射的信号越多。

许多GPR概念源自光学。 例如，斯涅尔定律描述了图2所示材料之间边界处的光线和无线电波的弯曲。弯曲（或折射）取决于材料之间波速的变化。

就像光学中一样，无线电波在边界处部分传输和部分反射，菲涅耳反射系数描述了光波和雷达波。

图2：在边界处部分透射和反射的雷达波。 光线也会改变穿过边界的方向。

菲涅耳系数是多少？

菲涅耳反射系数可量化边界处反射和透射信号的幅度。 反射信号振幅与入射信号振幅之比为反射系数； 发射信号与入射信号振幅之比即为传输系数。

反射系数取决于入射角，入射场的极化和速度对比度。 图3说明了入射在地下水位处的GPR波的反射系数随入射角和偏振的变化，其中速度对比可能发生1.6：1。

图3：反射信号的幅度取决于速度对比度，入射方向和极性。 描绘了地下水位上两种极化的反射。

大多数情况并非如此简单。 反射器的尺寸和形状也很重要。 纯粹主义者认为反射是抽象的，所有响应都是散射响应。 菲涅耳反射系数隐式地假定为平面且非常宽的界面。 实际上这很少是真的。

如何处理不规则形状？

图4描绘了一些常见的雷达响应源。粗糙的边界，局部的特征，细长的细管和电缆都比平面边界普遍得多。

图4：常见的GPR目标可以具有各种几何形状和空间比例。

当边界几何尺寸接近与雷达信号空间尺寸（即波长）相同的尺寸时，几何就变得很重要。 发生这种情况时，必须将目标视为散射点的集合，每个散射点都会捕获并重新辐射一些入射信号。 这些单独的散射体相互影响，以增强或减少重新辐射的能量。 散射体的特征是其雷达横截面和反向散射增益。

什么是GPR横截面和反向散射增益？

横截面是散射体投射到入射雷达信号路径中的有效面积的度量。 单位面积上的入射雷达波前能量乘以横截面积可确定散射体从入射波中提取的能量。

图5：散射截面面积和反向散射增益的图示。 在（a）中，呈现出大面积并且大部分能量被引导回去。 在（b）中，目标呈现出较小的横截面，并且散射的信号没有被引导回接收器。

能量提取的信号可以在任何方向上吸收或重新辐射。 反向散射增益测量沿入射信号方向向回辐射的能量，如图5所示。

反向散射增益和横截面积可以通过数值模型计算得出，也可以在实验室中针对标准几何形状进行测量。 一些简单的几何图形可以得出相对紧凑的分析反向散射增益公式。

横截面面积是对象的真实几何横截面以及电特性对比度的函数。 反向散射增益主要由对象的几何属性控制。

这是什么意思呢？

简而言之，雷达响应是物理属性对比度和几何形状的函数。 如图6所示，球体的响应说明了这一概念。

图6：球形物体的散射与球形尺寸的关系。 对于小球体，尺寸占主导地位。 对于大球体，响应接近平面目标。

对于小物体，散射的能量随目标尺寸的四次方而增加。 当目标变大时，响应平稳并接近平面边界的响应（即菲涅耳反射系数）。 在极端之间，响应会由于目标内的建设性和破坏性干扰而振荡。

频率选择受两个勘测要求的控制-勘探深度和分辨率长度，如图1所示。分辨率长度表示唯一识别紧密间隔目标的能力。 有关分辨率长度的更多详细信息，请参见2003年XNUMX月的EKKO_Update。

图1：频率选择受勘探深度和分辨率长度D Z的控制。

勘探深度取决于许多特定地点的因素，最重要的是基质材料中的信号衰减率。 衰减率取决于GPR频率，如图2所示。

图2：衰减决定了勘探深度。 在理想的材料中，衰减稳定在过渡频率以上。 在实际环境中，水或体积的散射会导致衰减随频率增加。 高频损耗的起因非常具体。

在理想的材料中，高频衰减平稳。 在实际材料中，异质性和水弛豫吸收会增加高频下的衰减。 如图3所示，总是会发生散射损耗。 雾中的路灯是一个很好的类比。 水滴会散射光，从而导致可见度大大降低（即光穿透率降低）。

图3：GPR信号由于材料特性中的微小异质性而被散射，从而降低了传输信号。

分辨率长度与GPR频率成比例地变化，因为系统带宽等于脉冲或基带GPR的中心频率，如图4所示。

图4：空间分辨率与频率长度的关系。 物质速度改变空间分辨率。

图2和图4说明了难题：随着GPR频率增加，分辨率增加，但勘探深度减小。 折衷解决方案具有逻辑但并非总是唯一的解决方案。

如图5所示，绘制勘探深度与频率的关系图为该讨论提供了基础。 为简单起见，将探查深度选择为材料中的三个衰减长度。 衰减长度是衰减率的倒数，通常称为趋肤深度。

图5：探索深度（假设为三个衰减长度）随频率而变化。 高频勘探深度的减少限制了实际的GPR上限频率。

如图6所示，GPR带宽必须位于GPR不合适的阴影区域之间（色散太大）。 对于最大分辨率，选择fc使得GPR带宽的上边缘接触勘探深度曲线。 在某些情况下，可以选择一系列的分辨率和中心频率（图7），而在某些情况下则别无选择（图8）。

图6：在对数刻度上，随着中心频率的变化，GPR带宽以及分辨率随之增加和降低。 当带宽框的上边缘在所需的勘探深度处接触勘探深度曲线时，可获得最高的分辨率（最小的分辨率长度）。 图7：GPR频率可以放置在非阴影区域的任何位置，如图所示。 随着中心频率降低，带宽B降低，导致分辨率降低。 图8：在某些情况下，频率没有选择，如下所示。 随着异质标度长度的增加，高频截止频率降低。

以下是一种简化的算法，可以在电子表格中进行编码，并根据此逻辑来估算fc。 （a）通过估计局部相对介电常数K，低频电导率L和异质性尺度L（主体材料中局部变异性的典型长度）来表征该位置。 （b）计算勘探深度（见图5）。

（c）指定所需的勘探深度D（必须小于dplat）。 （d）估计散射的高频限制因子

（e）估计最大分辨率

运用

（f）如果R <1，则GPR不适当。 （g）如果R> 1，则给出最深深度与分辨率长度折衷的GPR中心频率为：

如果主机非常潮湿（高水含量> 5％），则如果计算值较大，则应将fc限制为小于1500 MHz。

这些结果是频率上限。 这个简单的分析中没有包括的事实是，GPR系统的功率和灵敏度会随着频率的降低而增加。 使用比计算的频率低一些的频率通常是一个明智的选择。

准确确定GPR数据记录中的反射深度需要了解信号在被调查材料中传播的速度。 使用了多种技术，例如CMP（公共中点），WARR（广角反射和折射），已知深度目标，对局部目标的双曲线拟合以及衍射尾部匹配。

所有这些技术都需要沿着几何形状以受控方式变化的导线进行GPR测量。 换句话说，到目标的距离变化，从而可以提取速度的估计值。

图1：GPR导线应垂直于管道或电缆的走向。

对于管道和电缆位置，或者在Conquest示例中的钢筋和导管位置中，如果GPR系统垂直于特征对齐方向移动，则长线性特征就是定位目标（图1）。 为了估计速度，到物体的路径长度必须变化。

图2：从上方俯视地面的平面图。 导线1垂直于打击，是确定速度的最佳选择。 导线2呈倾斜角度，导线3平行于管道行程轴。 来自导线2和导线3的数据不适用于确定速度。

图2以直管或电缆为例对此进行了说明。 为了提取速度信息，必须垂直于管道或电缆的轴线移动雷达系统。 长轴方向通常简称为“打击方向”或“打击”。 如果GPR垂直于走向移动，则从雷达系统到管道的距离将以规则的方式变化。 平行于管道走向的移动不会改变管道的距离，因此，GPR记录上发生的是平坦的，不变的事件。 图3和图4使用来自农田中排水管的真实数据显示了这两种极端情况。

图3：垂直于管道方向的排泥管道上的GPR数据（图1中的线8） 图4：平行于管道方向的排泥管道上的GPR数据（图3中的线8）。

GPR横截面显示信号幅度与位置（通常在水平轴上表示为x）和时间（通常在垂直轴上表示为T）之间的关系。 如图5所示，局部目标的传播时间与位置有关。数学形式为双曲线形状（GPR截面上的U倒置），将空间位置（x）与传播时间（T）关联起来。 图6显示了当目标深度变化时在GPR横截面中的响应，而在图7中显示了针对固定深度的速度变化。

图5：GPR位置（x），物体深度（d）和行程时间（T）之间的关系。 To是GPR直接在对象上方的传播时间。 图6：当物体深度以恒定速度变化时，GPR响应的示意图变化。 图7：当固定物体深度的速度变化时，GPR响应的示意图变化。

方便的解释工具是在视觉上将模型双曲线形状拟合到GPR数据，如图8所示。将模型的顶部（三角形点）放在顶点（倒U形的顶部）上的数据部分中，选择To。 调整模型形状以匹配数据可得出速度v的估计值，将v和To组合可得出到目标顶部深度的估计值。

良好的现场实践要求对一个对象进行多次遍历。 仅在给倒U形的臂提供最大斜率的导线上使用双曲线拟合。此方法可确保获得最正确的速度。 与笔触不垂直的遍历（图2中的线8）将始终产生比真实速度高的速度，并且对象深度看起来比实际深度还要深。

图8：在现场的DVL屏幕上，形状适合目标响应的示例。 此功能是Noggin，Conquest和pulseEKKO系统的标准配置。

电磁场强度大时，射频电磁场可能会危害健康。 在过去的30年中，对正常磁场进行了广泛的研究，没有确定的流行病学将电磁场与健康问题相关联。 关于该主题的详细讨论包含在下面列出的参考资料和网站中。

美国联邦通信委员会（FCC）和职业安全与健康管理局（OSHA）均指定了电磁场可接受的水平。 其他国家/地区的相应机构也要求类似的功率水平。 FCC和OSHA指定的最大允许暴露量和持续时间随激发频率而变化。 对于0.2至2 MHz频带内的一般人群，所引用的最低阈值平面波等效功率为30 mW / cm300。 所有其他应用和频率都有较高的容差，如图1所示。

图1：最大允许暴露（MPE）平面波等效功率密度mW / cm2的FCC限制。

通常，所有Sensors＆Software Inc. pulseEKKO，Noggin®和Conquest™产品在距用户至少1 m的距离内操作，因此根据FCC归类为“移动”设备。 与任何Sensors＆Software Inc.产品相距1 m或更大距离时，典型的功率密度水平均小于10-3 mW / cm2，这比法定限值低200至10,000倍。 因此，Sensors＆Software Inc.产品以正常的预期使用方式运行时不会对健康和安全构成威胁。

参考资料

1.关于射频电磁场的生物效应和潜在危害的问答。

美国联邦通信委员会工程技术办公室

OET公告56（包含许多参考资料和网站）

2.评估是否符合FCC关于人体暴露于射频电磁场的准则。

美国联邦通信委员会工程技术办公室

OET公告56（包含许多参考资料和网站）

3.美国职业安全与健康管理局法规1910.67和1910.263。

网站

https://transition.fcc.gov/oet/rfsafety/
https://www.osha.gov/SLTC/radiofrequencyradiation/

所有政府都对电子设备可以发射的电磁辐射水平进行了规定。 目的是确保一个装置或设备不会以使另一装置无法工作的方式干扰任何其他装置或设备。

Sensors＆Software Inc.使用独立的专业测试机构来广泛测试他们的pulseEKKO，Noggin和Conquest地下成像产品，并遵守美国，加拿大，欧洲共同体以及其他主要管辖区有关排放问题的最新法规。

GPR仪器被认为是UWB（超宽带）设备。 全球监管机构正在为UWB设备制定新规则。 Sensors＆Software Inc.与监管机构保持密切联系，以帮助指导标准制定并确保所有产品符合要求。 您应继续监视我们网站上的“新闻”链接（www.sensoft.ca）以获取标准更新。

电子设备并非总是设计为具有适当的抗扰性。 如果一个 GPR设备 如果将其放置在电子设备附近，则可能会发生干扰。 迄今为止，尚无确凿的干扰报告，但如果在附近的设备上发现任何异常现象，请测试在打开和关闭GPR仪器时干扰是否开始和停止。 如果确认干扰，请停止使用GPR。

频域和时域GPR原则上没有什么不同，在理想情况下，它们会产生相同的结果。 存在两种不同类型的系统的原因是由于在无法通过电子方式进行直接捕获（A / D转换器对于大多数GPR应用而言还不够快）时，捕获宽带瞬态信号的方法多种多样。 结果是一堆电子庞然大物，使非电子专家感到困惑。

在频域中，信号以正弦波形式发射。 当正弦波的频率在给定带宽上变化时，提取响应。 传递函数通过外差或混合技术测量。 通过适当的信号处理（傅立叶变换），可以得出回声强度与延迟时间的关系。 这些实现方法称为FM-CW和步进频率雷达。

在时域中，所有频率基本上都在同一时间发射，并且它们相长地干涉以产生脉冲并直接产生回波强度与传播时间延迟信息。 信号捕获使用信号的同步检测。 （频域信号可以通过时域信号的傅立叶变换来合成）。 时域系统的通用名称是脉冲，基带和UWB雷达。

GPR系统必须获取变化非常迅速的射频信号。 捕获这些信号以进行分析和解释需要相当程度的电子复杂性，以便获得高保真度的数据。

商业GPR使用等效时间采样（ETS）捕获瞬态无线电波信号。 ETS使用与频闪仪相同的原理。 模拟电子电路最早被设计为将快速变化的GPR电压转换为可以记录和显示的音频信号。

随着时间的流逝，使用ETS进行信号捕获的GPR技术已经有了长足的发展。 过去30年的主要发展如下。
（a）在模拟音频录音机上记录模拟音频信号以进行重放。
（b）数字化模拟音频信号以将数据记录在数字磁带或计算机磁盘上。 计算机用于重放和分析。
（c）消除了在接收天线处直接捕获数字信号同时保留相同的模拟信号计时的音频乐器阶段。 数字数据记录在数字媒体上。
（d）用数字（计算机）控制的延迟时间将接收天线上的信号数字化。 记录数字数据。 删除了所有模拟ETS组件。 据说这样的系统使用数字等效时间采样（DETS）。

DETS的主要优点如下

（a）时序和信号幅度的稳定性和保真度。
（b）使用数字补偿方案来确保时基线性度和校准的能力。 （c）按需获取GPR数据，而无需保持模拟时钟运行。
（d）删除音频部分ETS电路中的模拟滤波级，这可能会引起干扰。
（e）收集空间同步数据的能力（即在用户或电子定位触发的已知位置收集数据）。 无需橡皮筋即可消除横向速度变化。
（f）使用可编程堆栈的能力与GPR延迟时间的关系。
（g）能够在每条GPR跟踪中记录各种诊断数据。

所有Sensors＆Software的GPR系统均使用DETS来确保尽可能高的GPR数据质量。

与X射线相比：

• GPR /征服不会对健康造成任何危害，此类工作可以在正常工作时间内进行。 对于X射线，由于杂散辐射的危害，必须在附近没有人时进行工作； 这通常意味着午夜后工作。
• X射线人员需要获得认证，工作需要现场几个人，一些人来设置和操作机器，其他人要确保没有未经授权的人员在场。 征服仅需一个人即可操作，他们只需要了解GPR的基本理论即可解释结果。 无需正式认证。
• 使用X射线，您需要进入平板的两侧。 使用征服，所有扫描都可以从一侧完成。
• 征服结果是实时的，X射线需要在卡车中进行一些胶片显影和分析。
• 使用Conquest可以轻松确定目标深度，其中X射线需要进行一些涉及源/目标几何形状的计算和假设。

与覆盖表相比：

• 征服可以比掩护深度表更深，后者通常最大可达5英寸。
• 覆盖表对混凝土（例如钢筋）中的金属结构的磁感应起作用，并且不会拾取非金属导管。 征服可以检测到金属和非金属结构。
• 征服可以准确地确定这些要素的深度，其中覆盖表以较大的误差幅度估算深度。