探地雷达技术

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第511页（2288字）

随着探地雷达的应用领域迅速扩大，它要求探地雷达系统具有更高的分辨率，更大的穿透深度，能够提供更多的地下信息，仪器更轻便等等。

雷达技术也有长足的发展，在硬件方面，出现了更高频率的天线、变频天线、多道雷达系统、三维雷达系统等；在软件方面，雷达数据的处理软件也日益完善，为解释人员提供了高信噪比、更清晰、更直观的图件。

变频天线具有改变中心频率的能力，因此整个雷达系统可以根据现场工作情况随时调整工作频率。

此外，应用变频天线还有其它一些优点：使整个系统更加轻便，在体积小而轻便的天线上可发射出较低频率的信号，利用各种频率进行扫描，不但可以得到更丰富的地下信息，还使薄层的识别成为可能。

雷达信号的发射电路一般只能输出固定形态的脉冲，这个输出脉冲经过天线，以宽频带并具有一定的辐射特性和中心频率的电磁波脉冲形式辐射出去。

因发射信号的中心频率与天线的尺寸有关，所以为了改变发射脉冲的频率谱，可改变天线的尺寸。由于辐射脉冲包含较宽的频率成分，而其频率成分与脉冲的宽度有着密切关系，因此通过改变发射电路输出脉冲的宽度，从天线辐射出去的电磁波脉冲信号的中心频率就会发生变化。

变频天线就是根据这个原理设计的。

多道雷达系统可以同时对多个天线进行操作，每道既可接相同频率的天线，也可接不同频率的天线。

每一道的参数可单独设置，也可统一设置。多道雷达系统克服了单道雷达系统在面积性扫描中的缺陷，并可实现时间倾角扫描叠加技术，也使地下目的体高质量三维成像的实现成为可能。

多道雷达系统一般有两种工作方式：(1)顺序方式，即逐道扫描。所得到的各道扫描用以一次完成探测范围的扩大，或者可叠加到一起，以提高系统的性能。

在采样过程中，各道采样在时间上是错开的，以保证相邻道信号不相互干涉。(2)同步方式，即各道同时扫描。利用时间延迟器延迟各道信号的发射和接收，可以形成波束，这种波束具有几个较好的特性。

发射信号的波形是随辐射角变化而改变的，因而，接收信号的方向可以通过接收信号的波形形态推断出来，如果所有道同时接收，则只有在孔视方向上信号才能得到加强，而离开孔视方向，信号就会迅速减弱，直到表现出为单个天线的信号分量。

另外，按特定的几何形态排列天线，有可能形成可控制或聚焦的复杂雷达信号。研究表明，聚焦的程度是单个天线间距离的函数。

三维探地雷达是J．K．van Deen等提出的一种雷达系统。这种雷达系统目前仍处于研制阶段。

该雷达系统以多道雷达系统为基础．以大量的模型为核心，模型刻划了天线与地下介质的耦合情况。J．K．van Deen等将三维探地雷达总结为如下几个要素：(1)反映电磁波在地下的传播以及天线和界面耦合的模型控制整个系统；(2)根据模型的反馈信息，现场联机设置有关信号形成和数据采集等参数；(3)在测量过程中，可现场联机显示二维横截面图像；(4)综合横截面的信息，形成地下三维图像。他们还从硬件、处理软件和模型3个方面提出了一个发展战略。在硬件方面，采用隔离技术改进天线，使发射信号较少受地表影响。

另一方面，发展脉冲形成系统，这种系统可根据反馈信息对脉冲的形成进行控制。在处理上，第1步需要构造一个物理聚焦算法，以形成二维横截面；第2步则将已有的地震偏移软件移植到探地雷达的处理系统中；第3步是改进偏移处理算法以便进行三维偏移处理。在模型方面，则要构造一个模型，以满足控制数据采集过程中设置参数的需要。模型的发展与脉冲形成器的发展是并行的，形成的模型常可验证聚焦法及二维和三维偏移算法。

探地雷达系统的软件分两种。一种是控制软件，用于控制仪器，这种软件随着系统硬件的发展而不断更新。另一种是处理软件，包括带通滤波、频率－波数(f－k)滤波、偏移和反褶积等。处理软件的发展主要还处于移植地震处理的阶段。

带通滤波可以滤掉信号中的低频振荡和高频噪声等成分．水平滤波则可以消除背景噪声。滤波器的参数主要根据对反射信号宽度和子波长度分析而设定。

由于信号和噪声一般可在一维空间重叠，但不会同时在频率和波数二维空间上都发生重叠。因此，f－k滤波效果更好。

另外，f一k滤波还可以消除由于地表类点状反射体和测量装置引起的斜反射。总的说来，滤波处理对消除雷达数据的噪声是比较有效的。

反褶积是一种特殊的滤波方法，它可以消除天线的瞬变和多次反射，提高数据的垂向分辨能力。但是Pekka Maijala却指出，由于地下介质的复杂性和噪声影响，反褶积处理的效果较之原始数据并没有较大的提高，并且反褶积处理中还存在着寻找适当的处理参数问题。当然，对于简单的层状结构物，有可能得到适当的参数，从而获得较好的处理结果。Maijala还认为，反褶积处理只有助于GPR剖面上半部分的解释。

偏移处理是用于消除在数据采集过程中引起的畸变的二维成像处理方法。这种畸变是由于天线具有一定的辐射波束宽度，造成似点状反射体所出现的剖面上双曲线形态，并使斜界面比真实的更倾斜些，偏移可以把双曲线两叶上的能量回归到顶点上，偏移方法对于地下介质比较均匀的雷达剖面，有较好的效果。

但对于一个长的雷达剖面来说，由于地下介质在侧向和垂向方向上都有较大的变化，偏移处理的实用价值还是有限的。

(中国地质大学左峥嵘撰)