1 引言
探地雷达（Ground penetrating radar，GPR）是以探察地下不同介质的电磁性质（介电常数、电导率、磁导率）的差异为物理前提的一种射频（0.10~3GHz）电磁技术。GPR发射天线发射的电磁波在地层中传播时，如果遇到电磁性质不同的物体（目标），将发生前向和后向的散射。散射波在多个目标之间以及目标内部还会形成新的散射。向地面传播的散射波将被接收天线接收。随着天线的移动，GPR记录到各测量点处的电磁波信号，经过数学处理和分析后可判断地质分层情况和各层的材质等，同时可以识别地下目标体。
探地雷达存在许多名称，例如大地探测雷达（Ground-Probing Radar）、次表层雷达（Subsurface Radar）、地质雷达（GeoRadar）、脉冲雷达（Impulse Radar）、表面穿透雷达（Surface Penetrating Radar）等。与传统方法及其他无损检测或地球物理勘探方法相比，探地雷达具有许多应用优势：
1）无损性：探测时无需接触，不会对被测介质造成任何损伤；
2）高分辨率：探地雷达采用高频电磁波，工作频率最高可达GHz级，发射的子波宽度非常窄，纵向分辨率可以达到厘米级；
3）高效率：设备轻便，操作简单，采样和接收时间短，可进行连续测量，从数据采集到信号处理实现一体化，能够在工程应用中满足实时检测需求；
4）抗干扰能力强：天线通常采用屏蔽式结构，受杂波影响较小；
5）探测结果直观：探地雷达探测结果为剖面图形式，能够直接显示地下目标与结构，工程人员可以直接利用剖面图对地下结构的内部状况进行判断。
基于这些优点，近年来探地雷达技术已广泛应用于多个领域，包括公路路面、桥梁结构、铁路路基、隧道挖掘、国防安全、建筑结构、深空探测、考古、探矿、机场建设、风蚀沙丘、海岸环境、地雷与未爆物探测等。
2 探地雷达探测原理
实际探地雷达测量中，发射天线和接收天线通常贴近地面，发射天线向地下定向辐射电磁波。电磁波在地下介质中传播时，当地下介质分界面两边介质的波阻抗不连续，电磁波会在分界面上产生反射或折射，发射或折射回的电磁波被接收天线所接收，依据接收天线接收到的回波信号来对地下情况进行解释。图1为探地雷达探测原理和探测结果简单示意图。
图1 探地雷达探测原理和探测结果简单示意图（引自文献[1]）
因为电磁波在地下介质中的传播规律与弹性波相似，地震勘探中常用的测量方法也被应用到探地雷达勘探中。常用的探地雷达测量方式有反射、折射和透射三种测量方式。其中反射测量方式为人们常用的探地雷达测量方式。反射测量方式主要有两种，分别为剖面法和宽角法。
（1）剖面法
剖面法是发射天线和接收天线以固定偏移距沿测线同步移动的一种测量方式，图2a为剖面法测量示意图。当发射天线和接收天线合二为一时，称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测量结果一般以剖面图的图件形式来表示。剖面图的横坐标一般表示的是天线在地表的位置，纵坐标一般为反射波的双程旅行时。双程旅行时表示的是雷达子波通过发射天线辐射出去后，被地下界面反射回到接收天线所用的时间。剖面图能直观的反映测线下方反射界面的形态。图2b为常见的剖面图结果。
(a)剖面法测量示意图 (b)剖面法结果
图2 探地雷达剖面法示意图和结果（引自文献[1]）
为了增加探地雷达的勘探深度，探地雷达借鉴地震勘探上多次覆盖观测技术。该技术采用不同偏移距的发射-接收天线在同一测线上进行重复测量，然后对相同位置点的测量记录进行叠加。
（2）宽角法
宽角法是固定一个天线与地面某一测点，沿测线移动另一个天线，记录地下各个不同反射界面的反射波旅行时。宽角法测量方式同地震勘探上的共中心点法(CMP)和共深度点法(CDP)相似。宽角法也可以利用两个天线，在保持中心点位置不变的情况下,不断改变两个天线之间的距离，记录反射波的双程旅行时，这种测量方式称为 CMP， CMP 测量方式如图3所示。当固定发射天线，而沿测线移动接收天线，这种测量方式称为 CDP， CDP 测量方式如图4所示。采用CMP 或 CDP 的主要目的是获取地下介质的电磁波传播速度。当地下反射面水平时，两种测量方式获得的结果相同。
图3 CMP测量方式示意图（引自文献[1]）
图4 CDP测量方式示意图（引自文献[1]）
通过CMP或CDP获得测量结果后，利用速度谱方法我们就可以很好地获取电磁波在地下介质中的传播速度。
提高探地雷达的探测分辨率，数据处理只是后续处理手段，前提是获取高质量的雷达记录。而要获取高质量的雷达记录，我们除了要采用合理的测量方式外，还要选择合适的测量参数。探地雷达测量时，需要选择的测量参数主要有天线中心频率、时窗、采样率、增益、测点间距离、发射与接收天线间距。
3 探地雷达在浅地表地球物理科学技术中的应用
（1）沙丘内部结构及形成机理
随着亚洲内陆干旱化、水资源与生态恢复、沙尘暴源区等研究的不断深入，风沙形成的机理研究已成为国内外十分关切的问题。虽然人们对沙丘表面地貌已有较多的了解，但沙丘的内部结构对地下水运移、沙丘间湖泊形成的影响却知之甚少。解释高大沙丘的成因需将表面地貌和内部结构统一考虑。探地雷达是了解沙山内部结构最为有效的探测手段。
图5 (a)沙丘形成、堆积、迁移的示意图;
（b）100MHzGPR在庙海子沙丘西坡（迎风坡）的探测结果（水平长度80m，高差20m）;
（c）50MHzGPR在巴丹湖沙丘横断面的探测结果（沙丘内部结构及潜水面清晰可见，水平长度75m,高差20m）CDP测量方式示意图（引自文献[2]）
利用探地雷达反射剖面技术，Qian和Liu（2015）研究了巴丹吉林沙漠中两个典型的沙丘的内部结构，如图5所示。巴丹吉林沙漠中的沙丘的主要走向是NNE，而主要风向是NWW，主要风向与沙丘主要走向基本正交。
（2）多年冻土现状，演化及对基础设施地基稳定性的影响
随着对多年冻土区研究的深入，探地雷达以其快速、高效、无损等优点，从20世纪90年代开始被广泛应用。探地雷达用于多年冻土的研究主要在于如下几个方面：１）永久冻层中冰体的大小，形态与分布；２）热状态的成层结构；３）季节活动层中含水量的空间变化；更具有挑战性的还有４）永久冻层下界面的形态。
（3）民用基础设施地基及堤坝中的空洞和软弱带的检测
探地雷达作为无损检测与探伤的一个重要手段已在工程实践中得到广泛应用。在这一应用领域，有两个方面的问题须研究者予以特别注意。1）空洞或软弱带大小与雷达波长之间的相对关系；２）探地雷达一定要与其他探测手段联合使用以检测结果的准确性。当空洞或软弱带的尺寸远大于雷达波长时，这应是最简单最容易探测的情况。几何波动学的原理雷达适用。空洞或软弱带的尺寸和形状应该得到最好的描述。当空洞或软弱带的尺寸小于雷达波长，不管是使用雷达或其他基于波动理论的探测方法，基本上已无法区分出独立的空洞或软弱带。但是，利用有效介质理论探地雷达仍有可能对软弱带的大小和弱化程度做出一定评估。、
（4）灾害现场生命探测与救援
进行灾害现场的生命探测与救援时，探地雷达主要是靠探测伤员的呼吸运动或者移动来工作的。雷达天线连续发射电磁波，对一定空间进行扫描，接收器不断接收到反射波并对返回信号进行算法处理。基于这样的工作原理，所以，探地雷达搜救既不受视频监测系统的视野的限制，也不受救援现场复杂介质造成的杂散波的影响。假如被探测者已死亡，返回信号是相同的。假如目标在动，则信号有差异。通过对不同时间段接收的信号进行比较等算法处理，就可以判定目标是否在活动。呼吸与心跳是两个最重要的生命体征。呼吸运动造成的胸腔运动幅度可达1~2cm；有规律而且频率较低，一般是0.1~0.4Hz，因此，可以把呼吸运动和其他较高频率的运动区分开来。由于心跳幅度较小，探地雷达很难在复杂的救灾现场探测到心跳信号。
Liu等（2014）使用的搜救现场模型有两个被压在建筑物废墟水泥块下的伤员（图6）。离雷达天线比较远的伤员1的呼吸频率在0.12Hz，离雷达天线比较近的伤员2的呼吸频率是0.35Hz。伤员1取腹卧式；伤员2取右向侧卧式。实验结果表明，被探测者的姿势对呼吸运动信号的探测无重大影响。
图6 (a)探地雷达探测建筑物废墟下伤员的生命体征数值模型;
（b）两个伤员的生命体征（呼吸运动）在雷达记录上的表现特征（引自文献[2]）
在利用探地雷达进行灾害现场的生命探测救援这一研究领域亟待解决的问题有：增大雷达探测的有效搜救范围；废墟或障碍物内伤员的高速、准确定位；搜救人员自身生命体征干扰的有效消除。这些都需要在探地雷达硬件、软件两方面进行改善，以适用于复杂的现场搜救条件。
参考文献
[1] 张先武. 探地雷达深度分辨率及其增强方法研究[D]. 中国科学院大学, 2013.
[2] 刘澜波, 钱荣毅. 探地雷达：浅表地球物理科学技术中的重要工具[J]. 地球物理学报, 2015, 58(8): 2606-2617.