探地雷达技术的发展及其在公路工程中的应用综述王春晖,杨强,陈长,孙立军(同济大学,上海市200092)摘要:该文首先介绍了探地雷达(GPR)的基本原理,回顾了探地雷达技术发展的历史及应用现状,根据现有的发展水平对其技术前景给出了预测。结合现代路面无损检测技术提出了其在公路工程领域的广泛应用前景。关键词:路面;探地雷达;无损检测探地雷达(GPR)技术是地球物理学领域的一项新技术。近10年来,该项技术在我国兴起并出现了前所未有的发展。人们普遍认为,该项技术已经具备一定的成熟度。在GPR技术的发展过程中,各种相关技术也处在广泛发展和应用的时期,这必然有利于GPR技术与其他相关技术结合,迅速拓展其应用范围及领域。本文的目的是总结该技术方法的发展过程,探讨探地雷达概念的提出在1910年,当时,Letmbach和Lawy在一项德国专利中提出了探测埋藏物体的方法,他们将偶极天线埋设在两孔洞中进行发射和接收由于高电导率的媒质对电磁波的衰减作用,通过比较不同孔洞之间接收信号的幅度差别,可以对媒质中电导率高的部分进行定位,这时才正式提出了探地雷达的概念。一般认为,第一个提出应用脉冲技术确定地下结构思路的人是德国的Hulsenbech,他于1926年指出,电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生反射,这个结论也成为了探地雷达研究领域的一条基本理论根据。其后50年用脉冲技术探测地下目标得到了一定程度的发展,但由于地下介质具有较强的电磁衰减特性,加之地质情况的多样性,电磁波在地下传播要比在空气中复杂得多。因此,探地雷达的初期应用仅限于对电磁波吸收很弱的冰层、岩盐等介质中。如1951年,Steenson用雷达探测冰川的厚度;1970年Hatison在南极冰层上,取得了800～1200m穿透深度的资料;1974年,Unterberger探测盐矿夹层等。自20世纪70年代以来,随着电子信息技术的发展以及现代数据处理技术的广泛应用,国外开始出现各种形式的试验性探地雷达,美、日、加拿大等国有几家公司还相继推出了自己的产品,如美方法原理简介1探地雷达是探测地表下结构和埋设物的新型无损探测仪器,它利用电磁波对地表的穿透能力,从地表向地下发射某种形式的电磁波,电磁波在地下介质特性变化的界面上发生反射,通过接收反射回波信号,根据其延时、形状及频谱特性等参数,解译出目标深度、介质结构及性质。在数据处理的基础上,应用数字图像的恢复与重建技术,对地下目标进行成像处理。2技术发展过程回顾及前景展望2.1探地雷达技术整体发展路线及工程领域应用1904年,德国人Hutsemeyer首次尝试用电磁波信号来探测远距离地面金属体,这是探地雷达的雏形。收稿日期:2006-12-23作者简介:王春晖,男,硕士研究生.E-mail:congrong_007@yahoo.com.cn212中外公路27卷有以下几种:①美国地球物理探测设备公司(GSSI)的SIR系列;②加拿大探头及软件公司(SSI)的PulseEKKO系列;③日本应用地质株式会社(OYO)的GEORADAR系列;④瑞典地质公司(SGAB)的RA2MAC/GPR钻孔雷达系统等。这些雷达所使用的中心工作频率在10～1000MHz范围,时窗在0～20000ns,探测深度超过4080m,分辨率达厘米级,深度符合率小于±5cm。就应用范围而言,这些探地雷达系统包括地面用,钻孔用和航空用;就雷达系统天线利用方式而言,有单基、双基和多基系统,三维GPR系统仍处于研制阶段。作为实用的探测工具,探地雷达能够在以下几方面发挥有效的作用:(1)探测海冰、湖冰厚度、湖底深度和结构,探测永久性冻土冰块。(2)探测煤层厚度,块状石灰岩深度。(3)岩体中断层、湿地破碎带、溶洞、金属矿体以及报废井孔等的探测。(4)测量土壤近似湿度及分布。(5)探测地下埋设的各种金属和非金属管道、电缆及光缆的科学资料。(6)寻找地下古迹。(7)探测公路结构层厚度及识别脱空,进行压实度及含水量的评价。2.2探地雷达技术现有发展状况特点分析及其技术前景展望2.2.1探地雷达技术目前的发展状况特点(1)GPR目前具有一定的发展基础。一些对基础物理学有所研究的研究者正在借此建立各种模型来完善GPR的研究。(2)尽管人们对混合材料的介电性质已经有了一定的认识,但是由于其复杂性及其相互影响,仍将继续成为人们研究的课题。(3)目前,由于软件及相应算法的不断更新,数据处理能力快速提高。GPR技术的相关仪器已...