探地雷達原理與應用（第2版）

探地雷達是用高頻無線電波來確定介質內部物質分佈規律及屬性的一種地球物理方法，它利用寬帶電磁波以脈沖形式來探測地表之下的物體或結構，或者確定不可視的物體或結構。經過幾十年的發展，探地雷達逐漸趨於成熟，且由於具有高分辨率、高效率等優點而廣泛應用於工程、環境和資源等淺部地球物理領域，取得了很好的效果。本書介紹探地雷達的基本原理、天線、系統、測量方法與技術、數據處理、解釋與模擬及其在不同領域中的應用。本書是在充分吸收國內外研究成果的基礎上編著而成的，目的是以教學用書的形式，為在校大學生和從事探地雷達研究與應用的工程技術人員提供一本內容詳細的教材或參考書。

目 錄
第1章 探地雷達的起源及特點 1
1.1 探地雷達的基本概念 1
1.2 探地雷達的發展歷史 1
1.3 探地雷達的優越性 5
1.4 探地雷達的局限性 6
1.5 探地雷達的發展趨勢 6
1.6 探地雷達的應用 7
習題 8
參考文獻 8
第2章 探地雷達的電磁基礎 11
2.1 電磁波傳播的基本規律 11
2.1.1 電磁波譜 11
2.1.2 麥克斯韋方程組 12
2.1.3 本構關系 13
2.1.4 探地雷達方法中電磁波的波動性 14
2.1.5 電磁波的橫波性質 15
2.1.6 能流密度矢量 16
2.1.7 電磁位函數 17
2.2 平面電磁波 18
2.2.1 理想介質中的平面波 18
2.2.2 導電介質中的平面波 23
2.2.3 平面波的極化 26
2.2.4 平面波的反射和透射 29
2.2.5 多層介質錶面的正入射 35
2.2.6 電磁散射 37
2.2.7 色散和群速 40
習題 41
參考文獻 41
第3章 介質的電性質及對電磁波傳播參數的影響 42
3.1 介質的電性參數 42
3.1.1 介質的電導率 42
3.1.2 電介質的極化和介電常數 42
3.1.3 礦物的電性質 43
3.1.4 岩石的電導率與介電常數 44
3.1.5 土壤的電導率和介電常數 47
3.1.6 植被的介電常數 48
3.1.7 永久凍土的電性參數 48
3.1.8 人造介質的電性參數 49
3.2 介質電性參數和介質電性參數模型 49
3.2.1 介質介電常數與電磁場頻率的關系 49
3.2.2 探地雷達平臺 51
3.2.3 混合介質的介電常數模型 52
3.2.4 介質的介電常數模型 53
3.3 電磁波傳播參數與介質電性質的關系 55
3.3.1 電性參數對相速度的影響 55
3.3.2 電性參數對衰減系數的影響 57
習題 58
參考文獻 58
第4章 探地雷達儀器系統和工作方法 59
4.1 探地雷達儀器和參數 59
4.1.1 探地雷達系統的信號調制方式 59
4.1.2 探地雷達系統的主要設計參數 61
4.2 時間域探地雷達 63
4.2.1 時間域探地雷達的基本原理 63
4.2.2 GSSI的SIR系列的構成和技術指標 64
4.2.3 加拿大EKKO系列探地雷達 65
4.2.4 RAMAC/GPR探地雷達系統 65
4.2.5 中國電波傳播研究所LTD-2100探地雷達 66
4.3 FMCW探地雷達 67
4.3.1 FMCW雷達探測的基本原理 67
4.3.2 FMCW探地雷達 69
4.4 步進頻率探地雷達 73
4.4.1 步進頻率探地雷達系統的基本原理 73
4.4.2 步進頻率探地雷達系統設計方案 74
4.4.3 步進頻率探地雷達實驗系統 75
4.5 脈沖探地雷達和步進頻率探地雷達的比較 76
習題 78
參考文獻 78
第5章 探地雷達天線 80
5.1 天線基本元的輻射 80
5.1.1 近區 81
5.1.2 遠區 81
5.1.3 中間區 82
5.2 天線的基本參數 83
5.2.1 天線效率 83
5.2.2 輸入阻抗 84
5.2.3 輻射方向圖（波瓣圖） 84
5.2.4 方向系數 85
5.2.5 極化 86
5.2.6 增益系數 86
5.2.7 有效長度 87
5.2.8 工作頻帶寬度 88
5.2.9 天線的屏蔽 88
5.2.10 接收天線的電參數 89
5.3 探地雷達的天線類型及輻射形式 89
5.3.1 天線在探地雷達系統中的作用 89
5.3.2 簡單的探地雷達輻射系統——線天線 89
5.3.3 從線性天線到圓錐形天線、領結形天線和圓柱形天線 91
5.4 常見探地雷達天線 93
5.4.1 5100型天線 94
5.4.2 3101D型天線 94
5.4.3 5103型天線 94
5.4.4 5106型天線 94
5.4.5 3207型天線和3207A型天線 95
5.4.6 3200 MLF型低頻天線 95
5.4.7 Subecho-40型和Subecho-70型天線 95
5.4.8 4108型角形天線 96
5.4.9 Vivaldi天線 96
習題 97
參考文獻 97
第6章 探地雷達工作方法 99
6.1 探地雷達的測量方式 99
6.1.1 反射測量方式 99
6.1.2 折射測量方式 101
6.1.3 透射測量方式 102
6.1.4 MIMO測量方式 102
6.2 探地雷達野外測量設計 102
6.2.1 探地雷達適用性評價 103
6.2.2 目標體特性和測量參數選擇 107
6.3 多極化測量 112
6.3.1 多極化測量實驗系統 112
6.3.2 野外多極化測量方式 113
6.3.3 多極化數據校正 115
6.4 探地雷達野外資料評價及註意事項 119
6.4.1 資料的驗收 119
6.4.2 實際測量中的註意事項及乾擾消除方法 119
習題 120
參考文獻 121
第7章 探地雷達的數值和物理模擬 123
7.1 射線追蹤法 123
7.1.1 計算方法原理 123
7.1.2 收斂性問題 126
7.1.3 雷達波的衰減問題 127
7.1.4 數值模擬計算 127
7.1.5 應用實例 128
7.2 有限元法 129
7.2.1 雷達波和地震波之間運動學規律的對比 129
7.2.2 雷達波有限元正演模擬的實施 130
7.2.3 數值模擬 131
7.3 時域有限差分法 134
7.3.1 FDTD基本原理 134
7.3.2 解的穩定條件和數值色散 138
7.3.3 吸收邊界條件 143
7.3.4 FDTD中的常用激勵源 145
7.3.5 計算實例 151
7.4 模型實驗 153
7.4.1 實驗1：直達波測量研究 153
7.4.2 實驗2：金屬管探測 154
7.4.3 實驗3：單層塑料板探測 155
7.4.4 實驗4：多層塑料板探測 155
7.4.5 實驗5：水池中小球模型探測實驗 156
7.4.6 實驗6：復雜結構的石蠟模型探測 156
習題 158
參考文獻 158
第8章 探地雷達數據處理 159
8.1 資料整理、數據處理技術要求 160
8.2 數據編輯 160
8.3 常規處理 161
8.3.1 數字濾波原理 161
8.3.2 反濾波（反捲積） 163
8.4 偏移處理 172
8.4.1 偏移歸位的概念 172
8.4.2 繞射掃描疊加 172
8.4.3 相移偏移法 173
8.4.4 基爾霍夫積分偏移法原理 176
8.5 探地雷達數據分析與增強處理 177
8.5.1 振幅恢復 177
8.5.2 道內均衡 178
8.5.3 道間均衡 178
8.5.4 希爾伯特變換與屬性分析 179
8.6 經驗模態分解與信號提取 181
8.6.1 經驗模態分解 181
8.6.2 整體經驗模態分解 183
8.6.3 完全總體經驗模態分解 184
8.6.4 變分模態分解 185
習題 193
參考文獻 193
第9章 探地雷達數據解釋 194
9.1 探地雷達數據解釋基礎和解釋流程 194
9.2 典型目標體探地雷達異常特徵 195
9.3 時間剖面的解釋方法 198
9.3.1 反射層的拾取 198
9.3.2 時間剖面的解釋 199
9.3.3 雷達波速度的求取 200
9.4 屬性解釋 203
9.5 頻散介質一維反演 204
9.5.1 最小二乘法的基本原理 205
9.5.2 反演算例 206
9.6 全波形反演 208
9.6.1 地面GPR全波形反演的發展歷史及現狀 208
9.6.2 時間域全波形反演 209
9.6.3 頻率域全波形反演 214
9.7 阻抗反演 219
9.7.1 阻抗反演的發展歷史及現狀 219
9.7.2 電磁學中的波阻抗 220
9.7.3 有限帶寬阻抗反演的基本原理 220
9.7.4 數值模擬算例 223
9.7.5 應用實例 224
9.8 多極化成像與目標識別 225
9.8.1 極化偏移成像 225
9.8.2 基於H-α分解的目標分類識別 228
9.8.3 基於Freeman分解的目標分類識別 232
9.9 人工智能解釋 234
9.9.1 探地雷達數據智能目標檢測與識別 234
9.9.2 基於深度學習的探地雷達數據智能反演 244
習題 250
參考文獻 250
第10章 鑽孔雷達 254
10.1 鑽孔雷達的發展歷史及現狀 254
10.2 鑽孔雷達的測量方式 255
10.2.1 單孔反射測量 256
10.2.2 跨孔測量 257
10.2.3 孔中-地面測量 258
10.2.4 定向鑽孔雷達 260
10.2.5 極化鑽孔雷達 262
10.3 鑽孔雷達數據處理 265
10.3.1 跨孔雷達層析成像 265
10.3.2 跨孔雷達全波形反演 273
10.4 鑽孔雷達應用實例 278
10.4.1 油田應用 278
10.4.2 礦山和煤田應用 281
10.4.3 水文、工程、環境地質中的應用 285
習題 293
參考文獻 293
第11章 機載探地雷達 295
11.1 發展歷史及現狀 295
11.2 固定翼飛機搭載的探地雷達 295
11.3 直升機搭載的探地雷達 298
11.4 無人機搭載的探地雷達 300
11.5 儀器系統及應用 307
習題 307
參考文獻 307
第12章 工程探測應用 309
12.1 公路工程探測領域 309
12.1.1 公路病害檢測 309
12.1.2 公路結構層厚度檢測 311
12.1.3 掌子面前方地質超前預報 313
12.1.4 隧道襯砌質量檢測 315
12.1.5 鋼筋質量檢測 319
12.2 水利工程探測領域 321
12.2.1 堤壩蟻巢、洞穴的探地雷達探測 321
12.2.2 水壩滲漏通道探測 322
12.2.3 水下工程隱患探測 323
12.2.4 江堤滑塌成因探測 324
12.3 電力工程探測領域 325
12.3.1 不良地質現象探測 325
12.3.2 岩性界面劃分 326
12.3.3 核電站選址勘察 327
12.3.4 灰壩滲漏探測 328
12.3.5 水電站壩基隱患探測 331
12.4 城市建設工程領域 332
12.4.1 地下管線探測 332
12.4.2 地下建築結構物探測 333
12.5 城市道路塌陷檢測 333
12.5.1 城市道路塌陷隱患成因 333
12.5.2 城市道路塌陷探地雷達探測 334
習題 335
參考文獻 336
第13章 水文地質領域 337
13.1 河道探測 337
13.1.1 古河道探測 337
13.1.2 河道堵塞現狀探測 339
13.2 潛水面探測 340
13.3 水深探測 341
13.4 凍土層探測 342
13.5 落水洞探測 344
13.6 水下結構物探測 345
13.7 地下水污染探測 347
習題 348
參考文獻 348
第14章 環境地質應用 349
14.1 地下岩溶探測 349
14.1.1 城市區域岩溶探測 349
14.1.2 鐵路路基地下岩溶探測 350
14.2 採空區與洞穴探測 351
14.2.1 採空區探測 351
14.2.2 土洞與人防工程探測 352
14.3 滑坡探測 354
14.4 地裂縫探測 355
14.5 活動斷層的探測與評價 356
14.6 垃圾掩埋場地選址與調查 358
14.7 地下廢棄物調查 359
14.8 油氣污染監測 359
習題 361
參考文獻 361
第15章 土壤探測與農業領域應用 362
15.1 土壤參數探測 362
15.1.1 土壤的電磁性質 363
15.1.2 土壤含水量探測 364
15.1.3 土壤地層學研究應用 369
15.1.4 泥炭濕地調查 370
15.1.5 土壤中植物根系的檢測 372
15.2 土壤層與基岩層深度探測 374
15.3 鹼化層厚度與含鹽度探測 375
15.3.1 鹼化層厚度探測 375
15.3.2 土壤鹽分和土壤質地 378
15.4 洪積扇區礫石層厚度探測 379
15.5 土壤污染探測 379
習題 381
參考文獻 381
第16章 考古探測應用 384
16.1 遺址勘查 385
16.1.1 基於三維陣列探地雷達系統的大規模考古遺址勘查 385
16.1.2 日本群馬縣浮石層下的遺址構造調查 387
16.1.3 古礦坑遺址探測 388
16.2 古墓勘查 389
16.2.1 日本南九州地下橫墓穴 389
16.2.2 西都原古墳群第100號墳 390
16.2.3 西都原古墳群第111號墳 392
16.2.4 德國中世紀教堂下墓葬 393
16.3 文物保護 394
16.3.1 古塔結構探測 394
16.3.2 意大利馬特拉岩石教堂壁畫保護 396
習題 398
參考文獻 398
第17章 極地與深空探測應用 400
17.1 極地探地雷達應用 400
17.1.1 中國南極考察隊獲得高分辨率三維冰下地形 401
17.1.2 日本南極考察隊獲得高分辨率三維冰下地形 401
17.1.3 機載雷達調查數據揭露格陵蘭和南極冰蓋冰下地形 402
17.2 極地內部冰層探測 403
17.3 極地冰底特徵探測 405
17.3.1 冰底單元 405
17.3.2 冰下湖探測 405
17.3.3 冰川下地下水位探測 407
17.4 極地冰內結構探測 408
17.4.1 極地積雪 408
17.4.2 藍冰 408
17.4.3 冰裂隙 410
17.5 月球探地雷達應用 411
17.5.1 嫦娥三號探月雷達 411
17.5.2 嫦娥四號探月雷達 414
17.5.3 嫦娥五號探月雷達 417
17.6 火星探地雷達 419
17.6.1 毅力者號RIMFAX 419
17.6.2 天問一號RoPeR 422
習題 424
參考文獻 424
第18章 地雷和未爆炸彈與穿牆探測 427
18.1 地雷和未爆炸彈 427
18.1.1 地雷 427
18.1.2 未爆炸彈 427
18.2 地雷和未爆炸彈探地雷達響應特徵 427
18.2.1 極化特徵 429
18.2.2 埋藏環境影響 430
18.2.3 雜波影響 430
18.3 專用探地雷達系統設計 431
18.3.1 工作頻帶 431
18.3.2 天線系統 431
18.3.3 系統穩定性 433
18.4 信號處理和成像 433
18.4.1 處理流程 433
18.4.2 探地雷達測量地表地形 435
18.4.3 多次覆蓋提高信雜比 436
18.4.4 偏移成像 438
18.5 穿牆雷達探測 439
18.5.1 超寬帶MIMO雷達穿牆成像基礎 440
18.5.2 超寬帶MIMO雷達穿牆成像算法 442
習題 447
參考文獻 447