第一章前言1.1应用范围地质雷达利用主频为数十兆赫至千兆赫波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由地面通过天线发射器发送至地下，经地下目的体或地层的界面反射后返回地面，为雷达天线接受器所接受，通过对所接受的雷达信号进行处理和图像解译，达到探测前方目的体的目的。由于地质雷达探测速度快、精度高，以及对原物体无破坏作用，所以在工程领域中有广泛的应用。地质雷达目前已经广泛应用于如下方面：探测松散堆积层与基岩界面探测地下水的水位线探测软弱破碎带（断层）的位置及规模对规模较大的裂隙及洞穴的位置和规模的确定坑道开挖掌子面前50米范围内的地质构造和地质灾害预测公路路基场坪地基混凝土结构质量检测各类地下管线探测地下埋设物探测防空洞位置探测超浅层地基探测隧道砼厚度与钢支撑密度施工质量检测地基注浆质量检测飞机场跑道、滑行道、停机坪病害及施工质量检测铁路路基与高速公路路基病害及施工质量检测地下及隐蔽工程水渗漏检测圈定人工填土范围与掩埋沟渠地基土壤污染圈定正是由于地质雷达有着很好的应用效果，从八十年代起，世界上许多国家都对它进行了不断的研究与开发。随着电子技术和计算机技术的发展，这种研究开发仍在继续。1.2雷达探测的基本原理地质雷达是一种电磁探测技术。静止的电荷分布或电流分布，激发稳定电场。稳定电场不随时间变化，不向外辐射能量。如果场源的电流随时间变化，就激发变化的电场，变化的电场在其周围激起变化的磁场，变化的磁场又要激起变化的电场，变化的电场和磁场由近及远地传播出去，形成电磁场。在无源空间中，电磁场的发射、传播、反射、折射及绕射满足如下的麦克斯韦尔方程：(1-1)一(1-1)-H盲一 aBVxE=_一 aBVxE=_af(1-2)(1-3)(1-4)其中：D=sEB=sHv・D=0通过对式（1-1）和式（1-4）求解，可得：其中：v2E1aE2V2at2V2其中：v2E1aE2V2at2V2H=1aH2V2at21-5)—>从上两式中可以看出，该方程组具有波动方程的形式。这充分表明电磁场矢量H和E在自由空间中有一定速度，以波的形式传播。1.2.1平面电磁波在均匀导电媒介中的传播电磁波在均匀导电介质中传播，即要考虑传导电流的影响，也要考虑位移电流的影响。假设平面电磁波沿Z的正方向，亥姆霍斯方程为：d2E(z)dz2d2H(z)dz2+k'H(z)1-7)(1-8)通过求解上式并乘上时间因子eiet，得场矢量E（z,t）二Ee一bzei（血—az）

0H（z,t）二He一bzei（血一az）0其中：.冠[{(J+(丄)2)+诂2 \ 曲1 v 1b〜叫屮+(去)2)一1]21-9)1-10)1-11)1-12)由此可见，在导电介质中传播的平面电磁波，在传播方向上波的振幅按指数规律衰减。a表示每单位距离落后的相位，称为位相常数；b表示每单位距离衰减程度的常数，称衰减常数。知道了常数a,就可由ev二—

a求出电磁波在导电媒介中的传播速度。a、b的值完全由导电介质的性质和电磁波的角频率决定。平面电磁波在良导电均匀媒介中的传播对于铜、铁等良导电媒介质，其电导率很大，即Y很大，由式（1-12）看到衰减常数b也很大，因此，电磁波在良导电媒质中传播时，场矢量的衰减很快，电磁波只能透入良导体表面的薄层内（电磁波只能在导体以外的空间或电介质中传播），这种现象称为趋肤效应。在z=1/b处，振幅为EJe,即场矢量的振幅在导体内的1/b处，已衰减到表面处的1/e,这时，电磁波透入导体内的深度称为穿透深度，或趋肤深度，用§表示：8=1/b，把b代入上式，经过简化可得：8二1= （1-13）b2兀1这表明电磁波进入良导体的深度是其波长的 倍，高频电磁波透入良导体的深度很2兀小。当频率是100Mhz时，8=0.67x10-3cm。可见，高频电磁波的电磁场，集中在良导体表面的薄层内，相应的高频电流也集中在该薄层内流动。电磁波的反射波动方程和有关的传播与衰减常数描述了电磁波的运动。其中，引起电磁波衰减和传播的两个主要电性是电导率和介电常数。而对于应用高频电磁波的地质雷达来说，其发射电磁波的频率范围、被探测目的体的电导率和介电常数均影响着电磁波的传播。地质雷达利用高频电磁脉冲波的反射原理来实现探测目的，其反射脉冲信号的强度不仅与传播介质的波吸收程度有关，而且也与被穿透介质界面的波反射系数有关。垂直界面入射的反射系数R的模值和幅角，可表示如下：R|=\：(a2-b2)2+(2absin©)2/(a2+b2+2abcos©)(1-14)ArgR=6=tan-1(0/曲)—tan-1(—0/曲)2211(1-15)式中：a=p/p21(1-16)b= £■V1+(o/es)2/.-p£11+(o/es)222 2 2 111 1(1-17)、£和b分别表示介质的导磁系数、相对介电常数和电导率。角标1和2分别代表入射介质和透射介质。上式可以看出，反射系数与界面两边介质的电磁性质和频率有关。两边介质的电磁参数差别越大，反射系数也大，同样反射波的能量亦大。1.3地质雷达野夕卜工作方式地质雷达利用主频为数十兆赫至千兆赫波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由地面通过天线发射器（T）发送至地下，经地下目的体或地层的界面反射后返回地面，为雷达天线接受器（R）接受，其工作原理如图1-1：r~i!£目发时界（nr~i!£目发时界（n議蜩（r>图1-1地质雷达工作原理示意图脉冲波的行程为：It=*4z2+X2/v （1-18）式中：t：脉冲波走时（ns,1ns=10-9s）z：反射体深度（m）x：T与R的距离（m）v：雷达脉冲波速（m/s）地质雷达的天线发射及接受器有单置式和双置式之分，单置式为发射与接受器同置一体，双置式为反射与接受分体。使用单置式天线计算探测目的层深度的计算式为：xZ二， （1-19）耳）2-10使用双置式天线计算探测目的层深度的计算