返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5 探地雷达
探地雷达 （ Ground Penetrating Radar简
称 GPR）是用频率介于 106～ 109Hz的 无线电
波 来确定地下介质分布的一种方法。
对称振子型调幅脉冲时域探地雷达 输出
功率大, 能实时监测测量结果, 设备可做成
便携式等优点, 在商用地面探地雷达中, 已
得到广泛应用 。 下面主要介绍这种探地雷达 。
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.1 脉冲时间域探地雷达的基本原理
脉冲时间域探地雷达利用超高频短脉冲电
磁波在地下介质中的传播规律来探测地下介质
的分布 。 因为 ① 任何脉冲波都可以分解成不同
频率的单谐波； ② 对称振子型, 发射和接受天
线间距离很小 。 因此 电偶极源产生的单谐电磁
波场及传播特征是探地雷达的理论基础 。
4.5.1.1 电偶极源的电磁场
1,均匀介质中的电磁场
返回返回成都理工大学信息工程学院
水平电偶极子源在主剖面中的辐射场为
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
r
x
r
ep
H
r
z
r
ep
H
r
ep
E
i k r
y
i k r
x
i k r
y
?
?
?
?
?
??
4
k
4
k
4
2
（ 2,4 - 25 ）
特点, 在主剖面中，电场和发射天线 （ 偶极子轴 ）
方向平行，而磁场与圆心位于原点的同心圆的切线
方向一致。
返回返回成都理工大学信息工程学院
1,电磁波在介质中的传播速度
探地雷达测量的是地下界面的反射波的 走时,为了
获取地下 界面的深度,必须要有介质的 电磁波传播速度
v
，其值为
2/12
)]1)(1(
2
[
?
????
??
???
?
?
v
（ 2.4 - 27 ）
返回返回成都理工大学信息工程学院
绝大多数岩石介质属 非磁性、非导电介质,常常满
足
1??
??
?
，于是可得
r
c
v
?
?
（ 2.4 - 28 ）
式中
c
为真空中电磁波传播速度,r
m / n s ;3.0 ??c
为相
对介电常数。 上式表明对大多数非导电、非磁性介
质来 说，其电磁波传播速度
?
主要取决于介质的介
电常数。
返回返回成都理工大学信息工程学院
2,电磁波在介质中的吸收特性
吸收系数 ? 决定了场强在传播过程中的衰减速率，
探地雷达工作频率高，在地下介质中以位移电流为
主，即
1/ ?????
，这时 ? 的近似值为
?
??
?
2
??
（ 2.4 - 2 9 ）
即
?
与导电率成正比，与介电常数的平方根成正
比。
返回返回成都理工大学信息工程学院
表 2.4.2 列出了一些常见介质的相对介 电常数、导
电率、传播速度与吸收系数 。 注意 高阻与低阻介质
的 r
?
、
?
、
?
,? 的不同。
表 2,4,2 介质相对介电常数 r
?
、导电率
?
、速度
?
与吸收系数
?
媒 质
r
? m S / m )(? )m / n s(? d B / m )(?
空 气 1 0 0,3 0
淡 水 80 0.5 0.033 0.1
海 水 80 3 ? 10
4
0,01 10
3
干 砂 3~5 0.01 0.15 0,01
饱和砂 20~30 0,1~1.0 0.06 0.03~0.3
石灰岩 4~8 0.5~2 0.12 0.4~1
泥 岩 5~15 1~100 0.09 1~100
粉 砂 5~30 1~100 0.07 1~100
粘 土 5~40 2~1000 0.06 1~300
花岗岩 4~6 0.01~1 0.13 0.01~1
岩 盐 5~6 0.01~1 0.13 0.01~1
冰 3~4 0.01 0.16 0.01
返回返回成都理工大学信息工程学院
垂直极化波 （ 电场矢量垂直入射面 ） 在界面的
反射与折射,
电磁波在跨越介质交界面时,紧靠界面两侧的电场
强度和磁场强度的切向分量 分别相等, 则得
?
?
?
??
??
ttrrii
tri
HHH
EEE
??? c o sc o sc o s （ 2.4 - 30 ）
返回返回成都理工大学信息工程学院
令 itir EETEER /,/ 1212 ??,分别表示波从介质 1 入射
到介质 2 时界面的反射系数和折射系数。
?
?
?
?
?
???
?????
)s i n/ ( c o sc o s2
)s i n/ ( c o s)s i n( c o s
22
12
2222
12
iii
iiii
nT
nnR
???
????
（ 2.4 - 31 ）
其中
n
表示折射率，
*
11
*
22
/ ?????n
。
返回返回成都理工大学信息工程学院
下面讨论 不同入射角时，反射系数
12
R 与折射系数
12
T
的 变化规律 。
1,
0?
i
?
，即垂直向射，此时
)1/(2);1/()1(
1212
nTnnR ?????
。当
1?n
时，
0
12
?R
，
1
12
?T； r
E
与
i
E 反向，
r
H
与 i
H
同向。当
1?n
时，则与
上述情况相反。
返回返回成都理工大学信息工程学院
2,
??? 90,s in
ti
n ??
。于是折射波沿界面在
介质 2 中“滑行”，并折向第 1 介质，而无向下传
播的波。这时的入射角称为 临界角
c
?
。
目前常用的时域探地雷达测量方式有 剖面法
和宽角法 两种。
返回返回成都理工大学信息工程学院
l,剖面法与多次覆盖
（ 1） 剖面法
剖面法是发射天线 （ T） 和接收天线 （ R）
以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式 。
（ 2） 多次覆盖
应用不同天线距的发射 —— 接收天线在
同一测线上进行重复测量, 然后把测量记录
中相同位置的记录进行叠加, 这种记录能增
强对深部地下介质的分辨能力 。
返回返回成都理工大学信息工程学院
2, 宽角法或共中心点法
2
2
2
2
2
4
v
h
v
x
t ??
（ 2.4 - 36 ）
利用宽角法或共中心点法测量所得到的地下
界面反射波双程走时
t
，由公式 （ 2.4 - 36 ） 就可求得
到地层的电磁波速度。
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.2.2 探地雷达的技术参数
1,分辨率
分辨率是方法分辨最小异常体的能力 。 分辨
率可分为垂向分辨率与横向分辨率 。
（ 1） 垂向分辨率
一般把地层厚度 b=λ／ 4作为垂直分辨率的 下限 。
（ 2） 横向分辨率
返回返回成都理工大学信息工程学院
2/hr
f
??
（ 2, 4 - 37 ）
2, 探测距离与探距方程
]l g [10
m i n
T
s
W
W
Q ?
（ 2.4 - 38 ）
返回返回成都理工大学信息工程学院
雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗 Q 可由
雷达探距方程 来描述。
)
64
l g (10
43
42
r
egGG
Q
r
rtrt
?
????
??
?
（ 2,4 - 39 ）
满足 Q
s
+ Q >0 的距离
r
，称为探地雷达的探测距
离，亦即处在距离 r 范围内的目的体的反射信号可
以为 雷达系统所探测 。
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.2.4 探地雷达测量的设计
1,目的体特性与所处环境分析
（ 1） 天线中心频率选择
（ 2） 时窗选择
（ 3） 采样率选择
（ 4） 测点点距选择
（ 5）天线间距选择
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.3 探地雷达的数据处理与资料解释
4.5.3.1 探地雷达的数据处理
数字记录的探地雷达数据类似于 反射地
震 数据, 反射地震数字处理许多有效技术通
过某种形式改变均可以应用于探地雷达资料
的处理 。
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.3.3 探地雷达的资料解释方法
（ 补充速度的求取 ）
1,时间剖面的解释方法
（ 1） 反射层的拾取
（ 2） 时间剖面的解释
2,资料解释的 专家系统 介绍
(1） 对雷达图像信息进行反褶积处理 。
（ 2）利用自动识别系统
（ 3）根据专家领域知识进行地层性质判别
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.4探地雷达的应用
4.5.4.1在工程地质勘察中的应用
1．基岩面的探地雷达探测
广州 ×× 花园。第四系地层覆盖在基岩
（灰岩）上。第四系地层为淤泥、粉质粘土
与砂，比较松软；其下为灰岩，有较高的承
载力。建筑物拟采用预制桩桩基础。图 2.4.34
为该场地地层的探地雷达图像，
图 2.4.34 灰岩与覆盖
地层的探地雷达图像
返回返回成都理工大学信息工程学院
2,岩溶地区的探地雷达探测
岩溶（又称喀斯特）是指碳酸盐岩等可溶
性岩层受水的化学和物理作用所产生的沟槽裂
隙和空洞，以及由于空洞顶板塌落使地表产生
陷穴、洼地等现象和作用的总称。
（ 1） 节理裂隙岩溶
图 2.4.36为湖北黄石某地裂隙溶蚀带的探地
雷达图像。
图 2.4.36 裂隙岩溶的探地雷
达图像
返回返回成都理工大学信息工程学院
（ 2） 溶蚀沟槽
灰岩长期出露地表时，其表面遭受风化后
强度降低。灰岩表面地形变化剧烈的地方，会
由于地表的大径流，使其表面受强烈侵蚀而形
成 溶沟、溶槽 。
图 2.4.37为广州花都市某处溶蚀沟的探 地
雷达图像。
图 2.4.37 溶蚀沟的探地
雷达图像
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.4.2 在地基基础施工中的应用
1,探地雷达在桩基础施工障碍成因调查中的
应用
图 2.4.39为 基岩破碎带的探地雷达图像特征 。
图 2.4.39 基岩破碎带探地雷达图像
返回返回成都理工大学信息工程学院
（ 2） 桩基础下异常性质判断
本场地为紧靠长江的滩地, 为防洪在地表下
填充了大量杂填土 。 当杂填土中存在建筑垃
圾等杂物时, 便形成了与周围介质差异极大
的强, 宽反射波, 这类异常没能在周围测线
形成有规则的排列, 故定为硬性杂物, 见图
2.4.41（ a） 。
当杂填土堆积比较疏松, 形成杂填土中的不
密实区, 这类填土可能是生活垃圾等细软物
质, 形成同相轴杂乱的反射波, 见图 2.4.41
（ b） 。
图 2.4.41 三种地下异常的探地雷达图像
返回返回成都理工大学信息工程学院
（ 2） 地下顶管前方障碍物探查
图 2.4.43为 1#管超前探测环形剖面雷达图像，
图 2.4.44为 1#管线地表剖面的雷达图像
图 2.4.43 1
#
管超前预报环形剖面雷达图像
1
#
顶管面前方 10~14.5m 有孤立的接近
0.3m 的块石
图 2.4.44 1
#
管线地表剖面雷达图像
4.5 探地雷达
探地雷达 （ Ground Penetrating Radar简
称 GPR）是用频率介于 106～ 109Hz的 无线电
波 来确定地下介质分布的一种方法。
对称振子型调幅脉冲时域探地雷达 输出
功率大, 能实时监测测量结果, 设备可做成
便携式等优点, 在商用地面探地雷达中, 已
得到广泛应用 。 下面主要介绍这种探地雷达 。
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.1 脉冲时间域探地雷达的基本原理
脉冲时间域探地雷达利用超高频短脉冲电
磁波在地下介质中的传播规律来探测地下介质
的分布 。 因为 ① 任何脉冲波都可以分解成不同
频率的单谐波； ② 对称振子型, 发射和接受天
线间距离很小 。 因此 电偶极源产生的单谐电磁
波场及传播特征是探地雷达的理论基础 。
4.5.1.1 电偶极源的电磁场
1,均匀介质中的电磁场
返回返回成都理工大学信息工程学院
水平电偶极子源在主剖面中的辐射场为
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
r
x
r
ep
H
r
z
r
ep
H
r
ep
E
i k r
y
i k r
x
i k r
y
?
?
?
?
?
??
4
k
4
k
4
2
（ 2,4 - 25 ）
特点, 在主剖面中，电场和发射天线 （ 偶极子轴 ）
方向平行，而磁场与圆心位于原点的同心圆的切线
方向一致。
返回返回成都理工大学信息工程学院
1,电磁波在介质中的传播速度
探地雷达测量的是地下界面的反射波的 走时,为了
获取地下 界面的深度,必须要有介质的 电磁波传播速度
v
，其值为
2/12
)]1)(1(
2
[
?
????
??
???
?
?
v
（ 2.4 - 27 ）
返回返回成都理工大学信息工程学院
绝大多数岩石介质属 非磁性、非导电介质,常常满
足
1??
??
?
，于是可得
r
c
v
?
?
（ 2.4 - 28 ）
式中
c
为真空中电磁波传播速度,r
m / n s ;3.0 ??c
为相
对介电常数。 上式表明对大多数非导电、非磁性介
质来 说，其电磁波传播速度
?
主要取决于介质的介
电常数。
返回返回成都理工大学信息工程学院
2,电磁波在介质中的吸收特性
吸收系数 ? 决定了场强在传播过程中的衰减速率，
探地雷达工作频率高，在地下介质中以位移电流为
主，即
1/ ?????
，这时 ? 的近似值为
?
??
?
2
??
（ 2.4 - 2 9 ）
即
?
与导电率成正比，与介电常数的平方根成正
比。
返回返回成都理工大学信息工程学院
表 2.4.2 列出了一些常见介质的相对介 电常数、导
电率、传播速度与吸收系数 。 注意 高阻与低阻介质
的 r
?
、
?
、
?
,? 的不同。
表 2,4,2 介质相对介电常数 r
?
、导电率
?
、速度
?
与吸收系数
?
媒 质
r
? m S / m )(? )m / n s(? d B / m )(?
空 气 1 0 0,3 0
淡 水 80 0.5 0.033 0.1
海 水 80 3 ? 10
4
0,01 10
3
干 砂 3~5 0.01 0.15 0,01
饱和砂 20~30 0,1~1.0 0.06 0.03~0.3
石灰岩 4~8 0.5~2 0.12 0.4~1
泥 岩 5~15 1~100 0.09 1~100
粉 砂 5~30 1~100 0.07 1~100
粘 土 5~40 2~1000 0.06 1~300
花岗岩 4~6 0.01~1 0.13 0.01~1
岩 盐 5~6 0.01~1 0.13 0.01~1
冰 3~4 0.01 0.16 0.01
返回返回成都理工大学信息工程学院
垂直极化波 （ 电场矢量垂直入射面 ） 在界面的
反射与折射,
电磁波在跨越介质交界面时,紧靠界面两侧的电场
强度和磁场强度的切向分量 分别相等, 则得
?
?
?
??
??
ttrrii
tri
HHH
EEE
??? c o sc o sc o s （ 2.4 - 30 ）
返回返回成都理工大学信息工程学院
令 itir EETEER /,/ 1212 ??,分别表示波从介质 1 入射
到介质 2 时界面的反射系数和折射系数。
?
?
?
?
?
???
?????
)s i n/ ( c o sc o s2
)s i n/ ( c o s)s i n( c o s
22
12
2222
12
iii
iiii
nT
nnR
???
????
（ 2.4 - 31 ）
其中
n
表示折射率，
*
11
*
22
/ ?????n
。
返回返回成都理工大学信息工程学院
下面讨论 不同入射角时，反射系数
12
R 与折射系数
12
T
的 变化规律 。
1,
0?
i
?
，即垂直向射，此时
)1/(2);1/()1(
1212
nTnnR ?????
。当
1?n
时，
0
12
?R
，
1
12
?T； r
E
与
i
E 反向，
r
H
与 i
H
同向。当
1?n
时，则与
上述情况相反。
返回返回成都理工大学信息工程学院
2,
??? 90,s in
ti
n ??
。于是折射波沿界面在
介质 2 中“滑行”，并折向第 1 介质，而无向下传
播的波。这时的入射角称为 临界角
c
?
。
目前常用的时域探地雷达测量方式有 剖面法
和宽角法 两种。
返回返回成都理工大学信息工程学院
l,剖面法与多次覆盖
（ 1） 剖面法
剖面法是发射天线 （ T） 和接收天线 （ R）
以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式 。
（ 2） 多次覆盖
应用不同天线距的发射 —— 接收天线在
同一测线上进行重复测量, 然后把测量记录
中相同位置的记录进行叠加, 这种记录能增
强对深部地下介质的分辨能力 。
返回返回成都理工大学信息工程学院
2, 宽角法或共中心点法
2
2
2
2
2
4
v
h
v
x
t ??
（ 2.4 - 36 ）
利用宽角法或共中心点法测量所得到的地下
界面反射波双程走时
t
，由公式 （ 2.4 - 36 ） 就可求得
到地层的电磁波速度。
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.2.2 探地雷达的技术参数
1,分辨率
分辨率是方法分辨最小异常体的能力 。 分辨
率可分为垂向分辨率与横向分辨率 。
（ 1） 垂向分辨率
一般把地层厚度 b=λ／ 4作为垂直分辨率的 下限 。
（ 2） 横向分辨率
返回返回成都理工大学信息工程学院
2/hr
f
??
（ 2, 4 - 37 ）
2, 探测距离与探距方程
]l g [10
m i n
T
s
W
W
Q ?
（ 2.4 - 38 ）
返回返回成都理工大学信息工程学院
雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗 Q 可由
雷达探距方程 来描述。
)
64
l g (10
43
42
r
egGG
Q
r
rtrt
?
????
??
?
（ 2,4 - 39 ）
满足 Q
s
+ Q >0 的距离
r
，称为探地雷达的探测距
离，亦即处在距离 r 范围内的目的体的反射信号可
以为 雷达系统所探测 。
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.2.4 探地雷达测量的设计
1,目的体特性与所处环境分析
（ 1） 天线中心频率选择
（ 2） 时窗选择
（ 3） 采样率选择
（ 4） 测点点距选择
（ 5）天线间距选择
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.3 探地雷达的数据处理与资料解释
4.5.3.1 探地雷达的数据处理
数字记录的探地雷达数据类似于 反射地
震 数据, 反射地震数字处理许多有效技术通
过某种形式改变均可以应用于探地雷达资料
的处理 。
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.3.3 探地雷达的资料解释方法
（ 补充速度的求取 ）
1,时间剖面的解释方法
（ 1） 反射层的拾取
（ 2） 时间剖面的解释
2,资料解释的 专家系统 介绍
(1） 对雷达图像信息进行反褶积处理 。
（ 2）利用自动识别系统
（ 3）根据专家领域知识进行地层性质判别
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.4探地雷达的应用
4.5.4.1在工程地质勘察中的应用
1．基岩面的探地雷达探测
广州 ×× 花园。第四系地层覆盖在基岩
（灰岩）上。第四系地层为淤泥、粉质粘土
与砂，比较松软；其下为灰岩，有较高的承
载力。建筑物拟采用预制桩桩基础。图 2.4.34
为该场地地层的探地雷达图像，
图 2.4.34 灰岩与覆盖
地层的探地雷达图像
返回返回成都理工大学信息工程学院
2,岩溶地区的探地雷达探测
岩溶（又称喀斯特）是指碳酸盐岩等可溶
性岩层受水的化学和物理作用所产生的沟槽裂
隙和空洞，以及由于空洞顶板塌落使地表产生
陷穴、洼地等现象和作用的总称。
（ 1） 节理裂隙岩溶
图 2.4.36为湖北黄石某地裂隙溶蚀带的探地
雷达图像。
图 2.4.36 裂隙岩溶的探地雷
达图像
返回返回成都理工大学信息工程学院
（ 2） 溶蚀沟槽
灰岩长期出露地表时，其表面遭受风化后
强度降低。灰岩表面地形变化剧烈的地方，会
由于地表的大径流，使其表面受强烈侵蚀而形
成 溶沟、溶槽 。
图 2.4.37为广州花都市某处溶蚀沟的探 地
雷达图像。
图 2.4.37 溶蚀沟的探地
雷达图像
返回返回成都理工大学信息工程学院
4.5.4.2 在地基基础施工中的应用
1,探地雷达在桩基础施工障碍成因调查中的
应用
图 2.4.39为 基岩破碎带的探地雷达图像特征 。
图 2.4.39 基岩破碎带探地雷达图像
返回返回成都理工大学信息工程学院
（ 2） 桩基础下异常性质判断
本场地为紧靠长江的滩地, 为防洪在地表下
填充了大量杂填土 。 当杂填土中存在建筑垃
圾等杂物时, 便形成了与周围介质差异极大
的强, 宽反射波, 这类异常没能在周围测线
形成有规则的排列, 故定为硬性杂物, 见图
2.4.41（ a） 。
当杂填土堆积比较疏松, 形成杂填土中的不
密实区, 这类填土可能是生活垃圾等细软物
质, 形成同相轴杂乱的反射波, 见图 2.4.41
（ b） 。
图 2.4.41 三种地下异常的探地雷达图像
返回返回成都理工大学信息工程学院
（ 2） 地下顶管前方障碍物探查
图 2.4.43为 1#管超前探测环形剖面雷达图像，
图 2.4.44为 1#管线地表剖面的雷达图像
图 2.4.43 1
#
管超前预报环形剖面雷达图像
1
#
顶管面前方 10~14.5m 有孤立的接近
0.3m 的块石
图 2.4.44 1
#
管线地表剖面雷达图像
