探地雷達是用高頻無線電波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)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(jié)構，或者確定不可視的物體或結(jié)構。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，探地雷達逐漸趨于成熟，且由于具有高分辨率、高效率等優(yōu)點而廣泛應用于工程、環(huán)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(tǒng)、測量方法與技術、數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)容詳細的教材或參考書。
曾昭發(fā)，吉林大學唐敖慶特聘教授，博士生導師，吉林省政協(xié)委員，國務院學位委員會第八屆地質(zhì)資源與地質(zhì)工程學科評議組成員，中國地球物理學會常務理事，中國地球物理學會環(huán)境地球物理專業(yè)委員會副主任委員，吉林省地球物理學會常務理事，吉林省拔尖創(chuàng)新人才，首批國家級黃大年式教師團隊核心成員；現(xiàn)為吉林大學地球探測科學與技術學院院長，長期從事工程與環(huán)境地球物理的教學與科研工作，開發(fā)了MIMO探地雷達系統(tǒng)、低頻極化干涉探地雷達系統(tǒng)，提出了探地雷達隨機等效介質(zhì)的探測與成像方法技術；主持國家和省部級科研項目20余項；發(fā)表高水平學術論文200余篇；培養(yǎng)研究生50余名；出版教材或?qū)Ｖ?部；獲省部級科技進步一等獎1項、二等獎3項。
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(fā)展歷史 1
1.3 探地雷達的優(yōu)越性 5
1.4 探地雷達的局限性 6
1.5 探地雷達的發(fā)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(guī)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(zhì) 15
2.1.6 能流密度矢量 16
2.1.7 電磁位函數(shù) 17
2.2 平面電磁波 18
2.2.1 理想介質(zhì)中的平面波 18
2.2.2 導電介質(zhì)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(zhì)表面的正入射 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(zhì)的電性質(zhì)及對電磁波傳播參數(shù)的影響 42
3.1 介質(zhì)的電性參數(shù) 42
3.1.1 介質(zhì)的電導率 42
3.1.2 電介質(zhì)的極化和介電常數(shù) 42
3.1.3 礦物的電性質(zhì) 43
3.1.4 巖石的電導率與介電常數(shù) 44
3.1.5 土壤的電導率和介電常數(shù) 47
3.1.6 植被的介電常數(shù) 48
3.1.7 永久凍土的電性參數(shù) 48
3.1.8 人造介質(zhì)的電性參數(shù) 49
3.2 介質(zhì)電性參數(shù)和介質(zhì)電性參數(shù)模型 49
3.2.1 介質(zhì)介電常數(shù)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(zhì)的介電常數(shù)模型 52
3.2.4 介質(zhì)的介電常數(shù)模型 53
3.3 電磁波傳播參數(shù)與介質(zhì)電性質(zhì)的關系 55
3.3.1 電性參數(shù)對相速度的影響 55
3.3.2 電性參數(shù)對衰減系數(shù)的影響 57
習題 58
參考文獻 58
第4章 探地雷達儀器系統(tǒng)和工作方法 59
4.1 探地雷達儀器和參數(shù) 59
4.1.1 探地雷達系統(tǒng)的信號調(diào)制方式 59
4.1.2 探地雷達系統(tǒng)的主要設計參數(shù) 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(tǒng) 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(tǒng)的基本原理 73
4.4.2 步進頻率探地雷達系統(tǒng)設計方案 74
4.4.3 步進頻率探地雷達實驗系統(tǒng) 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(qū) 81
5.1.2 遠區(qū) 81
5.1.3 中間區(qū) 82
5.2 天線的基本參數(shù) 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(shù) 85
5.2.5 極化 86
5.2.6 增益系數(shù) 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(shù) 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(tǒng)中的作用 89
5.3.2 簡單的探地雷達輻射系統(tǒng)——線天線 89
5.3.3 從線性天線到圓錐形天線、領結(jié)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(shù)選擇 107
6.3 多極化測量 112
6.3.1 多極化測量實驗系統(tǒng) 112
6.3.2 野外多極化測量方式 113
6.3.3 多極化數(shù)據(jù)校正 115
6.4 探地雷達野外資料評價及注意事項 119
6.4.1 資料的驗收 119
6.4.2 實際測量中的注意事項及干擾消除方法 119
習題 120
參考文獻 121
第7章 探地雷達的數(shù)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(shù)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(guī)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(shù)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(wěn)定條件和數(shù)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(jié)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(shù)據(jù)處理 159
8.1 資料整理、數(shù)據(jù)處理技術要求 160
8.2 數(shù)據(jù)編輯 160
8.3 常規(guī)處理 161
8.3.1 數(shù)字濾波原理 161
8.3.2 反濾波（反卷積） 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(shù)據(jù)分析與增強處理 177
8.5.1 振幅恢復 177
8.5.2 道內(nèi)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(jīng)驗模態(tài)分解與信號提取 181
8.6.1 經(jīng)驗模態(tài)分解 181
8.6.2 整體經(jīng)驗模態(tài)分解 183
8.6.3 完全總體經(jīng)驗模態(tài)分解 184
8.6.4 變分模態(tài)分解 185
習題 193
參考文獻 193
第9章 探地雷達數(shù)據(jù)解釋 194
9.1 探地雷達數(shù)據(jù)解釋基礎和解釋流程 194
9.2 典型目標體探地雷達異常特征 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(zhì)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(fā)展歷史及現(xiàn)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(fā)展歷史及現(xiàn)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(shù)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 基于H-α分解的目標分類識別 228
9.8.3 基于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(shù)據(jù)智能目標檢測與識別 234
9.9.2 基于深度學習的探地雷達數(shù)據(jù)智能反演 244
習題 250
參考文獻 250
第10章 鉆孔雷達 254
10.1 鉆孔雷達的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 254
10.2 鉆孔雷達的測量方式 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 定向鉆孔雷達 260
10.2.5 極化鉆孔雷達 262
10.3 鉆孔雷達數(shù)據(jù)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 鉆孔雷達應用實例 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(huán)境地質(zhì)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(fā)展歷史及現(xiàn)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(tǒng)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(jié)構層厚度檢測 311
12.1.3 掌子面前方地質(zhì)超前預報 313
12.1.4 隧道襯砌質(zhì)量檢測 315
12.1.5 鋼筋質(zhì)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(zhì)現(xiàn)象探測 325
12.3.2 巖性界面劃分 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 地下建筑結(jié)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(zhì)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(xiàn)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(jié)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(huán)境地質(zhì)應用 349
14.1 地下巖溶探測 349
14.1.1 城市區(qū)域巖溶探測 349
14.1.2 鐵路路基地下巖溶探測 350
14.2 采空區(qū)與洞穴探測 351
14.2.1 采空區(qū)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(diào)查 358
14.7 地下廢棄物調(diào)查 359
14.8 油氣污染監(jiān)測 359
習題 361
參考文獻 361
第15章 土壤探測與農(nóng)業(yè)領域應用 362
15.1 土壤參數(shù)探測 362
15.1.1 土壤的電磁性質(zhì) 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(diào)查 370
15.1.5 土壤中植物根系的檢測 372
15.2 土壤層與基巖層深度探測 374
15.3 堿化層厚度與含鹽度探測 375
15.3.1 堿化層厚度探測 375
15.3.2 土壤鹽分和土壤質(zhì)地 378
15.4 洪積扇區(qū)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 基于三維陣列探地雷達系統(tǒng)的大規(guī)�？脊胚z址勘查 385
16.1.2 日本群馬縣浮石層下的遺址構造調(diào)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(jié)構探測 394
16.3.2 意大利馬特拉巖石教堂壁畫保護 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(diào)查數(shù)據(jù)揭露格陵蘭和南極冰蓋冰下地形 402
17.2 極地內(nèi)部冰層探測 403
17.3 極地冰底特征探測 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(nèi)結(jié)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墻探測 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征 427
18.2.1 極化特征 429
18.2.2 埋藏環(huán)境影響 430
18.2.3 雜波影響 430
18.3 專用探地雷達系統(tǒng)設計 431
18.3.1 工作頻帶 431
18.3.2 天線系統(tǒng) 431
18.3.3 系統(tǒng)穩(wěn)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 穿墻雷達探測 439
18.5.1 超寬帶MIMO雷達穿墻成像基礎 440
18.5.2 超寬帶MIMO雷達穿墻成像算法 442
習題 447
參考文獻 447
書單推薦
