探地雷达现状及未来发展预测

1、北京鑫衡运科贸有限责任公耶EJINGXINHENGYUNSCIENCE&TRADECO.,LTD.探地雷达现状及未来发展预测孔祥春_、八、-前言自二十世纪七十年代开始,探地雷达进入工程物探领域.雷达的早期应用主要集中在勘探方面.随着雷达技术的不断完善和发展,雷达技术陆续进入更多的领域,其应用范围不断扩大,作用日趋明显.特别是进入二十一世纪以来,雷达技术更是得到空前的发展,其重要性日益彰显.在我国,近几年隧道和路面检测,桥梁结构和建筑物结构的工程呈现几何增长趋势,雷达在检测方面的应用已经超过勘探方面的应用.1、探地雷达现状从八十年代末开始，探地雷达开始进入我国，目前在中国影响比较大的国外产品主要

2、有瑞典MALA公司,美国GSSI公司,加拿大SSI公司等.另外,国内也有多家大学和研究机构也在研制和生产探地雷达,如北京爱迪尔国际探测技术有限公司，青岛电磁传播研究所（二十二所）等.探地雷达经过近三十年的不断发展，其硬件和软件技术日趋成熟.总的趋势是控制系统采用的处理器越来越先进，接收的频带范围越来越宽;天线频率系列化，通过选择不同频率的天线，能满足深层地下勘探和高频浅层高分辨率检测的需要.我们以瑞典MALA公司的雷达产品的发展为例，来剖析雷达的发展和目前达到的水平状况.瑞典MALA公司产品发展过程如下：1982年-孔中雷达面世1992-开始研究地面雷达1994-RAMAC/GPR推向国际市场

3、，推出非屏蔽天线10，25，50，100，200，400兆天线1996-1GHz天线推出1997-全新的屏蔽天线概念，500MHz天线-推出250和800MHz屏蔽天线-屏蔽100MHz,多道雷达系统MC4,用于孔中数据采集和解释的Windows下的软件-新的控制单元CUII,多道模块MC16,Easy3D软件-新控制单元-RAMACX3M-新控制单元-RAMACX3MCorder-推出管线探测雷达EasyLocator-新监视器-RAMAC/GPRMonitor，超强地面耦合天线RTA50-1.6GHz屏蔽天线-1.2GHz屏蔽天线,RadExplorer数据处理和解释软件，监视器内置处理软

4、件CX10和CX11混凝土无损成像系统（雷达）图一CUII主机MC16多道模块不仅主机高度集成化,各天线的设计理念也是要尽量轻便（如采用光纤来传输数据）,基本可以达到单人图二传统多道数据操作的目的,为野外工作提供方便.另外，为了进行多道同时采集或进行三维数据采集，只需要在主机上增加一块多道模块（MC4或MC16）,就可以进行4道或16道同时采集.值得注意的是，以前所谓的三维雷达数据，实际上是2.5维，它仅仅是采集很多剖面，并将其放在一起.而用多道模块采集的数据，可以真正实现三维数据采集（如MC16模块，它是采用四个发射天线和四个接收天线，每一个发射天线发射的信号，都可以同时被四个接收天线接收，

5、这就构成了三维雷达数据），见下图:MC16Computer图三RAMAC/GPR三维数据采集2、系列化，能满足不同的需要目前,MALA公司的天线已经系列化，其天线频率（主频）范围有：屏蔽天线:100,250,500,800,1200,1600MHz非屏蔽天线:25,50,100,200MHz,RTA50超强地面耦合天线）孔中天线:100,250MHzMALA公司在2005年底，还将推出2.0GHz屏蔽天线和RTA20低频天线.从瑞典雷达的发展过程,我们可以看出以下有趣的现象:在低频方面,MALA公司不再生产10兆的低频天线，新增加了RTA50兆天线用过低频天线的人都知道,低频天线在野外使用很不

6、方便.如10兆天线,它接起来的长度有8米（天线长度完全决定了天线频率,因此不可能将尺寸减小）,收发天线的间距也要8米.在实际工程中,特别是在山区,有树木或灌木的地方,我们很难找到8X8米的区域来摆放10兆的天线,更不用提选择一条剖面了.为了解决这一问题，并考虑到传统低频天线很难和地面耦合这一现象瑞典MALA公司于2004年推出了RTA50天线,该天线是软性天线,它像绳子一样,在崎岖不平的地面,它依然可以和地面耦合得很好.而且在野外使用时,只要人能爬过的地方,该天线就能通过,极大地方便了野外使用.见下图:图四用RTA50天线做边坡调查在高频方面,MALA公司于近期推出了1.2G和1.6G的天线，

7、并计划在今年年底推出2.0G的天线同时在2003年推出了监视器(Monitor)之所以近期推出超高频率的天线，是由于雷达检测的市场越来越尢很多检测项目所要求的精度很高,而对探测深度的要求并不高.这一市场并不限于大家很熟悉的隧道质量检测,路面检测等.很多时候需要了解混凝土浅层的结构特征.同时,有很多做结构检测的用户,对物探技术和方法并不熟悉.因此,他们强烈要求雷达采集尽量简单化,数据处理程序化.MALA公司推出监视器,并不仅仅是为了用它取代笔记本来应付野外恶劣的环境，更主要的是将软件内置在监视器中,同时监视器只需用一个按压旋转钮就可以完成全部操作,非常方便实用.图五监视器和供电锂电池3、项雷达越

8、来越多,专项雷达的使用越来越简单瑞典MALA公司于2001年推出了X3M主机，它只能接100,250,500,800兆屏蔽天线由于它的主机直接固定在天线上,不需要光纤或电缆来连接,使用起来比较方便.开发该主机的目的是为了进行地下管线探测.但该主机对像自来水、电力、通讯等公用事业部门的用户来说，依然是太复杂了.有鉴于此,MALA公司于2002年又推出了EasyLocator管线探测雷达，它只是用来寻找管线，操作起来非常简单后来,MALA公司又内置了ObjectMapper管线定位软件这样用户即使没有任何物探知识，也能使用该产品.图六EasyLocator管线探测雷达今年，瑞典MALA公司又推出了

9、CX10和CX11混凝土无损成像系统（雷达）,它是把雷达主机的部分集成到监视器中，使其成为一个整体该系统可以配备两个天线：1.2G和1.6G.同时该雷达可以选配50Hz探头，用来对供电的电缆进行精确定位.该产品也内置了数据采集和处理软件,同时内置了2.5维网格数据处理软件,可以在采集现场自动对不同深度的混凝土状况进行切片显示.该产品因其使用的方便性，低廉的价格，必将在混凝土无损检测中发挥越来越大的作用.图七CX10混凝土无损成像系统4、出现真正三维成像雷达我们上面提及的瑞典雷达的多道模块MC4和MC16，它们虽然也可以用来进行三维数据采集.其它厂家也有做类似工作的雷达系统但真正称得上三维雷达的

10、恐怕只有MALA公司的雷达天线阵Witten.该系统是因其在美国世贸大厦废墟的探测应用而为世人所知.图八瑞典的雷达天线Witten在世贸大厦废墟上进行探测由于该系统内装了几十个天线，因此它可以得到不同偏移距的反射数据，通过对该系统专门开发的处理软件进行处理，其结果是非常令人鼓舞的.11343224PE人适扎盖板不同深度的水平切片修补路面西水排水1金属排水管两扌非水I“妙的导管图九用Witten做的不同深度的水平切片其效果非常逼真图十用Witten做的某街道地下12吋处的切片图遗憾的是，该产品瑞典MALA公司只是用来做工程，并没有将其推向市场.雷达未来发展预测1、硬件方面：从目前的发展趋势来看，

11、雷达在硬件设计方面的趋势是模块化设计，即雷达产品在设计时将尽量把系统的共用部分做成单独部分，以便让不同频率的天线共同使用。这样设计的好处是尽量节约成本，用户在扩展业务范围时，只需很少的资金就可以添置新天线。在主机方面，随着电子技术的飞速发展，在不久的将来，会出现功能更强大的处理器，同时处理器的价格也会降低。因此，我大胆预计将来的主机内会采用更加先进、价格更低的处理器，因此主机的价格会下降。同时可以在主机内内置更加复杂的处理软件来显示探测结果，可以让非专业人员使用。在天线方面，更高频率的天线（如3G或以上）已经毫无意义，因为如此高的频率，其探测深度极其有限，在工程中已没有用处。低频方面，传统的线

12、性振子天线不会再往低频方向发展，因为在野外使用太不方便。因此，估计以后其它厂家也会开发RTA天线，而且会出现10兆左右的RTA天线（其天线长度会有20余米，天线总长会有近30米）。这种天线的探测深度会达到100米左右，可以在有些地方代替浅层地震反射、折射及电法，或与这些方法互相验证，提高勘察的准确率。另外，天线信号的质量会得到提高，其终端加载技术会真正采用连续渐变方法，因此天线终端的反射会消失，天线的信号将只有一个半周期。这样有利于对雷达反射数据的判断。不过，天线的尺寸不会减小。因此我们不要寄希望于将来会有很小的低频天线。不过，随着电磁波吸收材料研究的不断深入，天线所用的吸收材料将会变轻，吸收

13、效果会增强。因此屏蔽天线的重量会有所减轻。（目前有的厂加根据没有采用吸收材料，只是在天线上加一个金属罩，其屏蔽效果并不令人满意。）随着元器件的发展，天线发射源所用的雪崩管的性能会有改善，其充放电时间会缩短。因此天线发射脉冲的重复频率会增加，这将会使雷达系统的数据采集速度增加。值得指出的是：依目前雪崩管的性能，天线的最大脉冲重复频率不大于300KHz，如果大于此值，雪崩管就会因来不及放电而无法工作。因此，那些声称其脉冲重复频率为400KHz或更高的厂家，实在是太“超前”了。在雷达系统方面，除了通用型雷达（能使用各种频率的天线）依然有很大市场外，将来会有各种专用雷达面世。除了已经出现的管线雷达（如

14、EasyLocator）和混凝土雷达（如CX10及CX11）夕卜，还会有其它专用雷达，如用于检测混凝土桩的孔中雷达（用800兆左右天线，开发专业软件）；用于三维管线探测的雷达（如Witten）;用于隧道检测的雷达（天线等硬件的改变不会太大，其辅助设备会极大地方便现场应用，数据解释软件更加有针对性）等。2、在软件方面：随着信号处理和图像识别技术的飞速发展，软件的应用也会相应发生改变.目前雷达使用的处理软件有两类:一类是基于地震技术的软件，该类软件是从地震软件的各功能中选择与雷达有关的部分.应该说这种软件的处理技术是比较全面的，具备物探知识的用户能够用来做各种处理.其缺点是非物探人员使用起来会很困

15、难.这类软件的代表有REFLEXW软件，它的处理功能非常完备，有雷达所需要的各种处理功能.另夕，它还可以进行层位追踪，速度拟合，自动出各层厚度报告等.另一类软件是有些雷达厂家自己开发的软件，该类软件会将雷达所需要的基本处理功能添加上去（有的将处理功能设置为默认方式）.这类软件的优点是处理简单，非物探用户会感觉使用起来很方便.其缺点是用户选择的余地很小，对有的雷达数据处理起来不理想.瑞典MALA公司新开发了一个软件RadExplorer，它应用起来比较方便,其处理功能主要有:去直流漂移，调整时间零点，道编辑，插道，背景去除，二维空间滤波，振幅调整，予测反摺积，带通滤波，偏移处理等.该软件可以进行层位追踪，地形校正.同时，它可以很方便地在图像上进行描绘（如将各层用不同颜色显示等）.未来的雷达软件，可能会与地震软件分离，雷达需要的处理功能会保留下来，一些新的数据处理理论成果会得到应用，能满足物探专业人士的需求.同时在图像解释方面会增加很多手段，让用户能够仅使用雷达软件就能完成图像的处理解释工作.同时，对一些专用雷达，将会出现一些内置的解释软件，使非专业人员可以很容易