5.6.1.1 方法原理
探地雷达是利用探测目标体（目的物）与其周围介质的导电性、介电性的差异，通过高频脉冲电磁波（主频为数十兆赫至上千兆赫）在电性界面上的反射来探测有关的目的物。图5.6.1为探地雷达探测原理示意图。发射天线（T）和接收天线（R）紧靠地面，高频脉冲电磁波经发射机发射后在地层中传播。在传播过程中，其传播路径、电磁场强度、波形特征将随所通过介质的电学性质、几何形状而变化。当电磁波遇到电性不均匀体的分界面时，会出现反射、折射和透射现象，并随之产生反射波、折射波和透射波等。反射波向上传播至地表被探地雷达接收机接收，接收到反射波能量的强弱与界面的反射系数有关。假设某一地质界面上下两套地层的相对介电常数分别为ε1r、ε2r，则电磁波在此界面上的反射系数R为
图5.6.1 地质雷达原理示意图
环境地球物理学概论
探地雷达工作频率很高，在地质介质中以位移电流为主，因此高频宽频带电磁波传播，实质上很少频散，速度基本上由介质的介电性质决定。
设脉冲电磁波从发射天线到接收天线的行程（或称双程走时）需时为t，则有
环境地球物理学概论
式中：z为目标体或界面的深度，x为两天线之间的距离，v为电磁波在地下介质中传播的速度。可见，当地下介质中的电磁波波速v（m／ns）为已知时，根据实际测到的精确t值（单位ns），可求出界面的深度z（m）。v可用宽角法直接测量，也可根据公式v≈c/（式中c为真空中电磁波传播速度，c=0.3 m/ns；ε为介质的相对介电常数）计算得到。
在一个点上观测一次，得到一道数据。沿地表移动探地雷达的发射和接收天线，采集到的探地雷达数据为二维图像（见图5.6.2）。这样，结合测区的地质情况和其他资料对探地雷达图像进行综合分析、对比，可确定目标体形态、深度变化情况。
图5.6.2 地质雷达剖面记录示意图
5.6.1.2 影响电磁波反射特征的主要因素
反射脉冲波形的明显程度是探地雷达图像地质解释的重要依据。它决定于发射脉冲波的能量、波在地质界面上的反射特性以及波在地下介质中行进时的衰减条件。
a.受高频窄脉冲电路的限制，发射脉冲的幅度一般在100～200 V或更大范围，发射脉冲波的能量受到限制。
b.反射特征则主要取决于反射界面波的反射系数和所穿过介质波的吸收程度。有关计算表明，决定波反射特征的主要物性是介质的相对介电常数和电导率。显然，反射界面两侧物性参数差别大，反射波的能量也就强。
c.电磁波在地下介质中的传播速度，主要与介质的介电性有关。表5.6.1列出探地雷达测量中一些常见岩土介质的参数值。
表5.6.1 一些常见岩土介质的电性参数值
5.6.1.3 技术特点
通过上述的方法原理分析可知，GPR与其他地球物理方法相比，具有如下技术特点。
a.探地雷达探测的目标体通常为非金属物体，与周围介质物性差异小，因而目标回波能量小。
b.探地雷达探测的是地下埋藏的目标体，不需要快速跟踪技术。探地雷达的上述特点，形成探地雷达独特的发射波形与天线设计特点。
c.探地雷达的探测深度是考虑其应用的一个重要前提条件。与其他物探方法相比，GPR利用了高频电磁波，其探测深度一般为几米至数十米。分辨率高，有时可达到厘米级。探测深度主要受地表电阻率和发射脉冲频率等因素的制约。地表电阻率决定了雷达波的衰减程度，因而决定了其探测深度。一般来说，探地雷达不适在地表电阻率小于100 Ω·m地区工作，即存在粘土、地下咸水和粉砂质地层的环境。另外，探测深度还与脉冲的频率有关，频率越低，穿透能力越大。对于中心频率为100 MHz的电磁波，在含水少的坚硬岩石中可以探测到50 m深的目标体，而在地下水含量多的岩石或含水土壤中，探测深度往往仅十余米。