一、GPR的电磁学原理

1. 临近界面的GPR源

​ 多个GPR探测时，源是位于地表面上的，如图1.6b所示。入射波和反射波在空气介质中合成为一个上行的球面波。在地下，辐射信号分为两个部分，一个球面波和一个沿临界角传播的平面波。近地处，该球面波沿至空气中形成凋落场。

2.收发共置天线对的反射探测

​ 收发共置天线对的GPR探测采用一个发射天线和一个接收天线实现目标探测，在每次测量中两个天线间距保持不变。发射天线和接收天线都有特殊的极化形式。典型的测量方式如图1.27所示，天线对的几何结构保持不变，单次测量之间的空间步进间隔均为$\Delta x$。等间距采样数据可用于后端的信号处理和可视化显示。

​ 反射探测的目的是获取地下反射信号随空间位置的变化情况。GPR反射探测通常采用直线测线扫描的方式。

​ 对一块感兴趣区域的探测，一般采用图1.28所示的方式，将区域划分为等间距的测线，再沿每条测线进行等间距扫描，这样就实现了整个区域的覆盖扫描。

3. 多偏移距共中心点/宽角反射和折射探测设计

​ GPR共中心点（CMP，Common mindpoint）测量或宽角反射和折射（WARR）测量类似于地震探测中的折射和宽角反射测量。如图1.29所示，共中心点测量通过改变地表面上的发射天线和接收天线的间距来获得双程旅行时的变化，进而得到雷达波传播速度与深度的变化关系，在测量中发射和接收天线的间距是不断变化的。

4. 透射探测

​ 实现透射探测的雷达称之为钻孔雷达。

​ 主要测量穿透过测量对象的直达波到达时间，进而计算出雷达波速度，通过穿透过测量对象的雷达波速度差异，判断测量对象的质量。因此透射波法要求发射和接收天线分立于测量对象的两侧。由于只解释和计算最早到达的直达波，波形识别和计算相对简单。透射波法主要用于工程中墙体、柱体、桥墩、桩的质量检测以及井中雷达测量。井中雷达测量需要预先布置两个井孔，类似于地震跨孔测量。透射波法也可采用层析成像的观测方式工作，从而获得更精细的孔间介质速度成像。

​ GPR透射探测需要探测场景的几何信息作为补充数据来修正后端的数据处理结果，一般来说，可通过GPR测量得的时间和幅度信息提取出区域的v和a参量。几何信息的偏差将会导致v和a参量的误差。

​ 钻孔探测示意图如图1.30所示。零偏移剖面探测是确定波速异质体或衰减区域的一个简单有效的探测方法。图1.30a中，反射天线和接收天线逐渐同步进行移动。再均匀媒介中，各点的接收信号应该是相同的。图1.30b中的多偏移积累探测则提供了层析成像的基本探测模式，其目的是获得多个穿透角度的数据。

5. 数据分析与解译

​ GPR数据转换为面向应用的有用信息一般有两个途径。其一是GPR响应测量，与其他地球物理方法相同，即通过数据采集获得一个截面、平面或体区域的散射场以便确定异常体的位置；二是从散射数据中提取波束、衰减系数及波阻抗等传播参量进而获得探测所需的定量信息。

7. 解振荡

8. 时间增益

9. 解卷积

​ 解卷积的目的是为了使信号带宽最大化，降低信号的色散程度以达到改善分辨力的效果。

10. 偏移

​ 偏移可理解为空间域的解卷积，是为了从散射数据中去除发射天线和接收天线的方向特征进而获得探测区域的散射体分布情况。偏移处理需要预知探测区域的波速分布，通常是给定一个初始波速，经过多次迭代获得优化的偏移成像结果。

​ 主流的偏移处理技术包括衍射叠加偏移、F-K偏移、Kirchhoff偏移以及波方程或有限差分模型偏移。这些方法可以应用于二维剖面或三维体数据。尽管这些方法的具体运算过程各异，但其目的都是通过运用一个地下波速模型来“重建”GPR记录剖面，得到GPR剖面的精确空间形式。理想情况下，双曲线将会聚焦为一个点源，倾斜反射将会正确归位。

11. 地形校正

​ GPR进行浅表层探测时，地形校正是非常重要的一个处理步骤。当地表的起伏较小时，通过时间移位处理即可很大程度上对地形畸变进行补偿校正。

​ 地形校正（又被称为高度静校正）通常是在竖直方向上运用恒定波速进行处理的。该方法将雷达各道数据的双程传播时间统一校正到距空气-大地交界面上方一定距离处的一个水平基准面上。这对相对平缓变化的地形情况来说已经是足够了。但当地形的起伏变化是和地下探测区域中某些特征量的变化尺度相当的话，就需要采取更为先进的地形校正方法。

​ 严格来说，地形变化中倾斜度超过10度时就需要运用高级校正技术了，否则的话传播时间将不再精确，成像结果也将出现“模糊”效应。

​ 有效的地形校正依赖于精确的扫描探测，对三维雷达数据集尤为如此。平缓和崎岖的地形条件下，通用的准则是：扫描精度要达到中心频率对应波长的10%，扫描间隔保持在中心频率对应波长的2-3倍。

​ 用来进行高度校正的处理算法各不相同，但大都需要用户设定地下区域的速度剖面，然后数据就依照一个给定的基准参考转换到正(负)时间中，这个基准参考通常是整个测量线的最高点或最低点。合理的地形校正是很重要的，该技术将GPR的反射/衍射特征归位到空间地层环境中，保证数据解译的正确性。

12. 二维和三维数据可视化

13. 三维测量方式

​ 随着勘探目标要求的提高，二维剖面测量所能给出剖面上异常目标的埋深、范围等信息已不能满足业界对探测目标延伸走向、空间变化等详细信息的要求。考古目标的规模相对较小，二维剖面法很难使测线正好跨过探测对象，剖面异常的解释也是问题。因此开展三维雷达勘探是考古地球物理应用的趋势和方向，一些商用雷达系统从硬件设备到处理软件都能够支持三维雷达勘探。

​ 从效率上讲，剖面法点测的低效率也制约着三维雷达的应用，一些公司如SSI公司采用SMARTCART（小推车）配备里程计或GPS定位系统，这样可实现快速移动采集大大提高三维数据采集效率。

二、数据采集

1. 定位

​ GPR的精确定位是数据采集环节中最为重要的事情。错误的数据引用对用户来说是无用的，而且对GPR行业来说是有害的。将GPR数据与真实的地面数据进行比对，相当多的GPR道路测试实验是不成功的。很多失败源自于错误的定位——要么来自GPR，要么是来自参考采样。

​ 有以下三种途径实现对数据的定位：

采样编码器控制空间采样间隔；
在已知的参考的上对GPR打标记；
运用GPS技术；

​ 数字摄像机与GPR扫描道数的关联也有助于保证正确的数据定位。

从上述可以看出，目前GPR的数据采集定位方法都过于传统，且定位精度低，效果差。此处如果结合SLAM方法，完成定位则将是一大创新。

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