一、探地雷达的基本原理

探地雷达和探空雷达的工作原理基本相同,二者都是利用高频电磁波束在界面上的反射来探测目标体。只是探空雷达所发射的电磁波在空气中传播,衰减较小,可探测远距离的目标,而探地雷达所发射的电磁波在岩层内传播,由于岩层的强烈吸收作用,其衰减较大,因而探测距离较小。正因为探地雷达探测的是在地下有耗介质中的目标体,它形成了自己独特的发射波形与天线设计特点。根据已发表的资料,探地雷达使用的发射波形有调幅脉冲波、调频连续波、连续波等；使用的天线有对称振子天线、非对称振子天线、螺旋天线、喇叭天线等。由于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。

探地雷达所用的电磁波有一较宽的频谱,频段远大于一般的地面电磁法,属于分米波。图3-49为探地雷达探测原理图,发射天线和接收天线紧靠地面,由发射机发射的短脉冲电磁波经发射天线辐射传入大地,电磁波在地下传播过程中遇到介质的分界面后便被反射或折射,反射回地面并被接收天线接收的电磁波,我们称为回波。显然,根据回波讯号及其传播时间便可判断电性界面的存在及其埋深。

图3-49探地雷达探测原理图及反射波形

显然,脉冲电磁波往返所需时间为

电法勘探技术

式中：h为电磁波所遇到的反射界面的深度；v为电磁波在地下岩层中的传播速度,它等于

电法勘探技术

式中：c为光速；εr为介电常数。图3-49同时给出了雷达波的反射波形图,由图可见,反射波不仅发生在不同介质的分界面上,也发生在空气与岩石（空洞）或金属、非金属与埋土的界面上。图的右部表示了垂直发射和接收的点沿地面改变位置时所得到的波形图。由于入射波抵达反射界面时,两种不同介质界面的反射系数不同,所以表征各界面存在的反射波幅度也不一样。导电性好的介质对电磁波具有较强的反射性能。

其次,电磁波在地下介质中的传播,其能量将因介质的吸收而损耗,吸收的程度取决于岩层的吸收系数。吸收系数小,电磁波能量损耗小衰减慢；吸收系数大,则损耗大衰减快。

由于探地雷达通常采用的频率在50～900 MHz之间,因此在较好的条件下,其探测范围已扩展为30～50m,探测的分辨率可达数厘米,深度符合率小于±5cm。

二、探地雷达的探地雷达技术参数

1）雷达系统控制器计算机（工业一体式专用电脑，强抗震性能设计）：

处理器：Intel Celeron 400MHz或更好配置

雷达界面卡：专用

内存：≥512MB

硬盘（编程和存储）：≥4G

显示器： 10.4英寸超高亮度透反射日光下可读彩色液晶显示器

电源：10.5～18 VDC@ 45W（室内可交流电直接供电，室外可由充电电池提供电源）

基于Windows XP*作系统的全屏幕菜单系统，内置雷达数据采集和处理控制软件

触摸屏界面，可外接使用键盘和鼠标

提供以下输入/输出端口：雷达界面接口，两个USB接口，电源接口

2）天线控制单元：

总体动态范围：>130dB

接收器动态范围：>90dB

小时间范围：6.3ns

大时间范围：820ns

脉冲重复时间：1μs

有效带宽：3GHz

3）可与100MHz、250 MHz、500 MHz、1000 MHz和2000 MHz屏蔽天线配合使用，以满足不同的探测深度要求。

三、博泰克意大利探地雷达

北京博泰克机械有限公司

SRS铁路路基安全系统

工作原理

SRS铁路路基安全系统是基于探地雷达系统而研发的高速铁路探测系统。铁路路基探测是以电磁波在有耗介质中传播规律为理论基础，用天线向铁路路基中发射高频率、宽频带的短脉冲电磁波，电磁波在介质中传播，当遇到介电性质不同的电性界面时，电磁波发生反射和透射，反射电磁波被接收天线接收；透射波继续向下传播，当再遇到电性界面时，其又发生反射和透射，这样雷达天线不断地接收地下反射信号就组成一道雷达数据，系统在沿着线路移动时就形成一个雷达探测剖面。通过计算电磁波在介质中的双程走时、振幅大小、频谱，以及瞬时功率谱、相位移等特征值，来判断构造深度、道床污染程度、路基含水量等。

系统组成、仪器合格标准的依据及其主要优缺点自我评价

SRS铁路路基安全系统是由信号采集系统和数据处理系统组成，其中信号采集系统由多普勒速度轨枕识别系统、多普勒信号传输电缆、多普勒信号控制器、中心控制系统、三个空气耦合型探测天线、信号传输电缆、信号实时显示系统、移动机车、系统支撑系统、环境记录系统和GPS精确定位系统等组成。系统启动后，中心控制系统向多普勒控制系统发出信号指挥多普勒系统工作，多普勒系统开始对轨枕识别和距离探测，并把信号反馈到中心控制系统，中心控制系统接到反馈信号后，给天线发射所需要脉冲信号，并接收地下反射回来的信号，显示系统可以实时显示所探测到的信号，同时对被探测对象的周围环境进行记录和GPS定位工作。

本系统内软件是探地雷达行业内软件的一项革命，基本做到了雷达数据的自动处理、分析和解释。该软件结合铁路路基结构内的特点，将铁路路基道砟层的病害在探地雷达图中显示的信号进行归类、整理，软件可自动对道砟层的病害情况进行分析和解释。目前软件可自动对道砟层中每一层的厚度进行自动追踪，并且对出现的赃物、高含水、道砟囊、翻浆冒泥等病害情况自动解释，对探测范围内的铁路路基进行自动统计和评估。

通过这套系统能够以较快的速度完成大范围的铁路路基探测，完全不影响线路的正常运营。后期的分析软件也可自动完成大量数据的解析，使工作效率大大提高。

地球物理仪器汇编及专论

SRS主机系统参数

自动生成雷达图分析结果

自动生成道砟层统计和解释结果

使用领域和使用实例

目前中国铁道科学研究院使用该设备已经完成了大量公路的铁路路基探测任务，为铁道部准确把握铁路路基的安全状况提供了可供参考的依据。

青藏铁路探测

天津铁路探测

京九铁路探测

邯济铁路探测

京哈铁路探测

支线铁路探测

产品普及程度、生产或供货单位的简单背景信息、售后及承诺

目前SRS铁路路基安全系统已经得到了铁道部的广泛认可，为既有线中路基安全问题提供了良好的屏障。目前基于该系统的现有硬件和软件，博泰克公司一直致力于该系统的本土化工作，在中国铁道科学研究院的协助下，对该系统内的问题进行不断测试和调整，使该系统能够更加适合中国国情和中国用户的需求。

意大利FastWave探地雷达

基本原理

探地雷达是采用中心频率在10~2500MHz范围的高频电磁波探测地下或建筑物内结构与特征的电磁探测技术。通常由发射天线向地下介质中发射一定中心频率的电磁脉冲波，电磁脉冲波在地下介质中传播时，遇到介质中有电磁性差异的分界面会发生反射并传回地面由接收天线接收；沿测线以等间距移动天线逐点进行探测获得雷达反射剖面，根据接收到的雷达波的幅度、相位及旅行时间等信息推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态等，从而达到对地下隐蔽目标物的探测。

公司生产能力、系统组成、仪器合格标准的依据及其主要优缺点的自我评价

意大利IDS公司因天线阵专利技术引发了关于高分辨率高速度雷达技术的革命，IDS已成为目前世界上技术先进的探地雷达生产厂家之一，年生产雷达约400套，供货时间仅需45天。自主研发生产的主机、天线及处理软件均处于世界领先地位。FastWave控制单元轻质便捷，多可接16对单天线同时测量，具有极高的发射速率和扫描速度。天线频率齐全，包括25~2500MHz的各类非屏蔽天线、地面及空气耦合屏蔽天线、井中天线，天线频带宽、信号稳定性强，具有较高的分辨率和灵敏度。独特的防水、防尘、防*设计能适应井下及各种恶劣的工作环境。时间、测量轮、测线盒及GPS等多种方式使测量定位更加精确。还拥有世界先进专利的MF、HIRESS、ALADDIN及TR-AL空气耦合等天线阵，可以更快的速度和更高的分辨率一次同时完成深层和浅层探测，大大提高了探测精度和工作效率。FastWave主机可兼容IDS公司的所有频率的天线及天线阵，可根据需求灵活配置。

FastWave技术指标

本系统内软件是探地雷达行业内软件的一项革命，基本做到了雷达数据的自动处理、分析和解释。为了使结果更加清晰直观，该系统探地雷达软件不仅可以将目标体数据组合成三维模型，还可以CAD形式得到终数据。

使用领域和使用实例

意大利FastWave探地雷达应用领域众多，在市政设施及管线探测方面主要应用于地下建筑物探查、路面缺陷检测、地基桩基检测及各种金属和非金属管线探测等；在建筑工程质量检测方面用于建筑物内部结构检测、钢筋分布定位及保护层厚度检测、建筑物内部缺陷查找检测等；道路检测方面主要用于路基各层厚度及质量的评价与检测、对路基下沉部位、含水区、孔洞等病害的检测，以及对铁路公路桥梁结构的检测，隧道衬砌厚度及各类缺陷的检测，也可用于隧道超前预报检测含水区、构造、破碎等隐患；在地质与水文勘探方面用于地层剖面、断裂、地基、岩床和水文地质分析、空洞、钻孔内部地层分析等；在环境检测方面用于地下水监测、油罐、加油站、管道泄漏及垃圾填埋场渗漏等快速探测；另外，还用于古遗址探测、壁画空鼓区、古建筑结构和风化程度等无损检测方面的考古研究以及地下防空洞、隐蔽物或未*炸物等军事安全领域的检测。RIS雷达因其卓越的性能从众多探地雷达竞争产品中脱颖而出，于2005年5月22日上午11时08分，随中国科考队登上世界之巅峰珠穆朗玛峰执行珠峰的高度测量任务，在–50℃的恶劣条件下成功测定出冰雪覆盖层厚度，确定珠峰新高度为8844m。

珠峰冰层探测

天安门基础探测

高速公路探测

多瑙河河床探测

贵广高铁隧道超前预报

地质勘查探测

四层钢筋探测雷达图

三维模型图

软件直接生成的CAD管网图

产品普及程度、生产或供货单位的简单背景信息、售后及承诺

IDS公司的FastWave探地雷达用户已遍及亚洲、欧洲、大洋洲、南美洲和非洲等地。特别是进入中国以来，北京博泰克机械有限公司专业从事意大利探地雷达产品销售、技术推广与支持、售后服务、设备维护、负责对仪器使用人员进行全面、系统、深入的培训等。以其雄厚的技术力量、先进的产品和一流的服务而广受赞誉，目前已拥有包括铁道部、交通部、建设部、国家测绘局、国家和地方环保部门、高等院校及科研机构、市政部门及勘察院等在内的上百家用户。该系列产品享受终身维修，维修响应时间短，仪器在正常使用情况下如在质保期内出现故障可进行免费维修及更换所需零部件；免费保修期满前1个月内负责对仪器设备进行一次免费全面检查，并每年提供两次免费**巡检服务。终身提供相应软件的免费升级服务。

IBIS远程微变雷达监控系统

工作原理

IBIS是一个基于微波干涉技术的高级远程雷达监控系统（IBIS–S和IBIS–L），它是通过雷达反射波的相位差异而对不同时刻目标物的径向位移变化情况进行精确测量，完成动态及静态监测。IBIS–S建筑微变远程监测系统结合了干涉测量技术和步进频率连续波技术，系统以不同的频率在Tsweep时间内发射一组电磁波，通过步进频率连续波技术保证电磁波的长距离传输，通过干涉测量技术完成对雷达反射波相位差异的测量。IBIS–L地形微变远程监测系统是合成孔径雷达技术、步进频率连续波和干涉测量技术三者的结合，其中合成孔径雷达技术是一项新的空间对地观测技术，通过此技术相当于增加天线沿轨道线性扫描时的孔径，利用合成孔径雷达的相位信息提取地表的三维和高程变化信息。

公司生产能力、系统组成、仪器合格标准的依据及其主要优缺点的自我评价

IBIS系统由意大利IDS公司和佛罗伦萨大学经过6年合作研发成功，并由IDS公司生产，年生产约100套。该系统由数据采集单元、线性扫描单元（或三角架）、能量供应单元和数据记录处理单元组成。雷达波频率为16.6~16.9GHz，20dB增益天线，测量精度高，空间分辨率高；其自动化程度极高，在控制软件中设置要监测的区域范围，选择好监测的时间长度，自动、连续、全面完成对目标物的动态或静态监测。可实现远距离遥测，无需在目标区域安装传感器，无需靠近或进入目标物，无需*作人员现场守候；通过直接实时监测，解析单个像素信息，从而得到整个目标物的变形量或局部位移量；系统稳定性强、抗干扰能力强，在刮风、下雨、大雾等恶劣天气条件下仍能提供连续24小时的数据采集；运输及安装简单方便。

IBIS远程雷达监控系统技术指标

使用领域和使用实例

该系统应用领域广泛，桥梁检测、建筑物监测、坝体监测、山体滑坡监测、不稳定边坡监测、地形或地表沉降监测，还有雪崩火山监测等。IBIS–S主要用于对桥梁或高层建筑物进行实时监测，并将动态和静态监测融为一体，可实现对桥梁动挠度和静挠度测量、桥梁振动频率监测、桥梁残余变量测量及模态分析；对建筑物变形和沉降进行监测、高层建筑物变形监测及模态分析；高塔振动情况分析及沉降监测。IBIS-L主要将大坝、边坡工程和库区等水工建筑及地表等的位移监测融为一体，可对坝体进行稳定性检测并进行灾害预警；对山体表面变化、不稳定性边坡、滑坡、山崩及火山等灾害进行监测及预警。

南京长江二桥

天安门城楼

京津高铁杨村大桥

宝成铁路清江2#桥

紫坪铺大坝

龙头石大坝

山体滑坡监测

露天矿坑监测

采用这种非接触式的方法能够在远距离对目标体进行高精度变形监测，极高的采样频率能够对桥梁的振动情况进行分析。在进行边坡或大坝的变形监测过程中，这种方法可提供出大坝或边坡的运动机理和特性，便于对整个监测区域的运动学特征进行分析和解释。

地球物理仪器汇编及专论

在进行边坡监测中，可对数据以三维形式进行分析，得到的数据模式更加直观。快速且自动的监测模式使得该系统能够在无人看守的情况下进行自动工作，通过网络将数据传输到值班室，做到真正意义上的**监测。

产品普及程度、生产或供货单位的简单背景信息、售后及承诺

意大利微变形远程监测系统（IBIS系统）是意大利IDS公司新研制的产品，目前在欧洲得到广泛应用，对解决大范围边坡预警和灾害监控具有良好的效果。

博泰克公司作为意大利IDS公司在中国的总代理，一直致力于IBIS系统在国内的推广工作，努力使该设备能够在国内解决更多更复杂的实际问题。公司技术人员可根据客户实际情况提供相应的处理方案，并采用相应的设备进行处理。公司对所出售的设备提供终身服务，并配合终身的技术支持和设备服务工作，保证用户能用少的资金得到世界上先进的设备和优质的服务。