探地雷達(dá)是用高頻無(wú)線電波來(lái)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(lái)探測(cè)地表之下的物體或結(jié)構(gòu)，或者確定不可視的物體或結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，探地雷達(dá)逐漸趨于成熟，且由于具有高分辨率、高效率等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于工程、環(huán)境和資源等淺部地球物理領(lǐng)域，取得了很好的效果。本書(shū)介紹探地雷達(dá)的基本原理、天線、系統(tǒng)、測(cè)量方法與技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、解釋與模擬及其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。本書(shū)是在充分吸收國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上編著而成的，目的是以教學(xué)用書(shū)的形式，為在校大學(xué)生和從事探地雷達(dá)研究與應(yīng)用的工程技術(shù)人員提供一本內(nèi)容詳細(xì)的教材或參考書(shū)。
曾昭發(fā)，吉林大學(xué)唐敖慶特聘教授，博士生導(dǎo)師，吉林省政協(xié)委員，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)第八屆地質(zhì)資源與地質(zhì)工程學(xué)科評(píng)議組成員，中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)環(huán)境地球物理專業(yè)委員會(huì)副主任委員，吉林省地球物理學(xué)會(huì)常務(wù)理事，吉林省拔尖創(chuàng)新人才，首批國(guó)家級(jí)黃大年式教師團(tuán)隊(duì)核心成員；現(xiàn)為吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事工程與環(huán)境地球物理的教學(xué)與科研工作，開(kāi)發(fā)了MIMO探地雷達(dá)系統(tǒng)、低頻極化干涉探地雷達(dá)系統(tǒng)，提出了探地雷達(dá)隨機(jī)等效介質(zhì)的探測(cè)與成像方法技術(shù)；主持國(guó)家和省部級(jí)科研項(xiàng)目20余項(xiàng)；發(fā)表高水平學(xué)術(shù)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(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。
目 錄
第1章 探地雷達(dá)的起源及特點(diǎn) 1
1.1 探地雷達(dá)的基本概念 1
1.2 探地雷達(dá)的發(fā)展歷史 1
1.3 探地雷達(dá)的優(yōu)越性 5
1.4 探地雷達(dá)的局限性 6
1.5 探地雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì) 6
1.6 探地雷達(dá)的應(yīng)用 7
習(xí)題 8
參考文獻(xiàn) 8
第2章 探地雷達(dá)的電磁基礎(chǔ) 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(gòu)關(guān)系 13
2.1.4 探地雷達(dá)方法中電磁波的波動(dòng)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(dǎo)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(xí)題 41
參考文獻(xiàn) 41
第3章 介質(zhì)的電性質(zhì)及對(duì)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(dǎo)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(dǎo)率與介電常數(shù) 44
3.1.5 土壤的電導(dǎo)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(chǎng)頻率的關(guān)系 49
3.2.2 探地雷達(dá)平臺(tái) 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(guān)系 55
3.3.1 電性參數(shù)對(duì)相速度的影響 55
3.3.2 電性參數(shù)對(duì)衰減系數(shù)的影響 57
習(xí)題 58
參考文獻(xiàn) 58
第4章 探地雷達(dá)儀器系統(tǒng)和工作方法 59
4.1 探地雷達(dá)儀器和參數(shù) 59
4.1.1 探地雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制方式 59
4.1.2 探地雷達(dá)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù) 61
4.2 時(shí)間域探地雷達(dá) 63
4.2.1 時(shí)間域探地雷達(dá)的基本原理 63
4.2.2 GSSI的SIR系列的構(gòu)成和技術(shù)指標(biāo) 64
4.2.3 加拿大EKKO系列探地雷達(dá) 65
4.2.4 RAMAC/GPR探地雷達(dá)系統(tǒng) 65
4.2.5 中國(guó)電波傳播研究所LTD-2100探地雷達(dá) 66
4.3 FMCW探地雷達(dá) 67
4.3.1 FMCW雷達(dá)探測(cè)的基本原理 67
4.3.2 FMCW探地雷達(dá) 69
4.4 步進(jìn)頻率探地雷達(dá) 73
4.4.1 步進(jìn)頻率探地雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理 73
4.4.2 步進(jìn)頻率探地雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 74
4.4.3 步進(jìn)頻率探地雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 75
4.5 脈沖探地雷達(dá)和步進(jìn)頻率探地雷達(dá)的比較 76
習(xí)題 78
參考文獻(xiàn) 78
第5章 探地雷達(dá)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(yuǎn)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(zhǎng)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(dá)的天線類型及輻射形式 89
5.3.1 天線在探地雷達(dá)系統(tǒng)中的作用 89
5.3.2 簡(jiǎn)單的探地雷達(dá)輻射系統(tǒng)——線天線 89
5.3.3 從線性天線到圓錐形天線、領(lǐng)結(jié)形天線和圓柱形天線 91
5.4 常見(jiàn)探地雷達(dá)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(xí)題 97
參考文獻(xiàn) 97
第6章 探地雷達(dá)工作方法 99
6.1 探地雷達(dá)的測(cè)量方式 99
6.1.1 反射測(cè)量方式 99
6.1.2 折射測(cè)量方式 101
6.1.3 透射測(cè)量方式 102
6.1.4 MIMO測(cè)量方式 102
6.2 探地雷達(dá)野外測(cè)量設(shè)計(jì) 102
6.2.1 探地雷達(dá)適用性評(píng)價(jià) 103
6.2.2 目標(biāo)體特性和測(cè)量參數(shù)選擇 107
6.3 多極化測(cè)量 112
6.3.1 多極化測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 112
6.3.2 野外多極化測(cè)量方式 113
6.3.3 多極化數(shù)據(jù)校正 115
6.4 探地雷達(dá)野外資料評(píng)價(jià)及注意事項(xiàng) 119
6.4.1 資料的驗(yàn)收 119
6.4.2 實(shí)際測(cè)量中的注意事項(xiàng)及干擾消除方法 119
習(xí)題 120
參考文獻(xiàn) 121
第7章 探地雷達(dá)的數(shù)值和物理模擬 123
7.1 射線追蹤法 123
7.1.1 計(jì)算方法原理 123
7.1.2 收斂性問(wèn)題 126
7.1.3 雷達(dá)波的衰減問(wèn)題 127
7.1.4 數(shù)值模擬計(jì)算 127
7.1.5 應(yīng)用實(shí)例 128
7.2 有限元法 129
7.2.1 雷達(dá)波和地震波之間運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律的對(duì)比 129
7.2.2 雷達(dá)波有限元正演模擬的實(shí)施 130
7.2.3 數(shù)值模擬 131
7.3 時(shí)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(lì)源 145
7.3.5 計(jì)算實(shí)例 151
7.4 模型實(shí)驗(yàn) 153
7.4.1 實(shí)驗(yàn)1：直達(dá)波測(cè)量研究 153
7.4.2 實(shí)驗(yàn)2：金屬管探測(cè) 154
7.4.3 實(shí)驗(yàn)3：?jiǎn)螌铀芰习逄綔y(cè) 155
7.4.4 實(shí)驗(yàn)4：多層塑料板探測(cè) 155
7.4.5 實(shí)驗(yàn)5：水池中小球模型探測(cè)實(shí)驗(yàn) 156
7.4.6 實(shí)驗(yàn)6：復(fù)雜結(jié)構(gòu)的石蠟?zāi)Ｐ吞綔y(cè) 156
習(xí)題 158
參考文獻(xiàn) 158
第8章 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理 159
8.1 資料整理、數(shù)據(jù)處理技術(shù)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(dá)數(shù)據(jù)分析與增強(qiáng)處理 177
8.5.1 振幅恢復(fù) 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(yàn)?zāi)B(tài)分解與信號(hào)提取 181
8.6.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 181
8.6.2 整體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 183
8.6.3 完全總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 184
8.6.4 變分模態(tài)分解 185
習(xí)題 193
參考文獻(xiàn) 193
第9章 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋 194
9.1 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋基礎(chǔ)和解釋流程 194
9.2 典型目標(biāo)體探地雷達(dá)異常特征 195
9.3 時(shí)間剖面的解釋方法 198
9.3.1 反射層的拾取 198
9.3.2 時(shí)間剖面的解釋 199
9.3.3 雷達(dá)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(shí)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(xué)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(yīng)用實(shí)例 224
9.8 多極化成像與目標(biāo)識(shí)別 225
9.8.1 極化偏移成像 225
9.8.2 基于H-α分解的目標(biāo)分類識(shí)別 228
9.8.3 基于Freeman分解的目標(biāo)分類識(shí)別 232
9.9 人工智能解釋 234
9.9.1 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)智能目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別 234
9.9.2 基于深度學(xué)習(xí)的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)智能反演 244
習(xí)題 250
參考文獻(xiàn) 250
第10章 鉆孔雷達(dá) 254
10.1 鉆孔雷達(dá)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 254
10.2 鉆孔雷達(dá)的測(cè)量方式 255
10.2.1 單孔反射測(cè)量 256
10.2.2 跨孔測(cè)量 257
10.2.3 孔中-地面測(cè)量 258
10.2.4 定向鉆孔雷達(dá) 260
10.2.5 極化鉆孔雷達(dá) 262
10.3 鉆孔雷達(dá)數(shù)據(jù)處理 265
10.3.1 跨孔雷達(dá)層析成像 265
10.3.2 跨孔雷達(dá)全波形反演 273
10.4 鉆孔雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例 278
10.4.1 油田應(yīng)用 278
10.4.2 礦山和煤田應(yīng)用 281
10.4.3 水文、工程、環(huán)境地質(zhì)中的應(yīng)用 285
習(xí)題 293
參考文獻(xiàn) 293
第11章 機(jī)載探地雷達(dá) 295
11.1 發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 295
11.2 固定翼飛機(jī)搭載的探地雷達(dá) 295
11.3 直升機(jī)搭載的探地雷達(dá) 298
11.4 無(wú)人機(jī)搭載的探地雷達(dá) 300
11.5 儀器系統(tǒng)及應(yīng)用 307
習(xí)題 307
參考文獻(xiàn) 307
第12章 工程探測(cè)應(yīng)用 309
12.1 公路工程探測(cè)領(lǐng)域 309
12.1.1 公路病害檢測(cè) 309
12.1.2 公路結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè) 311
12.1.3 掌子面前方地質(zhì)超前預(yù)報(bào) 313
12.1.4 隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè) 315
12.1.5 鋼筋質(zhì)量檢測(cè) 319
12.2 水利工程探測(cè)領(lǐng)域 321
12.2.1 堤壩蟻巢、洞穴的探地雷達(dá)探測(cè) 321
12.2.2 水壩滲漏通道探測(cè) 322
12.2.3 水下工程隱患探測(cè) 323
12.2.4 江堤滑塌成因探測(cè) 324
12.3 電力工程探測(cè)領(lǐng)域 325
12.3.1 不良地質(zhì)現(xiàn)象探測(cè) 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(cè) 328
12.3.5 水電站壩基隱患探測(cè) 331
12.4 城市建設(shè)工程領(lǐng)域 332
12.4.1 地下管線探測(cè) 332
12.4.2 地下建筑結(jié)構(gòu)物探測(cè) 333
12.5 城市道路塌陷檢測(cè) 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(dá)探測(cè) 334
習(xí)題 335
參考文獻(xiàn) 336
第13章 水文地質(zhì)領(lǐng)域 337
13.1 河道探測(cè) 337
13.1.1 古河道探測(cè) 337
13.1.2 河道堵塞現(xiàn)狀探測(cè) 339
13.2 潛水面探測(cè) 340
13.3 水深探測(cè) 341
13.4 凍土層探測(cè) 342
13.5 落水洞探測(cè) 344
13.6 水下結(jié)構(gòu)物探測(cè) 345
13.7 地下水污染探測(cè) 347
習(xí)題 348
參考文獻(xiàn) 348
第14章 環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用 349
14.1 地下巖溶探測(cè) 349
14.1.1 城市區(qū)域巖溶探測(cè) 349
14.1.2 鐵路路基地下巖溶探測(cè) 350
14.2 采空區(qū)與洞穴探測(cè) 351
14.2.1 采空區(qū)探測(cè) 351
14.2.2 土洞與人防工程探測(cè) 352
14.3 滑坡探測(cè) 354
14.4 地裂縫探測(cè) 355
14.5 活動(dòng)斷層的探測(cè)與評(píng)價(jià) 356
14.6 垃圾掩埋場(chǎng)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(cè) 359
習(xí)題 361
參考文獻(xiàn) 361
第15章 土壤探測(cè)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用 362
15.1 土壤參數(shù)探測(cè) 362
15.1.1 土壤的電磁性質(zhì) 363
15.1.2 土壤含水量探測(cè) 364
15.1.3 土壤地層學(xué)研究應(yīng)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(cè) 372
15.2 土壤層與基巖層深度探測(cè) 374
15.3 堿化層厚度與含鹽度探測(cè) 375
15.3.1 堿化層厚度探測(cè) 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(cè) 379
15.5 土壤污染探測(cè) 379
習(xí)題 381
參考文獻(xiàn) 381
第16章 考古探測(cè)應(yīng)用 384
16.1 遺址勘查 385
16.1.1 基于三維陣列探地雷達(dá)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(gòu)造調(diào)查 387
16.1.3 古礦坑遺址探測(cè) 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(hào)墳 390
16.2.3 西都原古墳群第111號(hào)墳 392
16.2.4 德國(guó)中世紀(jì)教堂下墓葬 393
16.3 文物保護(hù) 394
16.3.1 古塔結(jié)構(gòu)探測(cè) 394
16.3.2 意大利馬特拉巖石教堂壁畫(huà)保護(hù) 396
習(xí)題 398
參考文獻(xiàn) 398
第17章 極地與深空探測(cè)應(yīng)用 400
17.1 極地探地雷達(dá)應(yīng)用 400
17.1.1 中國(guó)南極考察隊(duì)獲得高分辨率三維冰下地形 401
17.1.2 日本南極考察隊(duì)獲得高分辨率三維冰下地形 401
17.1.3 機(jī)載雷達(dá)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(cè) 403
17.3 極地冰底特征探測(cè) 405
17.3.1 冰底單元 405
17.3.2 冰下湖探測(cè) 405
17.3.3 冰川下地下水位探測(cè) 407
17.4 極地冰內(nèi)結(jié)構(gòu)探測(cè) 408
17.4.1 極地積雪 408
17.4.2 藍(lán)冰 408
17.4.3 冰裂隙 410
17.5 月球探地雷達(dá)應(yīng)用 411
17.5.1 嫦娥三號(hào)探月雷達(dá) 411
17.5.2 嫦娥四號(hào)探月雷達(dá) 414
17.5.3 嫦娥五號(hào)探月雷達(dá) 417
17.6 火星探地雷達(dá) 419
17.6.1 毅力者號(hào)RIMFAX 419
17.6.2 天問(wèn)一號(hào)RoPeR 422
習(xí)題 424
參考文獻(xiàn) 424
第18章 地雷和未爆炸彈與穿墻探測(cè) 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(dá)響應(yīng)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(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(hào)處理和成像 433
18.4.1 處理流程 433
18.4.2 探地雷達(dá)測(cè)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(dá)探測(cè) 439
18.5.1 超寬帶MIMO雷達(dá)穿墻成像基礎(chǔ) 440
18.5.2 超寬帶MIMO雷達(dá)穿墻成像算法 442
習(xí)題 447
參考文獻(xiàn) 447
書(shū)單推薦
