探地雷达是用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律及属性的一种地球物理方法，它利用宽带电磁波以脉冲形式来探测地表之下的物体或结构，或者确定不可视的物体或结构。经过几十年的发展，探地雷达逐渐趋于成熟，且由于具有高分辨率、高效率等优点而广泛应用于工程、环境和资源等浅部地球物理领域，取得了很好的效果。本书介绍探地雷达的基本原理、天线、系统、测量方法与技术、数据处理、解释与模拟及其在不同领域中的应用。本书是在充分吸收国内外研究成果的基础上编著而成的，目的是以教学用书的形式，为在校大学生和从事探地雷达研究与应用的工程技术人员提供一本内容详细的教材或参考书。
曾昭发，吉林大学唐敖庆特聘教授，博士生导师，吉林省政协委员，国务院学位委员会第八届地质资源与地质工程学科评议组成员，中国地球物理学会常务理事，中国地球物理学会环境地球物理专业委员会副主任委员，吉林省地球物理学会常务理事，吉林省拔尖创新人才，首批国家级黄大年式教师团队核心成员；现为吉林大学地球探测科学与技术学院院长，长期从事工程与环境地球物理的教学与科研工作，开发了MIMO探地雷达系统、低频极化干涉探地雷达系统，提出了探地雷达随机等效介质的探测与成像方法技术；主持国家和省部级科研项目20余项；发表高水平学术论文200余篇；培养研究生50余名；出版教材或专著6部；获省部级科技进步一等奖1项、二等奖3项。
目 录
第1章 探地雷达的起源及特点 1
1.1 探地雷达的基本概念 1
1.2 探地雷达的发展历史 1
1.3 探地雷达的优越性 5
1.4 探地雷达的局限性 6
1.5 探地雷达的发展趋势 6
1.6 探地雷达的应用 7
习题 8
参考文献 8
第2章 探地雷达的电磁基础 11
2.1 电磁波传播的基本规律 11
2.1.1 电磁波谱 11
2.1.2 麦克斯韦方程组 12
2.1.3 本构关系 13
2.1.4 探地雷达方法中电磁波的波动性 14
2.1.5 电磁波的横波性质 15
2.1.6 能流密度矢量 16
2.1.7 电磁位函数 17
2.2 平面电磁波 18
2.2.1 理想介质中的平面波 18
2.2.2 导电介质中的平面波 23
2.2.3 平面波的极化 26
2.2.4 平面波的反射和透射 29
2.2.5 多层介质表面的正入射 35
2.2.6 电磁散射 37
2.2.7 色散和群速 40
习题 41
参考文献 41
第3章 介质的电性质及对电磁波传播参数的影响 42
3.1 介质的电性参数 42
3.1.1 介质的电导率 42
3.1.2 电介质的极化和介电常数 42
3.1.3 矿物的电性质 43
3.1.4 岩石的电导率与介电常数 44
3.1.5 土壤的电导率和介电常数 47
3.1.6 植被的介电常数 48
3.1.7 永久冻土的电性参数 48
3.1.8 人造介质的电性参数 49
3.2 介质电性参数和介质电性参数模型 49
3.2.1 介质介电常数与电磁场频率的关系 49
3.2.2 探地雷达平台 51
3.2.3 混合介质的介电常数模型 52
3.2.4 介质的介电常数模型 53
3.3 电磁波传播参数与介质电性质的关系 55
3.3.1 电性参数对相速度的影响 55
3.3.2 电性参数对衰减系数的影响 57
习题 58
参考文献 58
第4章 探地雷达仪器系统和工作方法 59
4.1 探地雷达仪器和参数 59
4.1.1 探地雷达系统的信号调制方式 59
4.1.2 探地雷达系统的主要设计参数 61
4.2 时间域探地雷达 63
4.2.1 时间域探地雷达的基本原理 63
4.2.2 GSSI的SIR系列的构成和技术指标 64
4.2.3 加拿大EKKO系列探地雷达 65
4.2.4 RAMAC/GPR探地雷达系统 65
4.2.5 中国电波传播研究所LTD-2100探地雷达 66
4.3 FMCW探地雷达 67
4.3.1 FMCW雷达探测的基本原理 67
4.3.2 FMCW探地雷达 69
4.4 步进频率探地雷达 73
4.4.1 步进频率探地雷达系统的基本原理 73
4.4.2 步进频率探地雷达系统设计方案 74
4.4.3 步进频率探地雷达实验系统 75
4.5 脉冲探地雷达和步进频率探地雷达的比较 76
习题 78
参考文献 78
第5章 探地雷达天线 80
5.1 天线基本元的辐射 80
5.1.1 近区 81
5.1.2 远区 81
5.1.3 中间区 82
5.2 天线的基本参数 83
5.2.1 天线效率 83
5.2.2 输入阻抗 84
5.2.3 辐射方向图（波瓣图） 84
5.2.4 方向系数 85
5.2.5 极化 86
5.2.6 增益系数 86
5.2.7 有效长度 87
5.2.8 工作频带宽度 88
5.2.9 天线的屏蔽 88
5.2.10 接收天线的电参数 89
5.3 探地雷达的天线类型及辐射形式 89
5.3.1 天线在探地雷达系统中的作用 89
5.3.2 简单的探地雷达辐射系统——线天线 89
5.3.3 从线性天线到圆锥形天线、领结形天线和圆柱形天线 91
5.4 常见探地雷达天线 93
5.4.1 5100型天线 94
5.4.2 3101D型天线 94
5.4.3 5103型天线 94
5.4.4 5106型天线 94
5.4.5 3207型天线和3207A型天线 95
5.4.6 3200 MLF型低频天线 95
5.4.7 Subecho-40型和Subecho-70型天线 95
5.4.8 4108型角形天线 96
5.4.9 Vivaldi天线 96
习题 97
参考文献 97
第6章 探地雷达工作方法 99
6.1 探地雷达的测量方式 99
6.1.1 反射测量方式 99
6.1.2 折射测量方式 101
6.1.3 透射测量方式 102
6.1.4 MIMO测量方式 102
6.2 探地雷达野外测量设计 102
6.2.1 探地雷达适用性评价 103
6.2.2 目标体特性和测量参数选择 107
6.3 多极化测量 112
6.3.1 多极化测量实验系统 112
6.3.2 野外多极化测量方式 113
6.3.3 多极化数据校正 115
6.4 探地雷达野外资料评价及注意事项 119
6.4.1 资料的验收 119
6.4.2 实际测量中的注意事项及干扰消除方法 119
习题 120
参考文献 121
第7章 探地雷达的数值和物理模拟 123
7.1 射线追踪法 123
7.1.1 计算方法原理 123
7.1.2 收敛性问题 126
7.1.3 雷达波的衰减问题 127
7.1.4 数值模拟计算 127
7.1.5 应用实例 128
7.2 有限元法 129
7.2.1 雷达波和地震波之间运动学规律的对比 129
7.2.2 雷达波有限元正演模拟的实施 130
7.2.3 数值模拟 131
7.3 时域有限差分法 134
7.3.1 FDTD基本原理 134
7.3.2 解的稳定条件和数值色散 138
7.3.3 吸收边界条件 143
7.3.4 FDTD中的常用激励源 145
7.3.5 计算实例 151
7.4 模型实验 153
7.4.1 实验1：直达波测量研究 153
7.4.2 实验2：金属管探测 154
7.4.3 实验3：单层塑料板探测 155
7.4.4 实验4：多层塑料板探测 155
7.4.5 实验5：水池中小球模型探测实验 156
7.4.6 实验6：复杂结构的石蜡模型探测 156
习题 158
参考文献 158
第8章 探地雷达数据处理 159
8.1 资料整理、数据处理技术要求 160
8.2 数据编辑 160
8.3 常规处理 161
8.3.1 数字滤波原理 161
8.3.2 反滤波（反卷积） 163
8.4 偏移处理 172
8.4.1 偏移归位的概念 172
8.4.2 绕射扫描叠加 172
8.4.3 相移偏移法 173
8.4.4 基尔霍夫积分偏移法原理 176
8.5 探地雷达数据分析与增强处理 177
8.5.1 振幅恢复 177
8.5.2 道内均衡 178
8.5.3 道间均衡 178
8.5.4 希尔伯特变换与属性分析 179
8.6 经验模态分解与信号提取 181
8.6.1 经验模态分解 181
8.6.2 整体经验模态分解 183
8.6.3 完全总体经验模态分解 184
8.6.4 变分模态分解 185
习题 193
参考文献 193
第9章 探地雷达数据解释 194
9.1 探地雷达数据解释基础和解释流程 194
9.2 典型目标体探地雷达异常特征 195
9.3 时间剖面的解释方法 198
9.3.1 反射层的拾取 198
9.3.2 时间剖面的解释 199
9.3.3 雷达波速度的求取 200
9.4 属性解释 203
9.5 频散介质一维反演 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全波形反演的发展历史及现状 208
9.6.2 时间域全波形反演 209
9.6.3 频率域全波形反演 214
9.7 阻抗反演 219
9.7.1 阻抗反演的发展历史及现状 219
9.7.2 电磁学中的波阻抗 220
9.7.3 有限带宽阻抗反演的基本原理 220
9.7.4 数值模拟算例 223
9.7.5 应用实例 224
9.8 多极化成像与目标识别 225
9.8.1 极化偏移成像 225
9.8.2 基于H-α分解的目标分类识别 228
9.8.3 基于Freeman分解的目标分类识别 232
9.9 人工智能解释 234
9.9.1 探地雷达数据智能目标检测与识别 234
9.9.2 基于深度学习的探地雷达数据智能反演 244
习题 250
参考文献 250
第10章 钻孔雷达 254
10.1 钻孔雷达的发展历史及现状 254
10.2 钻孔雷达的测量方式 255
10.2.1 单孔反射测量 256
10.2.2 跨孔测量 257
10.2.3 孔中-地面测量 258
10.2.4 定向钻孔雷达 260
10.2.5 极化钻孔雷达 262
10.3 钻孔雷达数据处理 265
10.3.1 跨孔雷达层析成像 265
10.3.2 跨孔雷达全波形反演 273
10.4 钻孔雷达应用实例 278
10.4.1 油田应用 278
10.4.2 矿山和煤田应用 281
10.4.3 水文、工程、环境地质中的应用 285
习题 293
参考文献 293
第11章 机载探地雷达 295
11.1 发展历史及现状 295
11.2 固定翼飞机搭载的探地雷达 295
11.3 直升机搭载的探地雷达 298
11.4 无人机搭载的探地雷达 300
11.5 仪器系统及应用 307
习题 307
参考文献 307
第12章 工程探测应用 309
12.1 公路工程探测领域 309
12.1.1 公路病害检测 309
12.1.2 公路结构层厚度检测 311
12.1.3 掌子面前方地质超前预报 313
12.1.4 隧道衬砌质量检测 315
12.1.5 钢筋质量检测 319
12.2 水利工程探测领域 321
12.2.1 堤坝蚁巢、洞穴的探地雷达探测 321
12.2.2 水坝渗漏通道探测 322
12.2.3 水下工程隐患探测 323
12.2.4 江堤滑塌成因探测 324
12.3 电力工程探测领域 325
12.3.1 不良地质现象探测 325
12.3.2 岩性界面划分 326
12.3.3 核电站选址勘察 327
12.3.4 灰坝渗漏探测 328
12.3.5 水电站坝基隐患探测 331
12.4 城市建设工程领域 332
12.4.1 地下管线探测 332
12.4.2 地下建筑结构物探测 333
12.5 城市道路塌陷检测 333
12.5.1 城市道路塌陷隐患成因 333
12.5.2 城市道路塌陷探地雷达探测 334
习题 335
参考文献 336
第13章 水文地质领域 337
13.1 河道探测 337
13.1.1 古河道探测 337
13.1.2 河道堵塞现状探测 339
13.2 潜水面探测 340
13.3 水深探测 341
13.4 冻土层探测 342
13.5 落水洞探测 344
13.6 水下结构物探测 345
13.7 地下水污染探测 347
习题 348
参考文献 348
第14章 环境地质应用 349
14.1 地下岩溶探测 349
14.1.1 城市区域岩溶探测 349
14.1.2 铁路路基地下岩溶探测 350
14.2 采空区与洞穴探测 351
14.2.1 采空区探测 351
14.2.2 土洞与人防工程探测 352
14.3 滑坡探测 354
14.4 地裂缝探测 355
14.5 活动断层的探测与评价 356
14.6 垃圾掩埋场地选址与调查 358
14.7 地下废弃物调查 359
14.8 油气污染监测 359
习题 361
参考文献 361
第15章 土壤探测与农业领域应用 362
15.1 土壤参数探测 362
15.1.1 土壤的电磁性质 363
15.1.2 土壤含水量探测 364
15.1.3 土壤地层学研究应用 369
15.1.4 泥炭湿地调查 370
15.1.5 土壤中植物根系的检测 372
15.2 土壤层与基岩层深度探测 374
15.3 碱化层厚度与含盐度探测 375
15.3.1 碱化层厚度探测 375
15.3.2 土壤盐分和土壤质地 378
15.4 洪积扇区砾石层厚度探测 379
15.5 土壤污染探测 379
习题 381
参考文献 381
第16章 考古探测应用 384
16.1 遗址勘查 385
16.1.1 基于三维阵列探地雷达系统的大规模考古遗址勘查 385
16.1.2 日本群马县浮石层下的遗址构造调查 387
16.1.3 古矿坑遗址探测 388
16.2 古墓勘查 389
16.2.1 日本南九州地下横墓穴 389
16.2.2 西都原古坟群第100号坟 390
16.2.3 西都原古坟群第111号坟 392
16.2.4 德国中世纪教堂下墓葬 393
16.3 文物保护 394
16.3.1 古塔结构探测 394
16.3.2 意大利马特拉岩石教堂壁画保护 396
习题 398
参考文献 398
第17章 极地与深空探测应用 400
17.1 极地探地雷达应用 400
17.1.1 中国南极考察队获得高分辨率三维冰下地形 401
17.1.2 日本南极考察队获得高分辨率三维冰下地形 401
17.1.3 机载雷达调查数据揭露格陵兰和南极冰盖冰下地形 402
17.2 极地内部冰层探测 403
17.3 极地冰底特征探测 405
17.3.1 冰底单元 405
17.3.2 冰下湖探测 405
17.3.3 冰川下地下水位探测 407
17.4 极地冰内结构探测 408
17.4.1 极地积雪 408
17.4.2 蓝冰 408
17.4.3 冰裂隙 410
17.5 月球探地雷达应用 411
17.5.1 嫦娥三号探月雷达 411
17.5.2 嫦娥四号探月雷达 414
17.5.3 嫦娥五号探月雷达 417
17.6 火星探地雷达 419
17.6.1 毅力者号RIMFAX 419
17.6.2 天问一号RoPeR 422
习题 424
参考文献 424
第18章 地雷和未爆炸弹与穿墙探测 427
18.1 地雷和未爆炸弹 427
18.1.1 地雷 427
18.1.2 未爆炸弹 427
18.2 地雷和未爆炸弹探地雷达响应特征 427
18.2.1 极化特征 429
18.2.2 埋藏环境影响 430
18.2.3 杂波影响 430
18.3 专用探地雷达系统设计 431
18.3.1 工作频带 431
18.3.2 天线系统 431
18.3.3 系统稳定性 433
18.4 信号处理和成像 433
18.4.1 处理流程 433
18.4.2 探地雷达测量地表地形 435
18.4.3 多次覆盖提高信杂比 436
18.4.4 偏移成像 438
18.5 穿墙雷达探测 439
18.5.1 超宽带MIMO雷达穿墙成像基础 440
18.5.2 超宽带MIMO雷达穿墙成像算法 442
习题 447
参考文献 447
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