摘要探地雷達（ＧＰＲ）是淺表地球物理科學技術中的一項重要手段．其重要性體現在它的應用廣泛性和有效性．在工程檢測、環境保護、文物考古、災害救援、反恐安檢、資源勘探、水文水利等科學技術領域中探地雷達都在發揮著其他手段無法取代的重要作用．關于探地雷達發展歷史、基本系統及原理、信號處理與成像等方面的綜述性文章已經很多．本文將重點評述作為淺表地球物理觀測技術重要手段的探地雷達在幾個基礎地學與工程技術領域中的應用．這些方面包括沙漠中高大沙丘的內部結構與形成機理，永久凍土的現狀探測與演化預測，民用基礎設施（公路、橋梁、大壩、堤防）內部或地基內空洞及軟弱帶的檢測，以及地震災害現場生命探測與救援．本文還將用一定篇幅評述探地雷達技術的變異形式（如鉆孔雷達、探月雷達）．評述將結合觀測實例，尤其是在中國大陸的實例．最后將就探地雷達技術現存的問題及發展方向提出個人見解．需要強調的是，盡管本文以探地雷達的科研應用為主題，淺表地球物理科技成果在各個領域的成功應用絕對不可能倚賴任何單一手段或方法．所有成功的實例都證明一定要強調某一方法為主，其他手段為輔，多手段、多方法的有效配合，才有可能最大程度的減小探測結果的非唯一性，提高準確度和精確度．

　　關鍵詞淺表地球物理；探地雷達；高大沙丘；永久凍土；生命探測與救援

　　１引言

　　探地雷達（ＧｒｏｕｎｄＰｅｎｅｔｒａｔｉｎｇＲａｄａｒ，ＧＰＲ）是以探察地下不同介質的電磁性質（介電常數、電導率、磁導率）的差異為物理前提的一種射頻（０．１０～３ＧＨｚ）電磁技術．ＧＰＲ發射天線發射的電磁波在地層中傳播時，如果遇到電磁性質不同的物體（目標），將發生前向和后向的散射．散射波在多個目標之間以及目標內部還會形成新的散射．向地面傳播的散射波將被接收天線接收．隨著天線的移動，ＧＰＲ記錄到各測量點處的電磁波信號，經過數學處理和分析后可判斷地質分層情況和各層的材質等，同時可以識別地下目標體．

　　２探地雷達在淺地表地球物理科學技術中的應用

　　２．１沙丘內部結構及形成機理

　　隨著亞洲內陸干旱化、水資源與生態恢復、沙塵暴源區等研究的不斷深入，風沙形成的機理研究已成為國內外十分關切的問題（Ｙａｎｇｅｔａｌ．，２０１０；Ｄｏｎｇｅｔａｌ．，２０１３）．高大沙丘（沙山）的形態能夠提供沙漠及沙漠邊緣地帶的古氣候條件的寶貴信息，包括風況的演化歷史（Ｌａｎｃａｓｔｅｒ，２００８）．內蒙古西部的巴丹吉林沙漠東南部的高大沙丘是一種獨特的風沙地貌．當地干旱少雨，地表水源缺稀，而其中的高大沙丘之間卻分布著眾多常年性湖泊．是罕見而珍貴的世界性地質遺產，為世界上規模最宏大的沙山地貌．自２０世紀３０年代以來，吸引了眾多國內外學者對其進行研究（楊小平，２００２；Ｇａｔｅｓｅｔａｌ．，２００８）．而其湖泊水的來源仍是學者探索的熱點和難點．雖然人們對沙丘表面地貌已有較多的了解，但沙丘的內部結構對地下水運移、沙丘間湖泊形成的影響卻知之甚少．解釋高大沙丘的成因需將表面地貌和內部結構統一考慮．探地雷達是了解沙山內部結構最為有效的探測手段。

　　２．２多年凍土現狀，演化及對基礎設施地基穩定性的影響

　　多年凍土是指保持在０°C或０°C以下至少兩年的巖土體．永久凍土分為兩層：上部是夏融冬凍的季節活動層；下部是終年不融的多年凍結層．按體積含冰量劃分，多年凍結層可細劃分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土、含土冰層等五種類型．飽冰凍土和少冰凍土可視為最主要的兩種典型凍土類型．飽冰凍土內部冰晶體通常呈層狀或斑狀構造，體積含冰量在５０％以上；少冰凍土內部冰晶體通常呈整體狀或網狀構造，體積含冰量在２５％以下．多年凍土在中國有著廣泛的分布，其面積約占國土總面積的２２％．青藏高原多年凍土層對氣候變遷極為敏感．現有的觀測表明，青藏高原淺表地溫在增高，與此相伴隨的則有凍土季節活動層的增厚．在地面的表現則是水面和湖面水位的下降，和氣候變干之后造成的荒漠化（ＣｈｅｎｇａｎｄＷｕ，２００７）．

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　　３探地雷達技術的變異形式

　　３．１鉆孔雷達

　　鉆孔雷達技術可以彌補常規地面雷達技術及地質勘探技術的不足，更大范圍地提供了地下目標更為直接的信息．其主要應用領域在環境評價、工程地質、巖土工程、考古、水文地質和高放射性廢料儲存場所選址等方面的研究上．在國際上，鉆孔雷達的研制始于無定向單孔雷達，發展到無定向跨孔雷達并可做跨孔層析成像．淺層無定向鉆孔雷達已經發展到實用階段．在商用市場上常見的有瑞典的ＭＡＬＡＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅ的Ｒａｍａｃ鉆孔雷達系統，測量深度可達１５０ｍ．該系統已大量用于地下水資源與地下水污染，基巖中裂隙發育展布的野外調查（Ｌｉｕｅｔａｌ．，１９９８；Ｚｈｏｕｅｔａｌ．，２００１；ＺｈｏｕａｎｄＬｉｕ２００１；Ｇｒéｇｏｉｒｅｅｔａｌ．，２００６；ＬｉｕａｎｄＳａｔｏ，２００６；劉四新等，２００６；Ｄｏｒｎｅｔａｌ．，２０１１）．

　　３．２探月雷達

　　由于月球處于絕對干燥狀態，月壤和月巖對雷達波的損耗衰減遠小于地球上含水的土壤和巖石．因此，雷達波更容易穿透月球淺表，在月球上能夠實現更深的探測深度．中國嫦娥－３（ＣＥ－３）探月計劃中車載探月雷達（ＬＰＲ）系統由中國科學院電子學研究所方廣有研究團隊研制開發（Ｆａｎｇｅｔａｌ．，２０１４）．該系統由６０ＭＨｚ（ＣＨ１）和５００ＭＨｚ（ＣＨ２）兩個信道組成，分別用于探測不同深度的月球物質成分與結構．ＣＥ－３探月雷達對著陸區月壤厚度和月殼次表層巖石地質結構實施了高分辨率的成像探測．探測結果（Ｘｉａｏｅｔａｌ．，２０１５）表明，基于探月雷達ＣＨ２的成像結果ＣＥ－３探月器著陸區的月壤厚度約為４～８ｍ；而ＣＨ１的數據表明在大約１４０、２４０和３６０ｍ深處的月球玄武巖中可能存在著不整合面．北京大學Ｆａ等（２０１５）對ＣＥ－３探月雷達ＣＨ２的數據做了進一步分析，他們認為ＣＥ－３探月器著陸區的月球表面有一個不到１ｍ厚的表層，接著是一個２～６ｍ厚的撞擊拋出物層，下面是一個４～９ｍ厚的古月壤層．在此以下則為介于月壤與月球玄武巖之間的轉換帶，其中尚有較大的碎物塊體．我們相信，更多的寶貴信息會隨著研究的深入而發表出來．

　　４結論與展望

　　隨著應用范圍的不斷拓寬，實際問題對尚處于成長期的探地雷達提出越來越高的技術要求，其中探測深度和分辨率的矛盾顯得越來越明顯，這對硬件、軟件都提出了更高的挑戰．在硬件方面，三維探地雷達陣列已開始出現在商業市場上，高速數據采集技術正逐步向高端發展．在沖擊脈沖雷達（方廣有等，１９９８）有了長足的進步與廣泛的應用之后，調頻連續波（ＦＭＣＷ）雷達技術由于其特有的優勢，又開始受到研究人員的青睞，以應對在某些領域中脈沖雷達無法解決的問題．在ＦＭＣＷ技術中，探地雷達系統最常采用的是步進調頻連續波（ＳＦＣＷ）．很多研究院所及高校都有自己的ＳＦＣＷ探地雷達系統用于科研開發．在商業市場的推廣上尚不普遍．

　　參考文獻

　　白旸，王乃昂，何瑞霞等．２０１１．巴丹吉林沙漠湖相沉積的探地雷達圖像及光釋光年代學證據．中國沙漠，３１（４）：８４２－８４７．

　　方廣有，張忠治，汪文秉．１９９８．脈沖探地雷達的模擬計算．微波學報，１４（４）：２８８－２９５．

　　傅磊，劉四新，劉瀾波等．２０１４．機載探地雷達數值模擬及逆時偏移成像．地球物理學報，５７（５）：１６３６－１６４６，ｄｏｉ：１０．６０３８／ｃｊｇ２０１４０５２６．

　　劉瀾波１，錢榮毅２