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透地雷达

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在美国阿拉巴马州探测到地下旧墓地的透地雷达回波图。双曲线反射波代表地下有物体埋藏，可能与人的墓葬有关。

透地雷达（Ground-penetrating radar，缩写：GPR[1]）是以雷达脉冲波探测地表以下状况并成像（英语：Geophysical imaging）的仪器。这是以无线电谱（英语：Radio spectrum）上的微波（UHF/VHF）波段电磁波进行的一种无损检测方式，并接收因为地表下各种物体结构造成的雷达反射波。透地雷达可以在岩石、土壤、冰、淡水、人行道以及各种结构物等介质使用。透地雷达可探测到地表下的物质、材质变化、空隙和裂隙等[2]。

原理

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透地雷达使用高频率且通常被极化的无线电波，并且将电波发射入地表之下。当电磁波撞击到埋在地表下的物体或到达介电常数变化的边界时，天线接收到的反射波会记录下反射回波（英语：Signal reflection）的讯号差异。所涉及的原理类似于反射地震学（英语：Reflection seismology），但使用的是电磁学能，而非声学能，并且电磁波会在不同介电常数的边界处反射，而声波是在声波阻抗差异边界[2]。

透地雷达可探测的深度范围受到地表下物质的电导率、发射波中心频率和发射波功率限制。电导率上升时电磁波探测深度就会下降，这是因为电磁学能会更快速经由热能消耗，使讯号强度随深度增加而衰减。高频率电磁波可穿透深度较低频率浅，但光学分辨率较高。最佳的穿透深度是在冰上可穿透数百米。而在干燥的砂质土壤或花岗岩、石灰岩、混凝土等大块物质的良好穿透深度可以达到15米。但是在潮湿或含有黏土的土壤中因为高电导率，有时候穿透深度只有数厘米[2]。

透地雷达的天线一般会接触地表以接收到最强的反射波，空载的透地雷达天线则用于地表上方。[2]

跨孔透地雷达已经被开发并应用在水文地球物理学领域，可用来评估土壤内水分是否存在与土壤含水量（英语：Water content）[3]。

应用

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美国奥克拉荷马州斯提尔瓦特附近使用透地雷达，2010年。
在德国柏林使用透地雷达进行考古探测。

透地雷达今日已在许多领域得到应用。地球科学家使用它来研究基岩、土壤、地下水和冰（英语：Radioglaciology）。有时候透地雷达会被用来寻找埋藏在河床下方的较重颗粒聚集区，可用来寻找黄金或冲积砾石层中的钻石[4]。中国的玉兔号月球车在车体底盘也搭载了透地雷达以探测月球表面土壤和外壳[5]。

透地雷达在工程上的应用包含了结构和路面的无损检测，对地下结构和管线进行定位，以及研究土壤和基岩[6][7]。在环境整治上，透地雷达可用来寻找垃圾掩埋场、污染和其他需要进行整治的区域[8]。而在考古地球物理学（英语：Geophysical survey (archaeology)）上，透地雷达可用来映射[9]考古学上的遗物、特征（英语：Feature (archaeology)）和墓地并绘制成图。在执法上则应用透地雷达寻找隐密墓地或尸体等物体掩埋区域[10]。军事上则可使用透地雷达侦测地雷、未爆弹药和地道[11]。

1987年以前，英国伯明翰的弗兰克利水库（英语：Frankley Reservoir）每秒漏水量达到540升。1987年科学家使用透地雷达成功找到漏水区，并将漏水区隔离[12]。

孔内雷达应用透地雷达技术以测绘钻孔以外的地表下结构。现代的定向孔内雷达系统可在单一钻孔内探测并形成3维影像[13]。

另一个透地雷达常见的应用就是对地表下的管线进行定位，这是因为透地雷达可以产生地表下电力、排水等各种管道的3维影像[14]。

英国第四台电视节目《考古小队（英语：Time Team）》中常可看到透地雷达被用来确认适合进行开挖以搜寻物品的情节。1992年时英国办案人员使用透地雷达找到绑架犯麦可·萨姆斯（英语：Michael Sams）绑架了一名地产代理后所获得，并且被埋在野外的15万英镑赎金[15]。

考古学

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透地雷达的深度水平剖面图显示了一个墓地中古老墓穴的存在。这些平面视图显示了不同深度的地下构造。单独代表垂直剖面的第60行资料则是收集后组成一个3维资料阵列，以表示不同深度的平面视图。
透地雷达深度垂直剖面图显示了来自上图墓穴探测的单一行资料。墓穴的拱顶在地表下深度1到2.5米处可见。

透地雷达发射的电磁脉冲讯号会被射入地表之下。地表下的物体和地层将会使电磁脉冲被反射，并且被接收天线收到。探测者可从反射波的传递时间得知深度，而这些资料可绘制成图表上的曲线，例如在平面视图中将特定的深度分离出来，或作为3维模型[16]。

透地雷达在有利的条件下（均质砂土区域最理想）是相当有用的工具。就和其他使用于考古学的地球物理方式一样（挖掘除外），透地雷达探测可以发现考古文物所在位置，并且将考古特征测绘成地图，而不会有损伤文物的风险。在考古学使用的地球物理探勘方式中，透地雷达可以侦测到一些相对体积较小的物体，并且深度较深，更有辨别异常反射波源深度的能力[17]。透地雷达主要的缺点是在比较不理想的环境中，探测能力会受到严重限制。黏土和淤泥等细颗粒沉积物常对透地雷达的探测造成困扰，这是因为这类物质的高电导率会使讯号强度衰减。岩石或不均匀沉积会使透地雷达的讯号被散射，使有效讯号的强度衰减，并使外部噪声增加[18]。

三维成像

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单一行透地雷达资料可以显示地表下特定深度的剖面图。而系统性的多行资料则可以组成3维或特定剖面（英语：Tomography）影像。探测获得的资料可以组成3维影像，或水平、垂直的剖面图。水平的剖面（称为“深度剖面”或“时间剖面”）是从平面视图中分离出特定深度而绘成。时间剖面现在是应用在考古学上的标准地球物理技术，这是因为水平图层通常是表示不同时期文化活动最重要的工具[19]。

限制

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最常见的使透地雷达功能受到限制的环境是高电导率的物质，例如黏土质土壤和受到盐分污染区域。透地雷达在地下物质差异交界处（例如岩石和土壤之间）则会因为讯号被散射而大幅降低其探测能力[20]。

其他目前使用的透地雷达系统还有如下限制：

  • 雷达图的判读对于新手而言是不直观的。
  • 为了有效地设计、执行透地雷达调查和判读其资料，必须要有一定的专业知识。
  • 大范围的透地雷达调查相当耗电等能源。

透地雷达的设备至今仍在不断改进前述的限制中，并且未来的改进是可期待的。

功率规定

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2005年，欧洲电信标准协会提出透地雷达设备与操作人员的规范文件以防止雷达释放过量的电磁波辐射[21]。之后成立的欧洲透地雷达协会（EuroGPR）是作为保持透地雷达在欧洲合法使用的代表性组织。

类似技术

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透地雷达可利用数种技术产生脉冲雷达波[22]： 步进频率、频率调制连续波（英语：Continuous-wave radar）（FMCW）和噪声。2009年起市场上也开始以数字信号处理计数在透地雷达探测时立即进行讯号处理，而非探测结束后才进行。

有一种特殊的透地雷达系统使用未经调制的连续波讯号。这种全息透地雷达和其他种类的透地雷达不同处在于可取得地表下特定水平面的全息影像。这种雷达的穿透深度相当浅（约20到30厘米），但是平面分辨率足以分辨土中的埋藏物或空洞、缺陷区域、窃听设备，或者藏在墙壁中、地板内的物体、结构元件[23][24]。

透地雷达可装设于车辆上进行近距离高速道路探测[25]，并且即使是待命状态，仍然可以进行地雷侦测[26][27]。

透管雷达（Pipe-Penetrating Radar，PPR）是透地雷达技术应用在钻孔内的形式，其发射的讯号会直接通过管道和管壁以探测管壁厚度和管壁外的空洞[28]。

透墙雷达的讯号可以穿透墙壁，甚至可以当作警察的动作感应器（英语：Motion detector）[29]。

目前有一扫雷计划是寻求设计一个由软式飞船搭载的超宽频合成孔径雷达系统以寻找地雷存在的区域[30]

参考文献

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  1. ^ Balabin, R. V.; Volkomirskaya, L. B.; Gulevich, O. A.; Krivosheev, N. V.; Lyakhov, G. A.; Musalev, D. N.; Reznikov, A. E.; Safieva, R. Z.; Semyonov, S. N. Georadar Sensing from Terrestrial Surface and Shafts: Approaches to Evaluation of Rock Fracturing. Physics of Wave Phenomena. 2015, 23 (2): 143–153 [2024-03-19]. doi:10.3103/S1541308X15020107. （原始内容存档于2024-03-19）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Daniels DJ (ed.). Ground Penetrating Radar 2nd. Knoval (Institution of Engineering and Technology). 2004: 1–4. ISBN 978-0-86341-360-5. 
  3. ^ Chang, Ping-Yu; Alumbaugh, David. An analysis of the cross-borehole GPR tomography for imaging the development of the infiltrated fluid plume. Journal of Geophysics and Engineering. 2011, 8 (2): 294 [11 August 2014]. doi:10.1088/1742-2132/8/2/014. 
  4. ^ Wilson, M. G. C.; Henry, G.; Marshall, T. R. A review of the alluvial diamond industry and the gravels of the North West Province, South Africa (PDF). South African Journal of Geology (Geological Society of South Africa). 2006, 109 (3): 301–314 [9 December 2012]. doi:10.2113/gssajg.109.3.301. （原始内容存档 (PDF)于2013-07-05）. 
  5. ^ China Moon Landing: 'Jade Rabbit' Rover Basks in Lunar Bay of Rainbows. [2014-08-11]. （原始内容存档于2021-03-15）. 
  6. ^ Mellett, James S. Ground penetrating radar applications in engineering, environmental management, and geology. Journal of Applied Geophysics (Elsevier). 1995, 33 (1-3): 157–166 [11 August 2014]. doi:10.1016/0926-9851(95)90038-1. （原始内容存档于2020-04-27）. 
  7. ^ Application of Ground Penetrating Radar to Civil and Geotechnical Engineering (PDF). [2014-08-11]. （原始内容 (PDF)存档于2017-08-29）. 
  8. ^ Splajt, T.; Ferrier, G.; Frostick, L. E. Application of ground penetrating radar in mapping and monitoring landfill sites. Environmental Geology (Springer). 2003, 44 (8): 963–967 [11 August 2014]. doi:10.1007/s00254-003-0839-5. （原始内容存档于2021-03-15）. 
  9. ^ Examples of Successful GPR Surveys 互联网档案馆的存档，存档日期2014-02-09.
  10. ^ CSI: Geophysics. [2014-08-11]. （原始内容存档于2014-08-12）. 
  11. ^ Army ground-penetrating radar program moves forward; NIITEK to provide test IED sensors. [2014-08-11]. （原始内容存档于2017-08-25）. 
  12. ^ Penguin Dictionary of Civil Engineering p347 (Radar)
  13. ^ Borchert, Olaf: Receiver Design for a Directional Borehole Radar System （页面存档备份，存于互联网档案馆） Dissertation, University of Wuppertal, 2008
  14. ^ Ni, Sheng-Huoo; Huang, Yan-Hong; Kuo-Feng, Lo; Lin, Da-Ci. Buried pipe detection by ground penetrating radar using the discrete wavelet transform. Computers and Geotechnics (Elsevier). 2010, 37 (4): 440–448 [12 August 2014]. doi:10.1016/j.compgeo.2010.01.003. （原始内容存档于2015-09-24）. 
  15. ^ Son prays for a breakthrough as forensic team begins search of garden for missing teacher Ellen Ruffle. [2014-08-12]. （原始内容存档于2021-03-15）. 
  16. ^ What is GPR? 互联网档案馆的存档，存档日期2014-02-17.
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  18. ^ Archaeological Survey Ground-Penetrating Radar. [2014-08-13]. （原始内容存档于2015-09-24）. 
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  21. ^ ETSI EG 202 730 V1.1.1 (2009–09), "Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Code of Practice in respect of the control, use and application of Ground Probing Radar (GPR) and Wall Probing Radar (WPR) systems and equipment
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  24. ^ Ivashov, S. I.; Razevig, V. V.; Vasiliev, I. A.; Zhuravlev, A. V.; Bechtel, T. D.; Capineri, L. Holographic Subsurface Radar of RASCAN Type: Development and Application (PDF). IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observation and Remote Sensing. 2011, 4 (4): 763–778 [26 September 2013]. doi:10.1109/JSTARS.2011.2161755. （原始内容存档 (PDF)于2013-09-29）. 
  25. ^ Development of High-Speed Ultrawideband Ground-Penetrating Radar for Rebar Detection (PDF). [2014-08-14]. （原始内容 (PDF)存档于2018-12-22）. 
  26. ^ Observations on syntactic landmine detection using impulse ground-penetrating radar. [2014-08-14]. （原始内容存档于2020-09-23）. 
  27. ^ Ground Penetrating Radar for Buried Landmine and IED Detection. [2014-08-14]. （原始内容存档于2020-04-27）. 
  28. ^ Condition Assessments Using Pipe Penetrating Radar: The Metro Wastewater Reclamation District, Denver, CO—Harvard Gulch Interceptor Case Study
  29. ^ No Place to Hide, Portable radar devices see through walls and report what's inside. [2014-08-14]. （原始内容存档于2021-03-15）. 
  30. ^ Mineseeker Mine Detecting Airship, United Kingdom. [2014-08-14]. （原始内容存档于2021-03-15）. 

延伸阅读

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  • Conyers, L. B. Ground-penetrating Radar for Archaeology. Walnut Creek, CA., United States: AltaMira Press Ltd. 2004. 

考古学的地球物理探勘方法概述可参考以下书籍：

外部链接

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维基共享资源上的相关多媒体资源：透地雷达
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