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勘探尖兵——探地雷达
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勘探尖兵——探地雷达
文/马志飞
对于北京先农坛，民间一直传说这儿附近有一块乾隆御题石碑。北京市文物局一直对该传说高度重视，几十年来，并多次派专人寻找过这块石碑，但始终一无所获。
2004年9月，北京市文物局决定再次寻找这块神秘的乾隆御碑。与以往不同的是，这一次他们不再局限于调查和挖掘，而是请来了北京市地质研究所的地质专家，并采用高科技仪器进行探测，就像我们小时候看的电影《地雷战》中工兵探地雷一样逐点扫描地面。后来，他们在先农坛北坛区的一家食品厂所在院落中发现地下有异物存在，圈定了异常位置之后通过人工挖掘，终于找到了这块重达40多吨的国宝级文物！
无独有偶。2005年，北京延庆硅化木（也称木化石）国家地质公园，管理人员认为除了地表可见的少量木化石之外，公园地下还应埋藏有大量的木化石。为了能进一步保护这一罕见的地质遗迹，他们委托北京市地质研究所的研究人员前来探测。专家们采用同样的方法和仪器，在这里成功探测出“沉睡”于地下1亿多年的木化石十余株！
让我们感到好奇的是，地质专家用的是一种什么样的神秘方法和仪器呢？
其实，这是一种雷达。
雷达为何物
说起雷达，想必大家都不会陌生，在电影中我们经常会看到这样的场面：一个个如同大锅盖一样的东西朝向天空，不断转动天线搜寻着空中的飞机，控制室的计算机屏幕上闪烁不止，一旦发现敌情便响起刺耳的警报声。那一个个“大锅盖”，就是雷达系统的一部分，只不过我们所了解的这些雷达通常在军事领域和航空领域中用于侦查和导航，地质工作者所用的则是一种比较特殊的雷达。
雷达是英文radar的音译，为“无线电检测和测距”英文名称的缩写。早在20世纪初就有了雷达的概念，但是直到第二次世界大战前后，雷达才得到迅速发展，主要就是出于作战的需要。
雷达就像是我们人类的眼睛，但它比我们的眼睛更神奇，不论白天黑夜它都能探测到远距离的目标，而且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，还有一定的穿透能力。虽然雷达系统各式各样，但都可以将其简单地分为三大组成部分：发射天线、接收天线和主控制机。其原理就是雷达系统的发射机通过天线把电磁波射向空间，处在此方向上的物体将碰到的电磁波反射回来，接受天线收到此反射波，然后主控制机对所接收到的信号进行分析处理，提取出有关该物体的某些信息，比如方位、高度、距离等。
雷达不仅是军事上必不可少的电子装备，而且其他行业的科学家们也发现了雷达的强大优势和巨大价值，将其应用到各自的研究领域中。
如今，雷达已经在天体研究、气象预报、资源探测、环境监测等方面显示了很好的应用潜力。
探地雷达如何工作
聪明的地质工作者也受到启发，将雷达技术应用于地质勘探，从而研制出一种专用的雷达——探地雷达，或者称之为地质雷达。
虽然用途不同，但探地雷达和军用雷达的工作原理是一样的，都是根据电磁波来探测目标体。探地雷达所利用的是一种高频电磁波，频率范围通常为数兆赫兹至上千兆赫兹，通过发射天线以脉冲形式将电磁波定向送入地下，电磁波在地下介质传播过程中，遇到存在电性差异的地下介质时发生反射，返回到地面的电磁波被接收天线所接收。根据电磁波的传播时间及波形特征，可以确定地下目标体的空间位置、结构和几何形态。一般而言，介质间的电磁特性差异越大，介质间的界面就越容易被识别。
地球物理勘探的方法有许多，探地雷达探测只是其中一种，不过与其他方法相比，探地雷达具有明显的优势：首先，它的分辨率很高，特别是对浅层地表的探测精度非常高，分辨率可达厘米级；其次，工作效率高，现有探地雷达仪器设备虽然多种多样，但都比较轻便，操作简单，充分发挥了计算机采集和处理数据的优势，极大地提高了工作效率，降低了成本；最后，具有探测无损性的特点，即这种探测不会损害、影响被检测物体未来的使用性能和用途。
应用在哪些领域
随着数据处理技术和计算机技术的发展，探地雷达技术不断发展，应用范围也不断扩大。目前，探地雷达不仅在地质勘探中得到了广泛应用，而且在建筑施工检测等方面也日益受到青睐。总体说来，探地雷达应用的领域主要包括：
地下管线探测 每个城市的地下几乎都布满了错综复杂的电线、光缆和管道，包括电力线、通信光缆、天然气管道、自来水管道、污水管道等。由于不同的管线属于不同的部门管辖。当某个部门需要对管线进行维修活动时，盲目开挖常常会破坏其他管线，这都是由于对城市地下管线的情况缺乏了解所造成的。因此，在施工前使用探地雷达摸清管线的详细分布情况，可以大大降低破坏管线的风险。而且，这种方法还可以查清管道滴漏的位置，以便有针对性地开挖，减少工作量。
地质灾害调查 我们的工程建设活动中经常会遇到各种地质灾害，如滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝、地面沉降和地面沉陷等。地质灾害的存在对工程建设是一种很大的威胁，如果处理不当将会导致严重的后果，这就需要在规划和建设之前先进行地质灾害调查和地质灾害危险性评估工作，并对潜在的地质灾害做好预防处理。探地雷达利用其对浅层目标体探测精度高的优势，可以很容易发现滑坡体的厚度、泥石流沟的厚度、地裂缝的延展深度和地下空洞等，为工程建设提供参考资料。
基岩深度探测 在很多地方，特别是城市中，地下的岩石并不是出露于地表的，往往被覆盖了一层厚厚的黄土。特殊的工程活动需要查明上覆土层的厚度，也就是基岩的埋藏深度。由于探地雷达的电磁波会在岩层分界面上发生强烈反射，所以能够精确查明基岩的位置。
矿床勘探 矿床勘探的方法众多而且都已经十分成熟，只是不同的方法适用于不同的地质环境。对于地表浅层的金属矿化带，可以优先选用探底雷达进行探测，因为金属矿化带的电磁性质差异明显，电磁波反射明显，辅以其他方法，综合分析，有助于提高勘探结果的准确性。
冰川厚度探测 冰川是重要的水资源类型之一，为了计算冰川水资源的储量，需要首先查清冰川厚度和冰下地形两个重要参数。然而，过去常采用的一些调查方法由于受到众多因素的影响，局限性较大，难以在地形复杂的山地冰川区取得良好效果。随着雷达技术的不断发展，并被引入到冰川学研究领域中，逐渐突显了它自身的优势，为后期的冰川研究工作不断提供精确的原始资料。
潜水面深度探测 地下水是人类生存和动植物生长最重要的因素之一，但过度的开采常常导致地下水位下降并引发地面沉降等地质灾害，这就需要对地下水位进行定期观测。目前对地下潜水的观测主要依赖于钻探打井，但这种方式速度慢、效率低，费用高，而且只是“一孔之见”，难以得到详细的数据资料，甚至有时候会对当地的地下水环境造成一定程度的破坏。探地雷达的无损检测优势正好可以在这一领域大展身手。
公路路基质量检查 公路施工完工后，可利用探地雷达进行验收，检测公路质量，如路基的厚度、是否存在裂缝和空洞等，如果公路的局部地段存在破坏，则雷达波反射信号的振幅、相位及频谱特征等都将发生明显变化，技术人员便可据此推测路面下的状况。
钢筋混凝土结构检测 建筑施工中，为了防止出现偷工减料、以次充好等违规操作，需要对钢筋混凝土结构进行监测、诊断和评估, 利用探地雷达技术的“透视”功能对钢筋混凝土内部结构准确成像，可实现对其质量的严格监管与评估。
土壤分层 农业生产中，耕地的土壤层次直接影响其生产力，表土层的厚度决定了农作物能否正常生长，为了分析其土层结构，可采用探地雷达并结合取土化验的方法，实现对土壤的详细分层。
考古调查 国际上将探地雷达技术应用于考古研究大致起步于20 世纪70年代初，我国则更晚，主要用他来探测古遗址、地下埋藏物、地下墓穴和检测古建筑结构等。我国学者在对秦始皇陵、甘肃敦煌莫高窟、唐大明宫含元殿殿址、商丘东周城址、四川成都金沙遗址等考古研究工作中都曾使用过该项技术，并取得了很好的效果。（原文载于《百科知识》2010年第3B期。）
下图为北京市地质研究所最新引进的pulseEKKO PRO专业型地质雷达。该地质雷达是由加拿大探测器与软件公司在原pulseEKKO系列地质雷达的基础上推出的最新一代，是目前世界上功能最强大和配置灵活的地质雷达系统之一。
图1： pulseEKKO PRO专业型地质雷达
图2：北京市地质研究所的科研人员在利用便携式地质雷达探测楼层的钢筋混凝土结构。主机挎在操作者肩上，身后为带有滑轮的小车，装载有发射机和接收机。
图3：北京市地质研究所的科研人员利用具备手推车载装置的地质雷达探测地下管线。发射机和接收机都安装在手推车上，主机操作面板位于操作人员面前，方便一边行进一边操作仪器。
图4：北京市地质研究所的科研人员利用便携式地质雷达在北京市门头沟区探测煤田采空区地质灾害。前、后两个长板装置分别为发射机和接收机，长板为发射天线和接收天线，中间为主机，采集和存储数据。
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