1 引言

探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)是以探察地下不同介质的电磁性质(介电常数、电导率、磁导率)的差异为物理前提的一种射频(0.10~3 GHz)电磁技术.GPR发射天线发射的电磁波在地层中传播时，如果遇到电磁性质不同的物体(目标)，将发生前向和后向的散射.散射波在多个目标之间以及目标内部还会形成新的散射.向地面传播的散射波将被接收天线接收.随着天线的移动，GPR记录到各测量点处的电磁波信号，经过数学处理和分析后可判断地质分层情况和各层的材质等，同时可以识别地下目标体.

从国际视野来看，自从1986年在美国乔治亚州的Tifton召开第一次探地雷达国际研讨会之后，探地雷达国际研讨会系列每两年一次在世界各地召开，已经不间断的延续了近30年，同济大学成功地主办了2012年在上海举行的第14届会议；鲁汶大学主办了2014年在比利时首都布鲁塞尔的第15届会议.香港理工大学将在中国香港主办2016年的第16届会议.这一事实说明1)各国科技界对探地雷达有着持续不断的需求与热情；2)中国科技界在探地雷达的研究、开发及应用上开始发挥日益增强的作用.

GPR紧随着无线电技术的出现而萌生，至今已有近百年的历史，虽然当今的电磁学理论已相当成熟，然而GPR技术还处在不断完善的过程中.在现有的计算机水平下，地质结构和地质材料的多样性、目标的电磁特性和几何形状的复杂性不断向GPR提出新的挑战，日趋广泛的地下探测活动推动着GPR硬件系统不断发展完善，数据信号处理技术持续创新、拓展.

限于篇幅，本文无意对GPR技术作包罗万象的全面综述.已有很多文章论及探地雷达的工作原理及基本系统构成(例如，Slob et al., 2010)，也有很多文章涉及探地雷达对不同目标体探测的正演模拟(例如，Irving and Knight， 2006; Huang et al., 2010; Wang et al., 2014)，本文不再赘述.本文的重点将放在与中国科技发展紧密相关的几个问题上.我们将论及GPR在沙丘内部结构及形成机理，多年冻土活动程度及演化，民用基础设施结构地基及堤坝中的空洞和软弱带的检测，灾后伤员搜救方面的应用.本文还将利用一定篇幅评述探地雷达技术的变异形式(如钻孔雷达、探月雷达(LPR)).在每个部分的结尾本文作者将就探地雷达技术现存的问题及发展方向提出个人的见解.

随着亚洲内陆干旱化、水资源与生态恢复、沙尘暴源区等研究的不断深入，风沙形成的机理研究已成为国内外十分关切的问题(Yang et al., 2010; Dong et al., 2013).高大沙丘(沙山)的形态能够提供沙漠及沙漠边缘地带的古气候条件的宝贵信息，包括风况的演化历史(Lancaster，2008).内蒙古西部的巴丹吉林沙漠东南部的高大沙丘是一种独特的风沙地貌.当地干旱少雨，地表水源缺稀，而其中的高大沙丘之间却分布着众多常年性湖泊.是罕见而珍贵的世界性地质遗产，为世界上规模最宏大的沙山地貌.自20世纪30年代以来，吸引了众多国内外学者对其进行研究(杨小平，2002; Gates et al., 2008).而其湖泊水的来源仍是学者探索的热点和难点.虽然人们对沙丘表面地貌已有较多的了解，但沙丘的内部结构对地下水运移、沙丘间湖泊形成的影响却知之甚少.解释高大沙丘的成因需将表面地貌和内部结构统一考虑.探地雷达是了解沙山内部结构最为有效的探测手段.

Bristow和Mountney(2013)对于沙漠中沙丘的形成、分类、演化和内部结构作了详细阐述.其基本观测依据几乎都来自于GPR.GPR 与释光测年方法相结合，为研究沙丘形成和迁移的动力学过程提供了最有力的研究方法.释光测年(包括TL，IRSL和OSL)是现在最为准确的对风成沉积的方法.GPR可以提供沙丘内部结构以及地层学方面的宝贵信息.因此，GPR可为释光测年样本的采集地点和深度提供重要信息和约束条件(Bristow et al., 2005；Lancaster，2008；白旸等，2011).Bristow 等(2011)利用GPR和光释光测年(OSL)研究了南极洲维多利亚谷地的沙丘内部结构和形成年代.沙丘的形成自1300年前开始，光释光测年结果用来计算这一期间的沙丘迁移速率为每年0.05~1.5 m.在距今1300年左右，沙丘的形成发展主要受控于那时候西风带极环流的增强以及相对寒冷、干燥的气候条件，因此使得沙丘稳定.300年前沙丘的活化与1700—1850的全球冷却和南向极环流的加强有关.在此之后在大约200年前开始的沙丘迁移速率的增加对应于现代二氧化碳排放的增加.使用类似的方法Bristow等(2007)还研究了纳米比亚线状沙丘的迁移规律.他们认为线状沙丘还存在侧向迁移.在过去的2500年间，这些线状沙丘可能侧向迁移了高达300 m.Vriend等(2012)利用GPR研究了美国加利福尼亚Mojave Desert 中两个高大沙丘(一个线状沙丘和一个新月形沙丘)的内部结构.他们认为沙丘内部经过固结后的层状结构有利于沙丘的稳定并影响其迁移形式.沙丘内部结构特征为研究沙丘的形成，沙漠中风况和降水的历史演变提供了重要的证据.

Guillemoteau等(2012)用沙粒的颗粒度分布、压实度和沙粒的形状分布解释了沙丘内部成层结构的原因.他们将这三个参数代入介电常数的混成模型来预测雷达波的速度及反射系数，利用一维小波模型将模拟波形与在Chadian沙漠一个干沙丘上的GPR观测做了对比，结果显示一致性很好.由此可以区分出沙丘内部的反射面，并可以划分为由沙崩、风成次沙丘以及沙丘-基岩之间的界面所引起.

利用探地雷达反射剖面技术，Qian和Liu(2015)研究了巴丹吉林沙漠中两个典型的沙丘的内部结构，如图 1所示.巴丹吉林沙漠中的沙丘的主要走向是NNE，而主要风向是NWW，主要风向与沙丘主要走向基本正交.

图1

Fig. 1

图 1(a)沙丘形成、堆积、迁移的示意图，(b)100 MHz GPR在庙海子沙丘西坡(迎风坡)的探测结果(水平长度80 m，高差20 m)，(c)50 MHz GPR在巴丹湖沙丘横断面的探测结果(沙丘内部结构及潜水面清晰可见，水平长度75 m，高差20 m) Fig. 1(a)The sketch of the formation，accumulation and migration of a s and dune，(b)The survey result of the 100 MHz GPR on the west slope of Miaohaizi s and dune(with a horizontal length of 80 m， and the relative elevation of 20 m)，(c)The survey result of the 50 MHz GPR on the s and dune between Baddam Lakes(with a horizontal length of 75 m， and the relative elevation of 20 m)

如图 1所示，GPR 剖面清晰地显示了沙丘内部与松散沙粒自然堆积角(大约34°)相平行的层状结构.在巴丹吉林沙漠中西风是主要风向，离沙漠边缘较远的庙海子沙丘西坡为迎风坡，沙丘内部板结层状结构向东倾斜.毫无疑义，庙海子沙丘的形成与内部结构主要受西风控制.而巴丹吉林沙漠东南边界横亘海拔较高的雅布赖山脉，由此造成了西北风的折返，所以，巴丹吉林沙漠东南边界附近的沙丘反而受到东南风的控制.这就是为什么在离沙漠东南边界较近的巴丹湖沙丘的东坡成为迎风坡，从而造成巴丹湖沙丘东坡内部板层结构的西向倾斜(图 1c).

如前所述，在探地雷达剖面上形成反射特性的物理原因是颗粒度的周期性变化，以及由此带来的含水量的变化.而沙丘表面起伏不平，所以，沙丘内部结构的探测是一个真正的三维问题.在未来的研究中，进行探地雷达在沙丘地区的三维数据采集，然 后进行叠前深度逆时偏移处理(Fisher et al., 1992a，1992b; Bradford，2014)，将会提供沙丘内部结构和地下水资源更为准确和详细的信息.相对其他方法而言，逆时偏移用全程波方程对波场延拓，避免对波动方程的近似，因此没有倾角限制，原理上可以利用转换波、棱镜波、或者多次反射波成像，并获得更精确的振幅等动力学信息，实现保幅成像.叠前深度逆时偏移可以更好地对像沙丘地貌这样的复杂地形和复杂速度结构的目标区进行更细化更精确的结构勾画，成像方法不受介质速度变化的影响，能够对复杂区域进行较为准确的成像(周辉等，2004；傅磊等，2014；Bradford，2014).因此，在沙漠地区实现探地雷达的三维数据采集，进行数据的叠前深度逆时偏移将会提供更加丰富的沙丘内部结构的信息.

多年冻土是指保持在0 ℃或0 ℃以下至少两年的岩土体.永久冻土分为两层：上部是夏融冬冻的季节活动层;下部是终年不融的多年冻结层.按体积含冰量划分，多年冻结层可细划分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土、含土冰层等五种类型.饱冰冻土和少冰冻土可视为最主要的两种典型冻土类型.饱冰冻土内部冰晶体通常呈层状或斑状构造，体积含冰量在50%以上；少冰冻土内部冰晶体通常呈整体状或网状构造，体积含冰量在25%以下.多年冻土在中国有着广泛的分布，其面积约占国土总面积的22％.青藏高原多年冻土层对气候变迁极为敏感.现有的观测表明，青藏高原浅表地温在增高，与此相伴随的则有冻土季节活动层的增厚.在地面的表现则是水面和湖面水位的下降，和气候变干之后造成的荒漠化(Cheng and Wu， 2007).

随着对多年冻土区研究的深入，探地雷达以其快速、高效、无损等优点，从20世纪90年代开始被广泛应用.探地雷达用于多年冻土的研究主要在于如下几个方面：1)永久冻层中冰体的大小，形态与分布；2)热状态的成层结构；3)季节活动层中含水量的空间变化；更具有挑战性的还有4)永久冻层下界面的形态.

探地雷达可以清晰地、常规性地探测到夏融冬冻的季节活动层与多年冻结层界面.这一点基本上没有疑义.探地雷达用于探测冻结层中冰体的大小和形态分布则需要更为仔细的研究分析.小于GPR分辨率的透镜状冰体分布在雷达剖面上通常显示为杂散的、相互干涉的双曲线反射，而大的冰体在雷达剖面上显示为连续的反射面.并且，反射面以下相对干净，没有太多的杂散波.这个特征使得我们可以对大的冰体的深度和水平展布做出较好的估计.如果多年冻结层以上季节活动层的土质较为均匀，我们则可以在地面进行共中心点(CMP)GPR测量，并利用雷达直达波在地下的传播速度直接估算活动层中含水量的空间变化(Moorman et al., 2007).美国陆军工程兵寒带研究与工程实验室(CRREL)的Arcone等(1998，2002)使用100 MHz和50 MHz的GPR在阿拉斯加的多年冻土中成功地探测到冻土层以下的地下水.他们的工作还报道了如何识别永久冻层内部存在的岩体.De Pascale 等(2008)用GPR与电容耦合电阻率剖面测量相结合在加拿大北极地区西部的Richards Isl and 的数条剖面上检测了多年冻结层中冰体的分布.这两种测量的互补性得以使我们更好地探测到大量的地下冰体、富冰沉积层、冰透镜体、热岩溶以及基本的成层结构关系.

Wu等(2005)使用50 MHz 探地雷达在青藏高原多年冻土层北缘的西大滩沿9个剖面于2002年进行了多年冻土层上下界面的测定.测量结果表明，与1975年的研究结果相对比，27年间多年冻土层的下界面抬升了大约25 m，西大滩多年冻土层的面积缩小了大约12%.俞祁浩等(2008)在东北的小兴安岭就冻土的退化特征使用探地雷达进行了研究.

青藏公路始建于1953年.随着运输任务的日趋繁忙，20世纪七八十年代由砂石路面改成沥青路面公路修建以来，由多年冻土引起的病害接连不断.改建沥青路面采取了加高路基等防冻措施，但由于黑色路面吸热增大和路面蒸发耗热大大减少，使路基多年热量收人大大超过支出，在高温多年冻土分布区内形成每年融化深度大于冻结深度，出现季节冻结层与多年冻土层不衔接的现象.伴随着经济的高速发展，在青藏高原多年冻土区修建高速公路已提到日程上.俞祁浩等(2014)对多年冻土区高速公路建设所面临问题进行了分析并提出了警示.他们的研究发现: 与青藏铁路和青藏普通公路相比，多年冻土区高速公路修筑后，路基吸热强度将成倍提高，更多的热量将向路基中心部位聚集且难以扩散，导致冻土退化速率和范围的增加.因此，了解公路路面下多年冻土的状况——多年冻土与季节冻土的分布范围、冻土人为上限的深度、冻土组构特别是高含冰地段的分布是高速公路发展、设计，现有公路整治方案制定所急需的资料.

曾仲巩等(1993)最早在中国开展了公路路面下多年冻土分布的雷达勘察工作.结合青藏公路、宁张公路、青康公路、黑大公路等路线，进行了大量以探地雷达为主的工作，查明了冻土的上限，了解了多年冻土与季节冻土的分布范围.

Xiao和Liu(2015)对沿青藏铁路同时采集的双频(100 MHz和400 MHz)探地雷达数据用确定性拓展反褶积(EDD)方法作了处理.EDD法结合双频雷达数据各自的优势，即低频数据的大穿透深度和高频数据的高分辨率，有效地提高了探地雷达数据利用率.与钻芯资料相结合，基本上可以确定多年路基状态、路基-原生土界面、非饱和带、季节活动层、冻土上顶面等重要层状界面，使有效探测深度提高到7~10 m.

由于多年冻土地层状态复杂，含有不同尺度的散射体(卵石、孤石、冰透镜体、热岩溶等)，经常出现层状结构的缺失(季节活动层的不均匀分布)，使用传统的反射法来分析探地雷达的数据已是勉为其难了.未来的研究应向多收发距、多通道、多频率的探地雷达阵列式数据采集发展.与此相适应的数据分析处理算法也应是基于宽频带散射，而不是层状反射的电磁波传播的全波理论.这将是工程地质学家和浅表地球物理学家所要面临的新挑战.

探地雷达作为无损检测与探伤(ND&E)的一个重要手段已在工程实践中得到广泛应用.在这一应用领域，有两个方面的问题须研究者予以特别注意.1)空洞或软弱带大小与雷达波长之间的相对关系；2)探地雷达一定要与其他探测手段联合使用以提高检测结果的准确性.当空洞或软弱带的尺寸远大于雷达波长时，这应是最简单最容易探测的情况.几何波动学的原理雷达适用.空洞或软弱带的尺寸和形状应该得到最好的描述(Chlaib et al., 2014).当空洞或软弱带的尺寸小于雷达波长，不管是使用雷达或其他基于波动理论的探测方法，基本上已无法区分出独立的空洞或软弱带.可幸的是，利用有效介质理论探地雷达仍有可能对软弱带的大小和弱化程度做出一定评估.最有意思的情况是如果雷达波长与空洞或软弱带尺寸相当时，空洞可以明确地表现为共振腔而使雷达波在空气波的波长上发生谐振.在雷达反射剖面图上，这使空洞的存在更为明显(Pueyo-Anchuela et al., 2009).雷达波长与空洞或软弱带尺寸不相上下时空洞的最大特点是其顶部有强烈凸面状的反射体，其下面有低频谐振.最为常用的探地雷达空洞或软弱带探测方式是用直线剖面法，所以，当空洞或软弱带是一个三维体，而不是近似的二维体时，空洞或软弱带的三维效应是不可忽视的.这时最好的办法是在地表进行二维扫描，以得出空洞或软弱带在地面水平方向上的二维投影.

钱荣毅和任明星(未发表)在北京于2003年在国内开展大规模的道路隐蔽空洞实验探测，在数年间每年进行了500 km测线长度的探地雷达探测，进行了空洞探测数据采集设计、数据处理和快速解释方法的研究.同济大学谢雄耀研究团队(Xie et al., 2013)尝试了用支持向量机(SVM)人工智能算法自动识别钢筋混凝土铸件内部孔洞缺陷.浙江水利研究院和同济大学的研究团队近10年来持续进行大坝和海塘堤防隐患的雷达探测研究(葛双成等， 2005，2007，2013).针对海塘堤脚淘空损伤检测，详细分析了浙江某海塘堤脚沉井防冲结构及其相关介质的物理性质和空间分布特点以识别海堤内部的软弱带.检测试验和综合分析表明，采用雷达检测可指出淘空损伤现象存在的可能性及大致位置和范围，而难以断定损伤的性质及尺寸.这一事实再次证明探地雷达一定要与其他探测手段联合使用以提高检测结果的准确性.单一使用探地雷达有时无法达到预期检测效果.

大部分的救生系统，例如视频(video)系统，侦测的范围非常有限并且只有在移动的遇险者进入视频监测系统的视野(直视通视性，或LOS)之后才能报警.另一方面，基于音频(audio)的侦测系统大大受限于间隔、障碍物、残垣以及遇险者是否还强壮和清醒到能够发出声音.而探地雷达可以穿透障碍物(例如钢筋混凝土砖墙、柏油层、泥石流和雪崩造成的积雪)进行侦测.

进行灾害现场的生命探测与救援时，探地雷达主要是靠探测伤员的呼吸运动或者移动来工作的.雷达天线连续发射电磁波，对一定空间进行扫描，接收器不断接收到反射波并对返回信号进行算法处理.基于这样的工作原理，所以，探地雷达搜救既不受LOS的限制，也不受救援现场复杂介质造成的杂散波的影响.假如被探测者已死亡，返回信号是相同的.假如目标在动，则信号有差异.通过对不同时间段接收的信号进行比较等算法处理，就可以判定目标是否在活动.呼吸与心跳是两个最重要的生命体征.呼吸运动造成的胸腔运动幅度可达1~2 cm；有规律而且频率较低，一般是0.1~0.4 Hz，因此，可以把呼吸运动和其他较高频率的运动区分开来.由于心跳幅度较小，探地雷达很难在复杂的救灾现场探测到心跳信号.

莫斯科国立鲍曼科技大学的遥感实验室在俄国率先从生物医学工程方面开展了人类生命体征的雷达探测研究(Ivashov et al., 2004; Bugaev et al., 2006).西安第四军医大学王健琪研究团队将探地雷达应用于灾害现场生命探测与救援推向实用化(Wang et al., 2007)，并应用于2008年汶川地震灾区搜救现场(国家自然科学基金委员会信息科学部，2008).利用伪随机噪声雷达技术，在实际现场条件下Sachs等(2014)有效地探测到13 m以内被探测者的呼吸运动体征.

Liu等(2014)使用的搜救现场模型有两个被压在建筑物废墟水泥块下的伤员(图 2).离雷达天线比较远的伤员1的呼吸频率在0.12 Hz，离雷达天线比较近的伤员2的呼吸频率是0.35 Hz. 伤员1取腹卧式；伤员2取右向侧卧式.Liu L B和Liu S X(2014)的实验结果表明，被探测者的姿势对呼吸运动信号的探测无重大影响.

图2

Fig. 2

图 2(a)探地雷达探测建筑物废墟下伤员的生命体征数值模型(3.8 m×2 m).彩色背景是雷达脉冲传播24 ns后的波场快照.(b)两个伤员的生命体征(呼吸运动)在雷达记录上的表现特征.伤员2的呼吸运动体征在15 ns时收到；伤员1的呼吸运动体征在37 ns时收到.详细阐述见Liu等(2014). Fig. 2(a)The numerical model for GPR vital sign detection of two victims underneath a collapsed building(3.8 m×2 m);(b)the signature of vital sign(breathing)of the two victims on radar record. The signature of the breathing of Victim 2 is recorded at 15 ns; while the signature of breathing of Victim 1 is recorded at 37 ns. Details can also be found in Liu et al.(2014).

图 2b是基于图 2a模型的合成记录图，由200 道合成记录组成的.道与道之间的记录间隔为0.1 s，总共的记录时间是20 s.每一道的长度是50 ns的雷达波传播时间，这个量值足以捕捉雷达天线3 m以内的任何电磁环境变化.在图 2b中伤员的呼吸运动体征在记录时间方向上表现为周期性波动.伤员1的呼吸频率是0.12 Hz，在20 s的时间中呼吸了2.4次； 其呼吸运动体征在传播时间37 ns时出 现.离雷达天线比较近的伤员2的呼吸频率是0.35 Hz，在20 s的时间中应该呼吸7次.因离雷达天线较伤员1近，其呼吸运动体征在传播时间为15 ns时出现.在任一给定的传播时间沿记录时间做频谱分析即可检验是否有生命体征存在.更为全面的搜索可利用各种更为先进的时-频分析方法(Liu et al., 2011，2014; Li et al., 2014).

在利用探地雷达进行灾害现场的生命探测救援这一研究领域亟待解决的问题有：增大雷达探测的有效搜救范围；废墟或障碍物内伤员的高速、准确定位；搜救人员自身生命体征干扰的有效消除.这些都需要在探地雷达硬件、软件两方面进行改善，以适用于复杂的现场搜救条件.

钻孔雷达技术可以弥补常规地面雷达技术及地质勘探技术的不足，更大范围地提供了地下目标更为直接的信息.其主要应用领域在环境评价、工程地质、岩土工程、考古、水文地质和高放射性废料储存场所选址等方面的研究上.在国际上，钻孔雷达的研制始于无定向单孔雷达，发展到无定向跨孔雷达并可做跨孔层析成像.浅层无定向钻孔雷达已经发展到实用阶段.在商用市场上常见的有瑞典的MALA Geoscience的Ramac钻孔雷达系统，测量深度可达150 m.该系统已大量用于地下水资源与地下水污染，基岩中裂隙发育展布的野外调查(Liu et al., 1998; Zhou et al., 2001; Zhou and Liu 2001; Grégoire et al., 2006; Liu and Sato， 2006; 刘四新等，2006；Dorn et al., 2011).

由于电磁波传播的全方向性，反射式的单孔雷达可给出目标体的深度、距离、形态等信息，但不能给出目标体的方位角，即无法获知目标体在以探测距离为半径的圆周的哪个方位，因此，钻孔雷达的开发现在已经聚焦于定向雷达.日本东北大学的Motoyuki Sato领导的研究组在钻孔雷达的研发上进行了不懈的努力.Sato和Takayama(2007)开发了一种新的使用光电传感器的定向钻孔雷达，使得在单孔测量中进行地下目标的三维成像，该系统由4个偶极天线组成的阵列作为接收器来实现方位的敏感性.方位算法基于Adcock DF天线原理，将复杂信号的解析分析、优化、滤波都综合起来以提供更精确的预估.这个算法最初在跨孔测量中估算从发射器到接收器(收发间距为15 m)入射波方位中得到验证.以单孔测量对位于距钻孔5.5 m处地下隧道的探测结果来证实其三维定位能力，结果显示探测结果与实际位置具有很好的一致性.Ebihara等(2000)也开发研制了类似的钻孔定向雷达接收天线的样机，并利用MUSIC算法来处理阵列天线的信号，得出井中周围反射体的三维估计；同时对圆柱形分层媒介中定向钻孔雷达圆弧形偶极子阵列天线进行过谐振分析.Zhao和Sato(2006)开发研制了全极化钻孔雷达以利用全极化孔中雷达独特的偶极子天线和狭缝天线四种收发组合(VV，VH，HV，HH)所获取的全极化信息(赵建国，2008).多极化联合反演可以削弱反问题的多解性，提高成像结果的分辨率，并具有较强的抗噪能力.从物理原理上讲，雷达极化分解技术通过从本质上阐明电磁波散射机制的方式来提高资料的可解释度.这一点是对基岩中裂隙体系展布特性感兴趣的研究人员最为珍视的.前联邦德国的地球科学和自然资源研究所也开发出一种非常坚固耐用的定向钻孔雷达系统，主要用于岩盐和盐丘的探测.韩国的地质采矿及材料研究所(KIGAM)针对Ramac和德国的定向钻孔雷达，开发了数据处理方法能计算出反射体的方位角.

钻孔雷达研发的另一个聚焦点是大深度孔中雷达.毫无疑义，其实用性在于目标层深度在以千米为单位的油气资源探测开发.中国电子科技大学赵青团队为大深度钻孔雷达天线采用分布介质加载和集中电阻加载宽带小型化技术，设计了一个四方向的定向天线(赵青等，2014).天线中心频率处方向图前 瓣增益比后瓣增益大28 dB，天线主瓣增益为5.4 dB，天线辐射的前向与后向时域脉冲波形峰峰值之比大于3，时域电场脉冲波形拖尾小于主峰幅度1/5.通过全向、定向钻孔雷达天线进行联合仿真，结果显示天线的定向效果明显，可以根据4个端口反射波信号幅度来判断反射物所在方位.并对设计的定向天线进行加工及测试，测试得到的天线S11与仿真结果吻合，表明该方法是可行的.

山东大学李术才团队专攻于隧道开挖超前探测(李术才等，2014).他们将钻孔雷达与其他地球物理手段相结合，为隧道开挖超前探测开辟了一条新的方向.这个团队的刘斌等(2009)探讨了基于复信号分析技术的地质雷达预报岩溶裂隙水的可行性，得出了判断水体的依据.最后结合工程实例，对地质雷达数据进行了复信号处理，并对岩溶裂隙水的存在进行了综合判断.与开挖结果对比显示，复信号分析技术的运用较大地提高了岩溶裂隙水预报的准确性和可信性.使用改善后的偶极天线，同济大学谢雄耀团队自主研制了用手持矢量网络分析仪控制的用于工程结构缺陷探测的跨孔雷达系统(Qin and Xie， 2015).

数据处理与成像技术的发展应用水平在很大程度上决定了钻孔雷达资料的解译能力.偏移成像算法有利于探测目标的直观显示，但目前的偏移理论在雷达资料的处理上还不能得到理想的实际目标物的图像，仍需发展新的归位成像算法，使得地下探测目标的显示更为直观.

吴俊军等(2014)对跨孔雷达全波形反演成像方法的研究做了新的尝试.为了进一步提高成像分辨率，他们全面推导了全波形跨孔雷达层析成像反演方法.该方法利用雷达波全幅度相位信息可以反演出地下高分辨率的介电常数和电导率图像.通过基于局域网的分布式并行算法，他们有效地解决了巨量数据正演计算问题.

Liu和He(2007)提出了一种将以跨孔层析成像方式采集的透射式雷达数据利用“虚源”算法转化为单孔雷达中多收发距反射式雷达数据.这样做的好处是可以将叠前深度逆时偏移这样的最新成像技术应用到转化后的多收发距反射式雷达数据，以便对裂隙分布进行更好的成像.

尽管国际上众多的电子科技公司和高校实验室在单孔定向雷达理论和仪器方面开展了很多研究，但问题尚未很好解决.随着当今科学技术的发展，基于先进的电子、微电子技术的定向钻孔雷达的系统设计和前沿的后处理技术是钻孔雷达技术的主要发展方向.

由于月球处于绝对干燥状态，月壤和月岩对雷达波的损耗衰减远小于地球上含水的土壤和岩石.因此，雷达波更容易穿透月球浅表，在月球上能够实现更深的探测深度.中国嫦娥-3(CE-3)探月计划中车载探月雷达(LPR)系统由中国科学院电子学研究所方广有研究团队研制开发(Fang et al., 2014).该系统由60 MHz(CH1)和500 MHz(CH2)两个信道组成，分别用于探测不同深度的月球物质成分与结构.CE-3探月雷达对着陆区月壤厚度和月壳次表层岩石地质结构实施了高分辨率的成像探测.探测结果(Xiao et al., 2015)表明，基于探月雷达CH2的成像结果CE-3探月器着陆区的月壤厚度约为 4~8 m；而CH1的数据表明在大约140、240和360 m 深处的月球玄武岩中可能存在着不整合面.北京大学Fa等(2015)对CE-3探月雷达CH2的数据做了进一步分析，他们认为CE-3探月器着陆区的月球表面有一个不到1 m厚的表层，接着是一个2~6 m厚的撞击抛出物层，下面是一个4~9 m厚的古月壤层.在此以下则为介于月壤与月球玄武岩之间的转换带，其中尚有较大的碎物块体.我们相信，更多的宝贵信息会随着研究的深入而发表出来.

随着应用范围的不断拓宽，实际问题对尚处于成长期的探地雷达提出越来越高的技术要求，其中探测深度和分辨率的矛盾显得越来越明显，这对硬件、软件都提出了更高的挑战.在硬件方面，三维探地雷达阵列已开始出现在商业市场上，高速数据采集技术正逐步向高端发展.在冲击脉冲雷达(方广有等，1998)有了长足的进步与广泛的应用之后，调频连续波(FMCW)雷达技术由于其特有的优势，又开始受到研究人员的青睐，以应对在某些领域中脉冲雷达无法解决的问题.在FMCW技术中，探地雷达系统最常采用的是步进调频连续波(SFCW).很多研究院所及高校都有自己的SFCW探地雷达系统用于科研开发.在商业市场的推广上尚不普遍.

在软件方面，叠前深度逆时偏移、全波反演、经验模式分解、压缩感知等最新成像技术最新算法都已在探地雷达数据处理中崭露头角.相信在不久的将来探地雷达数据处理与成像的水平会更上层楼.

需要强调的是，尽管本文以探地雷达的应用为主题，浅地表地球物理的成功一定要强调多手段，多方法，以期最大程度的减小探测结果的非唯一性，提高准确度.

这篇综述文章聚焦于GPR在浅地表地球物理科学技术中几个特定领域中的应用问题.所表述的观点仅代表作者个人，所引用的文献肯定挂一漏万，远非全面，完整.不周到之处敬请读者原谅.