随机等效介质探地雷达参数递推阻抗反演研究（英文）

描述和估计介质含水量、介电常数等属性参数分布是探地雷达探测技术的重要研究内容。雷达波的旅行时间和反射振幅系数与介质含水量、孔隙度与介电常数密切相关。常规通过旅行时间计算波速以估计介质参数的方法,例如透射波法,共中心点速度分析等,对于复杂介质分辨率有限。基于反射振幅的阻抗反演方法可以直接根据反射系数计算雷达波阻抗以估计介质属性参数,从而有效地避开常规方法在计算波速时精度低的问题。本文首先建立了基于高斯型和指数型混合自相关函数的三维多尺度等效随机介质模型刻画地下随机介质参数分布,并在局部加入高斯椭圆方程描述局部随机异常目标体。其次,通过引入锥形函数以降低随机介质模型在离散网格数值计算方法误差。在此基础上,推导了探地雷达递推阻抗反演的基本流程并结合随机介质模型测试了该方法在复杂介质参数估计中的计算精度。最后,对内蒙地区的实测探地雷达数据利用递推阻抗反演方法来估计地下污染物参数,估计介电常数、含水量结果与钻孔实测数据和同期开展的电阻率成像结果有很好的吻合。说明基于递推阻抗反演方法在探地雷达复杂介质属性参数估计中具有很好的应用前景。     

基于变换光学有限差分探地雷达数值模拟研究

在采用有限差分方法开展探地雷达复杂目标体精细结构模拟时,为了提高计算精度,常采用非均匀网格对目标区域划分小尺寸的网格,以压制离散网格频散现象和保证有限差分方法的稳定性.常规非均匀网格和自适应亚网格技术在网格剖分数量和粗细网格边界处理上难以达到计算效率和计算精度的均衡.本文根据隐形斗篷(invisible cloak)理论,将基于变换光学(Transformation optics)理论应用于有限差分探地雷达数值计算中.该理论的主要思想是基于目标参数变化而保持电磁场的传播不变性,在坐标变换后,Maxwell方程的形式可以维持不变,而使得相对介电常数与磁导率的表达式变得复杂.通过这种方式可以虚拟地扩大目标体所占的网格节点数,减少背景介质区域的网格数,不增加模型空间的网格总数.另外,这种网格划分方式不但提高了计算效率,同时也可以克服亚网格技术边界反射误差的影响.本文推导实现了基于变换光学的二维有限差分方法,通过典型探地雷达模型测试,对比分析了该方法与常规有限差分、变网格有限差分和自适应亚网格有限差分的优缺点.计算结果验证了基于变换光学的有限差分可用于探地雷达目标精细结构模拟,具有较高的计算精度和计算效率.     

探地雷达在地铁盾构施工滞后沉降监测中的应用研究

在成都地铁2号线盾构施工过程中,由于成都地层特有的砂卵石层地质结构,产生地表滞后沉降问题.论文首先对此问题,建立了以空隙率为表征的地下介质扰动随时间发展的四个阶段的数值模型,应用有限差分数值模拟方法论研究和分析了源于滞后沉降的地下扰动不同发展时期的探地雷达反射波特征.然后结合成都地铁2号线盾构施工滞后沉降监测的对应的四个阶段探地雷达数据,分析了实际的滞后沉降地下扰动不同发展时期的雷达特征和灌浆治理效果的评价.论文通过数值模拟与实际雷达资料的对比研究结果,可为类似的城市地铁地表滞后沉降的探测和检测方法提供理论和技术的支持.     

基于辛算法模拟探地雷达在复杂地电模型中的传播

近年来,探地雷达(GPR)凭借其快速、高效、无破损等特点,已经广泛应用于浅地层目标探测中.数值模拟是研究探地雷达电磁波在地下结构中传播规律的有效手段.辛算法是一种保持Hamilton系统总能量不变的时域数值计算方法.本文提出了基于一阶显式辛分块龙格库塔方法的探地雷达数值模拟方法.通过对比本文算法与时域有限差分方法计算结果可知,在同等计算精度下,本文算法可以节省25%的计算时间.并基于本文算法对两个复杂GPR模型进行正演模拟,得到模拟GPR探测wiggle图,这有助于更好的理解和分析实测雷达数据.     

基于小波熵的地下管线探地雷达频率波数偏移成像研究

地下管线实际形状与准确位置的确定是探地雷达图谱解释的主要内容之一.制约管线探地雷达反射归位精度最主要的因素是电磁波在地层中的传播速度,如何准确确定电磁波传播速度是探地雷达偏移处理能否成功的关键.为便于对探地雷达图谱特征进行定量解释,开展了不同大小、埋深与重叠等情况管线的正演模拟与模型实验.结合小波熵理论与频率波数偏移成像方法,提出了一种基于小波熵的探地雷达频率波数偏移成像方法,将其应用于地下管线正演模拟与模型实验探地雷达信号偏移处理.研究结果表明:探地雷达图像经基于小波熵的频率波数偏移处理后,电磁波速度的估计值与真实值误差可控制在2％以内;随着管线管径大小与埋置深度的增加,绕射双曲线的开口弧度不断增大,管与管之间绕射波交叉干扰越严重;探地雷达信号经基于小波熵的频率波数偏移处理后可大大提高图像的分辨率,压制了多次波的干扰,使绕射双曲线更收敛,能量更聚焦,从而有利于地下管线实际形状与具体位置的准确提取.研究结果对城市地下管线探地雷达图谱解译工作提供技术支持.     

沙堆内小型管线的探地雷达模型实验研究

地质雷达作为一种新的探测技术,广泛应用于城市管线探测、特别是非金属管道(直径Φ为150～400 mm)探测,取得了良好的效果,但是对小口径管道的探测研究不多.本实验是对埋于中等湿度、均匀介质沙堆内的Φ为40～150 mm的管线不同组合模型,进行900 M、600 M、200 M雷达反射波图像观测,探讨单管、双管、三管的图像特征,研究探地雷达图像的影响因素.研究结果显示:雷达探测的实际分辨率达不到理论分辨率;高频率天线图像精细,适合探测浅小的管线;管道充填水后,多次波明显增强;路面街砖会削弱雷达的管线异常信号,出现类似倾斜岩层等干扰信号;利用多次反射波可求得管径.本实验有助于我们在城市地下管线探测中能够快速准确地识别各类地下异常体的探地雷达图像.     

FDTD数值模拟在GPR管线探测中的应用

探地雷达是一种非常重要的管线探测技术,为了提高地下管线雷达图像特征的认识,确定管线异常体的位置,提高雷达资料的解释精度.论文从Maxwell两个旋度方程出发,推导了二维TM波的差分方程、CFL数值稳定性条件、频散关系.然后,基于Matlab平台编写了探地雷达正演的FDTD程序,应用该FDTD程序开展了管线探测中探地雷达探测效果分析,包括对管线埋藏深度、管线间距、管线内物质、管线材质等影响因素的数值模拟.通过分析雷达正演剖面特征,可以清晰了解并掌握雷达管线探测与各种影响参数之间的关系,对实际地下管线探测可起到指导作用.最后,将GPR应用于武广高速浏阳河隧道管线探测中,GPR准确地定位了PVC通迅电缆的位置在埋深,为工程施工与处置提供了依据.     

高频电磁法检测地下管线周边地质病害体的应用研究

地下管线是城市生存和发展的基础,近年来随着城市地下空间的开发利用,管线周边形成了各种各样的地质病害体.为了有效预防这些病害体对地下管线安全运行的影响,本文在分析高频电磁波传播机理及影响因素基础上,研究了利用探地雷达检测地下管线周边病害体的技术方法.探地雷达工作参数的配置选择、干扰波的有效处理及雷达图像的精准识别是检测地质病害体的关键,重点从这三个方面进行了分析研究.天线中心频率、采样率、测点点距等工作参数最佳优化组合,确保了检测检测目标体的效果;增益调整、频率滤波、点平均等对干扰波的处理,有助于获得高信噪比,可获得高分辨率的雷达图像;根据雷达剖面图上异常波形特征来判断识别脱空、空洞、疏松体和富水体等地下病害体的位置及大小.这些问题的解决可为探地雷达检测病害体提供可靠技术支撑.最后结合工程实例,与其他方法对异常体的对比分析,验证了高频电磁法在检测地下病害体的的可行有效性,也为开展地下管线周边病害体的治理提供了科学依据.     

机载探地雷达的进展以及数值模拟

机载探地雷达可能解决危险环境或广域条件下的近地表探测问题,用于解决环境、生态或军事方面的问题.然而由于种种原因,该技术的发展却显得比较慢.为了推进该技术的发展,本文介绍了目前世界范围内机载探地雷达的进展,并利用时间域有限差分法对一些典型模型进行数值模拟,并用特定的偏移成像方法对模拟结果进行成像.目前存在的机载探地雷达主要有三种类型:第一种为将常规探地雷达天线悬挂在直升飞机上,第二种为针对机载探地雷达开发的雷达系统,第三种为具有探地能力的合成孔径雷达.数值模拟结果表明,不管是水平地面的情况下,还是起伏界面的情况下,机载探地雷达都能清楚探测一定深度范围内的地下目标.可见,机载探地雷达是存满希望的一种方法.     

探地雷达GPR正演模拟的时域有限差分实现

近年来,随着数字处理技术和电子技术的飞速发展,探地雷达（GPR）的实际应用范围迅速扩大,现已覆盖考古、矿产资源勘探、水文地质调查、岩土勘查、无损检测、工程建筑物结构调查、军事等众多领域,解决了很多工程实际问题,成为浅层勘探的有力工具.而探地雷达的理论研究与实际的应用相比,具有明显的滞后性.但是解释人员要达到精确地对探地雷达实际资料的进行解析,必须事先了解地质体的雷达反射剖面的特征,所以作为反演与解释基础的复杂地电模型的探地雷达正演模拟技术,就成了探地雷达理论研究的主要内容之一.本文以麦克斯韦两个旋度方程为基本出发点,运用K.S.Yee的空间网格模型理论和时域有限差分法的基本原理,推导出二维空间的探地雷达正演方程组,并详细地分析了差分格式中半空间步长与半时间步长的实现方法,及其雷达波电场与磁场分量在计算机上相互关系的C程序实现.然后讨论了数值频散关系及其产生原因,通过同时考虑时域有限差分法及Yee氏网格的特点,推导出了符合探地雷达实际传播规律的理想频散关系,作者自制了探地雷达正演程序,并分别计算了Mur超吸收边界条件及无边界条件下的雷达地电模型,通过对比可知,超吸收边界条件可利用,大大地减少截断边界处的干扰波,达到用有限区域达到在无限空间传播的效果.最后作者利用自制程序,对“V”字形和同一斜面上的五个圆的两个典型的探地雷达地电模型进行了正演模拟,得到了正演剖面图,消除了边界反射后的雷达剖面能很好地指导工作人员对雷达实测剖面的地质解释,同时使正演研究更符合实际的地质情况.     

地下管道震害预测实用方法的研究

本文根据震害调查分析和试验研究结果，建立了由环境因素和管道结构参对地下管道震害进行二级多因素模型综合评判的方法，文中给出了计算，评价构成二级评判因素地震烈，场地类型，工作状态和结构种类正态模糊范数ak的方法，并在地下管道震害关联分析和试验基础上，给出了二级模糊评判的权向量，本文为面广量大的已那建下管道的震害预测工作提供了一套方便实用的计算方法。     

反应位移法在埋地腐蚀管线抗震分析中的应用

埋地管线作为油、气、水等的传输载体,是地下工程的重要设施之一。埋地管线特别是金属管线容易发生腐蚀现象,在地震灾害的影响下,含有腐蚀缺陷的管线容易发生泄漏和断裂事故,造成巨大的资源浪费和环境污染等损失。因此埋地腐蚀管线抗震性能研究的重要性也越发凸显。本文以埋地腐蚀管线为研究对象,探索管线腐蚀深度、宽度、腐蚀位置和腐蚀管线埋深等腐蚀参数对管线抗震性能的影响,旨在为管线的安全性和实用性提供理论参考,对管线是否继续使用、维护或更换和安全生产提供指导,以及为管线的抗震设计提供基础研究。本文运用反应位移法在有限元软件ANSYS上实现各参数下的埋地腐蚀管线的地震响应分析。     

提取非金属管GPR图像的非线性技术

Non-linear Technique for Abstracting the Non-metallic Pipeline Image from GPR Section     

Modelling of space weather effects on pipelines

The interaction between the solar wind and the Earth's magnetic field produces time varying currents in the ionosphere and magnetosphere. The currents cause variations of the geomagnetic field at the surface of the earth and induce an electric field which drives currents in oil and gas pipelines and other long conductors. Geomagnetically induced currents (GIC) interfere with electrical surveys of pipelines and possibly contribute to pipeline corrosion.In this paper, we introduce a general method which can be used to determine voltage and current profiles for buried pipelines, when the external geoelectric field and the geometry and electromagnetic properties of the pipeline are known. The method is based on the analogy between pipelines and transmission lines, which makes it possible to use the distributed source transmission line (DSTL) theory. The general equations derived for the current and voltage profiles are applied in special cases. A particular attention is paid to the Finnish natural gas pipeline network.This paper, related to a project about GIC in the Finnish pipeline, thus provides a tool for understanding space weather effects on pipelines. Combined with methods of calculating the geoelectric field during magnetic storms, the results are applicable to forecasting of geomagnetically induced currents and voltages on pipelines in the future.     

基于高性能瞬变电磁辐射源的城市地下空间多分辨成像方法研究

城市地下空间的高精度、多分辨探测是城市地下合理开发的前提.由于城市探测环境的特殊性,需要探测方法具备抗干扰能力强、分辨能力好、分异多尺度地下目标等特性,现有的物探方法难以兼顾城市地下空间的探测需要.本文利用三维矢量有限元方法为正演手段,在瞬变电磁高性能辐射源进行微分脉冲扫描的基础上,对探测数据进行多时窗的扫时波场变换,将微分脉冲扫描后的多分辨响应信息,进行多分辨信息提取.同时通过地震探测中的多次覆盖处理,提高探测场对地下目标的分辨能力,最后对多次叠加后的虚拟波场进行拟地震偏移成像,最终实现城市地下空间的高精度探测.     

供水管网震后功能快速修复决策研究

突发地震灾害下,城市供水管网往往不可避免地会发生不同程度的破坏而导致城市供水功能的失效,对人们的生产生活产生了严重影响,快速对震后城市供水管网进行科学合理的功能修复,对于降低地震灾害损失具有重要意义。本文以城市供水管网为对象,针对震后管网系统功能评价及快速修复决策等问题进行了研究。在中国点式渗漏模型的基础上,采用基于破坏概率的渗漏面积计算方法,建立了考虑地震破坏随机性的管线渗漏流量计算模型;针对震后破坏管线展开了水力分析,并提出了以节点水头损失比为指标的节点服务性能失效状态量化方法;进而建立了震后管线的修复决策模型以及功能修复费用模型。研究成果可为震后功能修复工作中管线修复顺序及修复方案的优选提供科学依据,可显著提高震后应急救灾效率,实现城市供水功能的快速修复。     

基于激发振幅成像条件的探地雷达逆时偏移成像

针对基于互相关成像条件的探地雷达（GPR）逆时偏移计算效率低、存储量大及易产生低频假象的不足,本文将激发振幅成像条件应用于GPR逆时偏移成像中.通过在源点电磁波场正向传播过程计算每个网格点的能量密度,并保存最大能量密度的时刻和相应的电磁波场值;在接收点电磁波场逆向传播过程提取每个网格点最大能量密度时刻及对应的电磁波场值,并利用保存的最大能量源点电磁波场及走时做归一化,从而获得了依赖反射系数成像剖面,避免了源点正向传播电磁波场的存储和重建.此外,为了提高电磁波场的模拟精度,采用了基于三角形剖分的时间域有限单元法（FETD）计算电磁波正向和逆向传播过程.最后通过模型试算表明：激发振幅成像条件相比于归一化互相关成像条件,成像结果低频噪声更弱,空间分辨率更高,计算效率提高了近2倍.     

Risk and uncertainty analysis of gas pipeline failure and gas combustion consequence

Taking into account a general concept of risk parameters and knowing that natural gas provides very significant portion of energy, firstly, it is important to insure that the infrastructure remains as robust and reliable as possible. For this purpose, authors present available statistical information and probabilistic analysis related to failures of natural gas pipelines. Presented historical failure data is used to model age-dependent reliability of pipelines in terms of Bayesian methods, which have advantages of being capable to manage scarcity and rareness of data and of being easily interpretable for engineers. The performed probabilistic analysis enables to investigate uncertainty and failure rates of pipelines when age-dependence is significant and when it is not relevant. The results of age-dependent modeling and analysis of gas pipeline reliability and uncertainty are applied to estimate frequency of combustions due to natural gas release when pipeline failure occurs. Estimated age-dependent combustion frequency is compared and proposed to be used instead of conservative and age-independent estimate. The rupture of a high-pressure natural gas pipeline can lead to consequences that can pose a significant threat to people and property in the close vicinity to the pipeline fault location. The dominant hazard is combustion and thermal radiation from a sustained fire. The second purpose of the paper is to present the combustion consequence assessment and application of probabilistic uncertainty analysis for modeling of gas pipeline combustion effects. The related work includes performance of the following tasks: to study gas pipeline combustion model, to identify uncertainty of model inputs noting their variation range, and to apply uncertainty and sensitivity analysis for results of this model. The performed uncertainty analysis is the part of safety assessment that focuses on the combustion consequence analysis. Important components of such uncertainty analysis are qualitative and quantitative analysis that identifies the most uncertain parameters of combustion model, assessment of uncertainty, analysis of the impact of uncertain parameters on the modeling results, and communication of the results’ uncertainty. As outcome of uncertainty analysis the tolerance limits and distribution function of thermal radiation intensity are given. The measures of uncertainty and sensitivity analysis were estimated and outcomes presented applying software system for uncertainty and sensitivity analysis. Conclusions on the importance of the parameters and sensitivity of the results are obtained using a linear approximation of the model under analysis. The outcome of sensitivity analysis confirms that distance from the fire center has the greatest influence on the heat flux caused by gas pipeline combustion.     

砂土液化引起大位移对地下管道影响的非线性分析

地下管线是生命线工程的主要部分,已经成为现代工农业生产和城镇生活的大动脉。已有震害调查表明,饱和砂土液化引起的地基大变形(侧向变形和沉降)是导致强震区生命线工程震害的主要原因。采用三维非线性有限差分分析方法来研究砂土液化引起的大位移对地下管道的破坏特征,分析砂土液化的斜坡变形特征、孔隙水的演化过程。结果表明,砂土液化引起的大位移对地下管道有破坏作用,导致管道变形规律与其斜坡的位移规律相同,地下管线的变形随着振动频率和幅值的增加其非线性增大。     

特深地下管线的电磁场特征分析及探测研究

研究了管线的一系列电磁场特征,介绍了特深管线探测应用状况,通过实例分析了从1 m到21 m了不同埋深直线电流及强电流3~21 m情况下的电磁场Hx、Hz、ΔHx 〖WTBZ〗的归一化异常的分布特征 , 提出了对特深管线探测的对策,即频率、电流、远端接地等提高信噪比的技术对策,提出了确定地下金属管线平面位置、埋深的方法,利用水平磁场分量70%法确定管线深度的适用条件,分析了特深管线探测的干扰因素,广州市3个特深管线的探测成功实例,说明了方法的良好效果.