探地雷达有限元数值模拟及衰减特性探讨

从Maxwell方程组出发,推导了带衰减项与不带衰减项的探地雷达(GPR)有限元波动方程。利用matlab平台编译了二维GPR有限元正演模拟程序。通过对典型模型例子的模拟分析,给出了GPR电磁波衰减比的概念及其计算公式,加深理解了GPR电磁波在不同介质中的传播特性。在GPR正演模拟中,必须考虑衰减项的吸收作用,得到的模拟结果更符合GPR电磁波在地下介质中的传播规律,更有助于理解和掌握地下介质中探地雷达波的传播规律,对探地雷达资料的地质解释具有更好地指导意义。     

隧道不良地质现象的探地雷达正演模拟与超前探测

探地雷达是一种分辨率比较高的工程地球物理方法,对掌子面前方的溶洞、富水带、断层破碎带和裂隙带等不良地质现象有明显的异常反应。文中介绍了探地雷达在隧道超前预报中探测的原理、测线布置和数据采集方式,分析不良地质现象与围岩之间的结构和介电差异特征,设计合理的正演模型进行正演模拟,分析正演模拟图像的波形、频率、振幅、相位等特征,理论上总结了不良地质现象在雷达图像上的信号特征,并通过对实测典型雷达图像的解释,对不良地质现象的雷达反射波的频谱特征做进一步研究,可以为探地雷达在隧道超前预报中的解译提供参考。     

复杂地电模型的探地雷达时域有限差分正演

目前探地雷达正演模拟。都是针对简单的层状模型、圆状空洞、正方形空洞等单一的规则模型,而对于地下弯曲的界面或“V”字形等复杂模型的正演,实现起来较为困难。然而,地下构造是复杂的,因此,对复杂地电模型的正演研究显得更为重要。这里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,通过讨论数值频散关系及其产生原因,推导出符合探地雷达实际传播规律的理想频散关系。为解决正演模拟时截断边界处的超强反射,采用了Mur超吸收边界条件．并以自制的探地雷达正演模拟程序为依托,对两个复杂的探地雷达模型进行了正演模拟,得到了正演剖面图。从其后模拟实例中的两正演剖面图可以看出,边界截断处的干扰波被大大地减少,消除边界反射后的雷达剖面能更好地指导工作人员进行地质解释,从而达到了把雷达的正演研究深入到复杂地电模型中去的目的,使正演研究更符合实际的地质情况。     

基于FDTD的隧道衬砌质量雷达检测正演模拟及其应用分析

针对隧道衬砌可能出现的不同的地质病害,根据其介质电性特征,构建相应的地球物理模型,基于时域有限差分(FDTD)算法和完全匹配层(PML)的吸收边界条件,利用GprMax软件结合Matlab编程作探地雷达正演模拟。研究结果表明,不同密度的钢筋和钢拱架模型,在不同中心频率的天线的正演结果中,受到探地雷达分辨率地影响,反射信号同相轴的强弱和形态有所不同,不同的形状的脱空模型其相位、振幅、波形特征都各不相同。结合工程实例,雷达正演模拟与实测剖面结果的主要异常波形信号及钻孔揭示情况基本相符,说明探地雷达能有效地检测衬砌病害的类型、位置、构造走向等空间分布特征,验证了该正演方法的可行性,有助于更好地指导物探工作者对衬砌质量进行更精确地解释,准确发现衬砌的地质病害,确保隧道运营安全。     

基于FastICA的低信噪比探地雷达信号去噪

在背景条件复杂的工区,为了提高探地雷达(GPR)勘探资料解释的准确性和可靠性,利用独立分量分析理论进行了强噪声背景下的探地雷达信号去噪研究。阐述独立分量分析(ICA)基本理论,着重讨论了基于负熵最大化的快速独立分量分析(FastICA)算法。应用FastICA算法对单道探地雷达数据和正演含噪雷达剖面分别进行去噪分析,得到去噪后的探地雷达信号。以湖北恩施彭家寨隧道GPR实测数据为例,将Fast ICA算法应用于探地雷达剖面数据去噪。研究结果表明,将FastICA算法应用于探地雷达信号处理,摆脱了传统方法参数设置的束缚,流程简单,在GPR去噪方面有独特的优势,可较好地对低信噪比的GPR原始数据进行噪声去除,有助于突出探地雷达剖面中异常体特征,达到了提高资料解释准确性和可靠性的目的。     

注浆材料介电常数在雷达图像识别中的应用

利用探地雷达(GPR)方法探测软土盾构隧道盾尾壁后注浆分布效果时,电磁波在介质中的传播速度是准确识别介质界面的关键。在估计波速时常常将介质的介电常数假设为固定不变的常数,这不符合实际情况。为保证探测图像识别的精度,首次利用网络分析仪对不同配比、不同探测频率和不同龄期下软土隧道壁后注浆材料的介电常数进行了测定,对测定结果进行了基于射线追踪原理的GPR数据二维正演分析,并将分析结果与模拟的探地雷达隧道壁后注浆分布探测结果进行了比较。结果表明,针对不同的探地雷达探测频率而采用相应的介质介电常数来进行探地雷达探测图像的准确识别是十分必要的。     

探地雷达在河道探测中的应用

基于有限差分法,建立了探地雷达电磁波在河道传播的正演模型,并模拟了水下不同构造的典型工况,得到了相应的二维反射图像。和实际探测的河道图谱进行了比较,通过对模拟图像的分析和实际雷达探测图谱的解释,研究了探地雷达方法在河道探测中的可行性。     

基于传输线法模拟探地雷达在多层介质模型中的传播

数值模拟是研究探地雷达电磁波在多层介质中传播规律的有效手段,传输线算法是一种基于Huygens原理的时域分析电磁场方法。这里阐述了TLM方法的基本原理及基本关系式,用TLM方法对多层介质进行了正演模拟,将模拟结果与FDTD方法合成结果进行了对比,结果表明了TLM用于GPR正演计算的正确性及有效性。应用该算法对已有模型进行了定性分析,验证了随着介电常数和电导率增大,雷达电磁波衰减加快的结论。     

低频探地雷达探测冻土带天然气水合物正演模拟研究

通过对低频探地雷达在青藏高原冻土带环境下的探测深度、分辨率及反射特征分析的正演模拟来研究其在冻土带天然气水合物勘探中的可行性和关键参数。首先通过雷达测距方程计算确定了理论上探地雷达的最大探测深度与发射频率、地下介质电阻率、介电常数之间的关系,并根据电磁波反射理论计算满足冻土带天然气水合物探测深度所需的系统增益;随后通过低频探地雷达分辨率计算和仿真模拟来确定低频探地雷达在大尺度(200 m)范围的广义分辨率;最后参考已经发现天然气水合物的木里地区基本情况设计冻土及天然气水合物模型,利用时间域有限差分(FDTD)方法进行二维正演,获得了探地雷达信号在冻土带底界以及天然气水合物顶、底界的反射特征,为野外实测数据的处理及解释提供有用信息。研究结果表明,采用中心频率小于等于15 MHz且系统增益大于165 dB的低频探地雷达在地表电阻率较高的冻土区能够满足天然气水合物储层的探测深度要求;分辨率计算及仿真模拟表明低频探地雷达在满足一定条件下在200 m深度可以达到探测深度1%的广义分辨率;探地雷达信号在冻土底界、天然气水合物顶、底界均存在明显的强振幅和频率突变特征;理论计算结果认为应用低频探地雷达直接探测冻土带天然气水合物是可行的。     

分形技术在探地雷达资料处理解释中的应用

将分形理论应用到探地雷达 (GPR)资料处理解释中 ,以提高探地雷达剖面的分辨率。通过建立相应的GPR的fBm模型 ,采用逐次随机增加方法 (SuccessiveRandomAdditions)对GPR数据进行细分。实验分析表明 ,分形处理是一种提取GPR高分辨率信息的非常有效的方法 ,其效果要比常规处理 (如线性滤波等 )明显 ;最后用分形技术对实际探地雷达检测剖面进行了处理 ,取得了较好效果     

煤火区浅部松散煤体及采空区的探地雷达响应特征

探地雷达对浅层勘探具有较高分辨率,为煤田火区浅部松散煤体或采空区等典型火源地质结构探测提供了重要手段。然而如何识别各种火源地质结构体,确定火区重点范围还存在一定的理论不足。基于电磁波理论,采用时域有限差分法正演模拟了火区典型地质体地电模型雷达响应,其特征表现为：松散跨塌煤体对应雷达响应绕射波严重,其内部波形紊乱;空洞区顶界面回波能量强,较为连续,其内部无绕射。正演模拟和现场测试研究表明：探地雷达对识别浅埋火区煤层松散跨落程度,圈定火烧重点区域,减少灭火成本和火区开采安全事故具有重要的现实意义。     

探地雷达时域有限差分法正演模拟

在以往雷达波的正演模拟中,借鉴地震波中成熟的正演模拟方法,均采用模拟声波方程的方法,精度不够高。因此从麦克思韦方程组出发,采用目前电磁场理论中最常用的时域有限差分法,对探地雷达进行了正演模拟。为了进一步说明其正确性,对正演模拟的结果又进行了偏移处理,从结果看出该方法的正确性及可行性。     

探地雷达探测中对媒质相对介电常数的测定

分别就探地雷达探测中的收发一体式天线、收发分离式天线在实际工作中对媒质相对介电常数的几种主要测定方法：已知目标深度法、点源反射体法、共中心点（CMP）法及层状反射体法,从理论到实例一一做了详细的论述。实践证明,这些方法能够满足生产要求。     

探地雷达剖面的相干加强处理

简述了用相干分析法对探地雷达反射剖面进行处理的方法原理,并结合雷达剖面的特征编制了雷达记录道相干加强处理的实用程序。对实测雷达剖面进行处理的结果表明:雷达记录道相干加强处理能有效改善来自同一界面的雷达反射波同相轴的连续性,有利于反射界面的追踪,同时不会引起同相轴的形态发生畸变。     

地质雷达探测技术在浅覆盖活动构造区填图中的应用——以宁夏青铜峡地区1:5万新构造与活动构造区填图为例

地质雷达探测以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点,成为地质调查中广泛使用的一种探测方法。本次宁夏青铜峡地区1∶5万新构造与活动构造区填图中运用地质雷达探测技术对第四系和隐伏断层进行了探测。结果表明,40 MHz地质雷达可以有效地探测地表以下30 m内的第四系结构,可清晰地识别出3套第四纪地层。这一地层结构划分被第四系浅钻证实,其为第四系全新统灵武组,自下而上由泥岩、砂砾石层和含砾的砂或泥等3套地层组成。对测区主干断裂——柳木高断裂南段的地质雷达探测表明,断裂带表现为近地表发散向下汇聚的正花状结构,这与探槽揭露的特征一致,表明地质雷达探测可以准确标定隐伏断层平面位置与垂向精细结构。本次宁夏地质填图证实,地质雷达技术是浅覆盖活动构造区进行隐伏断裂调查和第四纪地层层序划分的可行、高效、便捷的技术方法之一。     

综合物探测量在桃山地区铀矿勘查中的应用

为了深度挖掘桃山铀矿田的资源潜力,在桃山地区开展了综合物探测量,结果表明,CSAMT测量能反映出断裂及裂隙密集带的特征,特别是断裂的影响宽度、深度、两盘结构变化等;磁法测量能圈定与铀成矿有紧密关系的黑云母二长花岗岩的分布范围。根据区内已知铀矿床的的分布,分析了铀矿床的地球物理特征,总结了地质—地球物理找矿模式,预测了铀找矿有利地段,取得了好的勘查成果。     

发育完整的灰岩风化壳及其矿物学和地球化学特征

对于碳酸盐岩土覆土壤成因、尽管碳酸盐岩风化残积成土说被多数学者认同,但由于碳酸盐岩中酸不溶物含量极低,在风化成土过程中会伴随着巨大的体积缩小变化,原岩结构和半风化带无法保留,从而缺失了探索上覆土壤物质来源的重要中间环节,使得这种观点缺乏野外宏观证据的支持。最近,我们在贵州、湖南等地发现了数个以泥质灰岩和泥质白云岩为基岩的碳酸盐岩风化壳剖面,尚保留有较好的原岩结构,具有明显的风化壳分带和过渡现象。这些风化壳剖面的发现为深入研究碳酸盐岩风化成土过程提供了良好的研究场所。本文选取了较为典型的吉首泥灰岩风化壳剖面,从矿物学地球化学的角度来探讨碳酸盐岩风化壳的形成过程和发育特征,结果表明该风化壳既遵循非碳酸盐岩（主要是结晶岩类）风化壳的发育特征,也具有自己独特的地球化学演化规律。风化壳总体特点受碳酸盐中的酸不溶物矿物组合及化学成分的影响甚至控制,风化非碳酸盐风壳相似的发育特征。吉首泥灰岩风化壳剖面的发育特征和作者早先提出 的碳酸盐岩风化成土的两阶段模式是一致的,即以碳酸盐矿物大量淋失、酸不溶物逐渐堆积或残积为特征的早期阶段和残积物进一步风化成土的阶段,后一阶段的演化类似非碳酸盐岩类的风化过程。     

灵新煤矿导水裂隙带发育高度数值模拟研究

煤矿的开采利用给国民经济发展带来巨大的收益,但也引发了许多环境地质问题,特别在煤层开采过程中,煤层上覆基岩变形破坏形成的裂隙通道极易发生矿井涌（突）水事故,时刻威胁着井下工人的生命安全。本文以灵新煤矿051505工作面为研究对象,利用Flac3D数值模拟软件,对14号主采煤层上覆基岩导水裂隙带高度进行了模拟研究。模拟结果表明：当煤层开采厚度为2.5 m时,导水裂隙带发育最大高度为59.5 m。同时选取经验公式法对导水裂隙带高度进行了计算。最终通过钻孔实测法得到的结果与前两种方法对比分析,数值模拟结果与钻孔实测结果基本吻合,认为数值模拟方法能够高效、简单、合理达到预测导水裂隙带高度的目的,也为同类矿井安全、绿色生产提供一定的借鉴。     

获取探地雷达原始信息的两种方法及技术

获取探地雷达原始数据是探地雷达用户对原始数据进行自主处理的第一步，作者在文中以VB6．0和MATLAB为依托，编写了一套实用读取原始数据的程序，为开展了下一步数据处理工作打下了坚实的基础。