Subsurface target recognition in Utopia Planitia of Mars by Tianwen-1 FP-SPR simulation

As a cold and dry planet, Mars contains water resources in the form of water ice, so that the electromagnetic waves can be transmitted to the deep underground to get the information of the topography and subsurface geological structure. Subsurface penetrating radar(SPR) can be widely used in deep space exploration for a long time because of its non-destructive detection mode and its working characteristics not limited by visible light. It is an important type of equipment for detecting the subsurface structure of planets. Orbiter radar is mainly used in Mars exploration. However, because of its low resolution, it is difficult to describe the near surface structure, so there is a lack of radar data which can reflect the shallow information. In this paper, a three-dimensional near surface model of Utopia Planitia on Mars is established. In order to make the simulation results more reasonable, the key factors such as topographic relief, subsurface rocks and water ice, and the variation of dielectric constant in different layers are taken into account. Then the full polarization forward modeling is carried out by using the three-dimensional finite-difference time-domain method. The acquired full polarimetric subsurface penetrating radar(FP-SPR) data with noise is preprocessed and further processed by Pauli decomposition. The underground reflection can be picked up more clearly from the Pauli decomposition results. This work is helpful to identify more details of subsurface structures and provides a reference for the measured data in the future.     

Research on weak signal extraction and noise removal for GPR data based on principal component analysis

The ground penetrating radar( GPR) detection data is a wide band signal,always disturbed by some noise,such as ambient random noise and multiple reflection waves. The noise affects the target identification of underground medium seriously. A method based on principal component analysis( PCA) was proposed to extract the target signal and remove the uncorrelated noise. According to the correlation of signal,the authors get the eigenvalues and corresponding eigenvectors by decomposing the covariance matrix of GPR data and make linear transformation for the GPR data to get the principal components( PCs). The lower-order PCs stand for the strong correlated target signals of the raw data,and the higher-order ones present the uncorrelated noise.Thus the authors can extract the target signal and filter uncorrelated noise effectively by the PCA. This method was demonstrated on real ultra-wideband through-wall radar data and simulated GPR data. Both of the results show that the PCA method can effectively extract the GPR target signal and remove the uncorrelated noise.     

基于聚类算法的钻孔瞬变电磁视电阻率立体成像方法

煤矿井下地球物理水害超前探测要求探测点20 m范围内不得有积水和金属物体,传统电磁法超前探测技术已不能满足要求,钻孔瞬变电磁法通过将收发装置送入掘进工作面前方的钻孔中进行探测,既远离了巷道中的各种干扰,又提高了隐蔽致灾水体的探测精度。为解决该方法对钻孔径向异常体的准确定位解释难题,通过三维正演总结了其水平分量异常响应特征,提出了异常体象限确定准则,研究了根据水平分量幅值和异常象限综合求取异常体工具面角的计算方法。将由垂直分量计算得到的每一个视电阻率视为独立异常体,基于K-means聚类算法对相应的水平分量异常曲线特征值进行二分类,实现了全数据集的视电阻率象限自动划分,结合异常工具面角算法研究得出钻孔瞬变电磁视电阻率立体成像方法。最后计算了三维数值模型的立体成像结果,对钻孔径向的小规模低阻异常体取得了良好效果。结果表明:基于K-means聚类算法的钻孔瞬变电磁视电阻率立体成像方法是地球物理与机器学习的有机结合,该方法能够为井下掘进工作面隐伏水害超前探测精细解释提供技术支撑。     

Research on influencing factors of coupling in SIMO antenna

In the process of radar data acquisition,limited amount of information can be provided to post-processing interpretation by the data acquisition method of single-input and single-output,however,the location and physical parameter information of geological body can be obtained more accurately by using Multi-Input Multi-Output(MIMO)antenna with multiple transmitters and multiple receivers.Especially when collecting borehole radar data and the aperture is very narrow,but the antenna is required to be able to ensure better results in a larger frequency band,therefore,the size of the antenna will be greatly challenged.Meanwhile,the close arrangement of multiple transmitting and receiving antennas will inevitably affect the signal radiation.Based on the borehole radar,this paper simulates and optimizes the Single-Input Multi-Output antenna(SIMO antenna),the size of which meets the aperture requirements,using HFSS antenna simulation software,and explores the factors affecting the antenna return loss and isolation.Among them,the radius of the dipole has little effect on the return loss and isolation,whereas increasing the number of receiving antennas or increasing the transceiver distance will significantly affect the antenna coupling,with a significant reduction in the amplitude of isolation.     

冻土路基微动探测方法应用探讨

以哈尔滨某高铁路基勘探为例,采用空间自相关方法提取微动信号频散特征,获取地下150 m介质的横波速度结构及分层特征。结果表明,微动方法可穿透冻土区较厚的覆盖层探测基岩面,且分层界面与钻孔资料一致。该方法施工便利、适用性强,结合钻探资料可精确刻画地下地质层位分布,减少钻探工作量,节约经济成本,具有较高的应用价值和科学意义。     

复频探地雷达在未爆弹探测中的应用

使用搭载200&400 MHz复合天线的LTD系列探地雷达,对埋设的未爆弹进行探测试验,并运用克希霍夫积分偏移法及三维插值算法对探地雷达数据进行三维成像。试验结果能准确地反映出浅埋未爆弹的位置信息,可指导排爆人员进行精确的开挖及排除。     

探地雷达方法在特殊含油污水管道渗漏探测中的应用

基于含油污水管道内输送液体温度高、无压和检测区域面层为硬化混凝土的特点,对某厂区含油污水铸铁管道地下渗漏问题,利用探地雷达方法进行了探测。分析表明,污染物在地层中的扩散形态、污染物与孔隙水的导电性和综合介电常数是影响探测结果的主要因素,而这些因素又受到土层孔隙度、饱和度和污染物与孔隙水的相互作用影响,从而改变了土壤污染区的物理和化学性质。在综合分析获得的不同类型渗漏污染源引起的异常特征前提下,将探地雷达剖面划分成三大类型,并依据这些典型图谱特征,圈定了渗漏点并得到了验证,研究结果证实了探地雷达方法对此类特殊污染物和污染区探测的可行性。     

基于特征概率函数的双阈值分割海面溢油检测

 海面溢油对生态环境造成了严重危害,故及早发现和尽快处理对降低事故影响和经济损失起着至关重要的作用。合成孔径雷达(SAR)是观测海面溢油、快速检测和事故态势分析判断的有效技术途径。本文针对SAR图像的海面溢油检测,提出了一种特征概率函数的双阈值分割方法。首先,通过高低阈值分割提取不同层次的灰度信息,再利用密度估计提取灰度的空间分布信息,然后,通过构建概率函数对油膜和类油膜区域进行形态学分类,最后,结合辅助信息,获得最终的海面溢油检测结果。本文利用香港中文大学卫星地面站接收的ENVISAT ASAR图像开展实验,结果表明,本文提出的方法能够准确地排除由风场或者水流场导致的低散射区域,有效地检测和识别生成不久的中型油膜,从而有助于溢油事故的早期预警与处置。     

综合地球物理方法在浅地表高阻采空区探测中的应用

某建筑用地位于原瓦庄煤矿矿界范围内,场地及周边曾进行过多期次的煤矿资源开采活动,形成诸多煤矿采空区,且有一封闭的瓦庄煤矿斜井待探查。通过现场踏勘、资料收集、分析及研究,采用高密度电阻率法和地质雷达综合地球物理方法对采空区进行勘察,重点探测废弃巷道的位置、埋深及走向等信息。根据探测目的要求,设计高密度测线2条、雷达测线6条,分别采用频率为100MHz和40MHz雷达天线进行现场探测,获取了地下0~30.0m深度范围的地质信息,查明了废弃巷道的分布范围、埋深及走向,后经钻探验证,采空区特征参数准确。本次探测成果为未来进行浅地表非积水高阻采空区的探查提供了基本思路与技术方法,同时也为后续场地稳定性及建筑适宜性评价提供了基础资料。     

毫米波雷达与雨滴谱仪观测弱降水的对比分析

针对毫米波雷达测量的数据需要进行验证,提出利用雨滴谱反演雷达观测量:回波强度、径向速度、速度谱宽和归一化的功率谱密度数据对比毫米波雷达在最低有效观测高度处探测弱降水数据的方法及分析毫米波雷达观测量误差来源。结果表明:2种观测仪器得到的回波强度随时间变化趋势大致相同但变化幅度差异较大,误差主要源于雷达天线的积水;径向速度由于空气的上升速度、湍流等影响使两者数值有一定差异,但是变化趋势却十分接近。速度谱宽两者结果是演变趋势和变化范围都非常接近;两者归一化功率谱值曲线随速度变化趋势相似,然而由于空气的上升速度、湍流等影响导致两者曲线出现整体平移。     

基于无人飞行平台的小型Ka波段合成孔径 雷达系统研制

无人飞行平台具有滞空时间长、使用维护方便等优点,在军事侦查打击、国土资源普查、灾害监测等领域的应用日益广泛。合成孔径雷达是一种二维成像雷达,能够得到类似光学图片的雷达图像,具有全天候、高分辨率、宽检测范围等优点,是无人飞行平台的重要载荷之一。然而,受限于无人飞行平台相对较小的空间与负载能力,雷达载荷必须向小型、轻量以及低功耗等方面发展。Ka波段电磁波信号具有波长短、带宽大、关键微波器件的体积小等特点,适合应用于高分辨率微小型雷达载荷。2015年中国科学院电子学研究所面向中小型无人飞行平台,开展了研制的小型高分辨率Ka波段合成孔径雷达工作,并通过试飞验证了雷达性能。本文研究了Ka波段SAR雷达系统各项关键技术,介绍了雷达系统及关键模块设计方案、雷达各工作模式的参数设计和实时成像算法,展示了该雷达在轻型飞行平台上获得的高分辨率飞行图像,并对图像进行了指标分析。试验结果表明：该Ka波段雷达系统成像清晰,图像分辨率优于0.2 m,满足设计指标要求;实测雷达重量低于10 Kg,峰值功耗小于100 W,适用于轻小型无人飞行平台。     

穿墙雷达中的多目标探测研究

分析了使用超宽带信号进行穿墙目标探测的基本原理。针对电磁波在不同介质中传播速率不同以及墙体折射造成的雷达回波信号时延出现误差的问题,提出了时延估计的搜索算法并以此建立了接收和处理目标回波的系统模型。通过估计房间内不同位置的时延信息来建立时延信号矩阵,并根据宽带信号相关处理技术,完成对墙体后多个目标的探测。仿真实验表明,该方法简单有效。     

3 D inversion of borehole gravity data using cokriging

Borehole gravity has been used in mineral exPloration recently with the advent of slim-hole gravime-ters. It is logical to Perform inversion to utilize the information in the newly acquired data. The i...     

陶乐地震台地表与井下地震计记录波形对比研究

为定量研究地表与井下背景噪声的异同,在同一台站地表架设地震计,与井下地震计进行同步观测。首先选取样本数据计算背景噪声功率谱密度,分析不同类型地震计安装在不同深度时功率谱密度及平均噪声RMS值的变化特征。通过对比分析3种地震计记录的近震和远震波形发现,地表宽频带、短周期和井下短周期地震计记录的近震波形都比较清晰,震相易于识别,且地表宽频带与井下短周期地震计记录的远震波形更清晰;而地表短周期地震记录的远震波形较差,失真严重,震相不易识别。在进行震源频谱对比分析中发现,相对于地表地震计,井下地震计记录的近震波形在7~12 Hz频段受干扰较为严重,远震波形则在4~7 Hz频段受干扰严重,震相分析时需慎重处理。     

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基于剖分表达结构的雷达探测范围计算方法

雷达不仅在现代军事中发挥着至关重要的作用,也被广泛应用于社会经济发展和科学研究等领域。如何科学表达并计算真实环境下雷达探测范围是当前研究热点。目前已有算法采用几何光学和数学建模的思路,存在计算量大、复杂度高等问题,导致算法效率低。本文基于空间剖分结构提出一种雷达探测范围的计算方法,该方法采用剖分的思想,实现了地形影响下雷达探测范围和多雷达探测范围的计算及可视化,具备计算简单、算法复杂度低等特点。实验表明,该算法具备很好的表达效果与计算能力,算法效率较传统方法明显提高,为雷达探测范围的计算提供了一条新的解决途径。     

基于升降轨Sentinel-1A SBAS InSAR的西南山区滑坡隐患早期识别研究

以贵州省水城县为研究区,使用SBAS InSAR分别对2018-07~2019-07鸡场镇滑坡发生前31期升轨和30期降轨Sentinel-1A数据进行处理,提取地表形变场。结果表明：1）鸡场镇滑坡发生前SBAS InSAR形变场并未出现明显形变,已超出12 d重访周期SAR的形变监测能力;2）研究区存在5个明显形变区,推断与斜坡失稳、地下/露天采矿和矿物加工的抽排水有关;3）升降轨数据的SBAS InSAR形变场相互补充、验证,可显著提升卫星雷达对山区滑坡隐患早期识别和形变监测能力。研究方法可为贵州省以及中国西南山区滑坡隐患调查与早期识别提供技术参考。     

无人机模糊图像自动检测方法

图像模糊程度是图像评价的一个关键指标参数,它影响着图像的质量和信息。特别对于无人机拍摄的图像,如果利用模糊的图像参与计算,会造成很大的误差甚至出现颠覆性的结果。因此对于图像模糊的检测显得至关重要。传统的图像模糊检测方法大都基于人工检测、且有合格的参考图像参与评价过程,方法耗时、费力,无法用于大量无人机拍摄图像的分析。因此本文基于Sobel边缘检测原理,利用4个方向的Sobel算子,寻找图像中每个Sobel边缘点的模糊邻域,并构建模糊邻域宽度值的计算准则,由此来计算出整幅图像的平均模糊邻域宽度值,并将这个计算结果作为检测模糊的直接依据。同时考虑到无人机拍摄图像的特点,将其按照拍摄时间顺序排列,依次将相邻图像互为参考,通过对比互为参考图像的模糊邻域宽度值的变化情况,将宽度值突变的图像确定为模糊图像。据此对无人机拍摄的所有图像进行模糊检测。最终通过7组2322张 图像进行自动检测发现151张图像模糊,通过人工检测发现158张图像模糊,平均检测率95.57%。该检测方法具有较强的 适用性。     

隐伏铁矿床封闭不良钻孔井下止水技术及应用

苍绎铁矿带会宝岭铁矿床为大型隐伏沉积变质岩型铁矿床,矿山涌水量大、排水成本高,且对矿山安全生产构成了威胁。治水前,矿山正常涌水量约530m³/h,其中已探明的封闭不良钻孔涌水量163.5m³/h,占矿山涌水的重要组成部分。本文针对封闭不良钻孔的涌水量、水压、充水水源等特征进行分析,首次在深隐伏铁矿床中提出了孔底点注浆、分段泄压注浆、截水墙注浆止水3种井下注浆止水技术,建立了隐伏铁矿床封闭不良钻孔井下注浆止水体系,并取得了较好的止水效果,对类似矿山的封闭不良钻孔的止水工作具有重要指导意义。     

C、X波段双线偏振多普勒雷达资料质量分析

双线偏振多普勒雷达是探测和研究降水粒子相态结构的一种有效手段并且已经取得了较多的研究成果.但是对于一部特定雷达来说,要进行资料分析和预处理以及评价其探测性能仍然比较困难.以国家灾害天气重点实验室的C波段双线偏振雷达及北京市气象局的X波段双线偏振雷达观测的一次降水过程资料为例,在保证资料的可信度的基础上统计分析双线偏振资料中的差分反射率因子ZDR、水平和垂直信号相关系数ρHV与信噪比SNR的关系.研究发现:差分反射率因子ZDR在信噪比小于20dB时受系统误差影响较大,水平和垂直信号相关系数ρHV.在信噪比小于20dB时资料变得不可信,并根据系统误差订正方法对原始资料ZDR进行订正,通过订正后的ZDR资料能够较好地反映实际情况,同时通过拟合得到的KDP与实际情况也相吻合,结果达到定量估测降水、相态识别精度的要求.