机载探地雷达数值模拟及逆时偏移成像

机载探地雷达可以用于人类无法到达的危险地区、植被严重覆盖的地下目标体探测,然而由于机载探地雷达的特殊性,影响机载探地雷达探测效果的因素包括天线的极化方向、天线的飞行高度以及地表粗糙度等.为了研究这些影响因素与探测效果之间的关系,用三维时间域有限差分模拟电磁波的传播过程,以沙漠地区地下空洞掩体的机载探地雷达探测为实例,分别模拟了不同天线极化方向、天线高度及地表粗糙度情况下的机载探地雷达剖面,分析了各因素对机载探地雷达探测地下空洞目标体的影响.天线极化方向与目标体走向垂直更有利于地下目标体探测;天线距离地表越近,可以获得更高分辨率的雷达剖面;沙漠地表起伏越大,雷达剖面中的散射杂波能量越强,浅部地下目标体信号容易被掩盖.为了消除起伏地形造成的散射杂波,提出用逆时偏移成像技术对共炮集机载探地雷达数据进行偏移成像,成像结果优于基尔霍夫偏移成像结果.     

智能化雷达探生仪的研制

基于电磁波雷达探测技术研制一套智能化雷达探生仪。介绍了电磁波雷达生命探测原理,并给出智能化雷达探生仪的研制方案,其包括收发天线、射频收发模块、采集模块和手持式终端的设计。     

水库冰气泡含量和密度对探地雷达测厚的影响分析(英文)

在水库现场试验了RIS K2型探地雷达探测水库冰厚度的能力,试验时所用天线频率为600MHz;同步钻孔测量雷达探测处的冰厚度;以及在一个点上取样测试分析冰晶体、冰内气泡和冰密度。试验时冰面积雪厚度0.03-0.05m,冰层上部有0.24m粒状冰,其下均为柱状冰;冰内气泡含量呈表层高底层低分布;冰密度随气泡含量变化;冰厚度在平面内不均一。通过探测厚度和实测厚度的对比分析以及气泡含量对介电系数影响的理论分析,建立了积雪、粒状冰和柱状冰三层介质模型,获取雷达波在冰内的理论传递时间。结果发现:能够利用等效介电常数或等效传播速度评价雷达波传递时间,结冰期冰层1/3深度处的对应介电常数或传递速度可以作为等效值;另外因冰内大气泡造成的理论传递时间大于雷达探测时间,其差值随理论传递时间或冰厚的增加呈非线性增加。     

一种简易探地雷达天线的制作及其应用效果分析

由于商业探地雷达天线价格昂贵,又比较笨重,很多测量参数不能任意修改或修改起来比较困难,且在室内做实验又很不方便,所以,设计一种造价低,小巧方便且效果较好的天线显得很有意义.基于这样的考虑,本文从实用的角度出发,采用半定量化的方式较详细的介绍一种简易探地雷达天线的制作方法,并辅以网络分析仪对其实际应用效果进行分析研究.实验证明,对于常规的探地雷达实验研究,该天线在性能上已达了要求,是有效的,可行的.     

基于多匝环形线圈的核磁共振信号响应计算与试验研究

核磁共振接收信号的质量主要受探测天线的传递特性影响,当传递特性较差时,严重影响测量效果.结合目前国内外核磁共振找水仪天线的研制情况,给出了接收天线传递特性的计算方法,根据数值计算结果讨论了影响传递特性的天线参数.利用吉林大学研制的核磁共振找水仪进行实际测试,结果证明与讨论结果一致.本文得出的传递特性影响因素和接收信号质量评估方法,可以为不同类型核磁共振找水仪天线的设计提供依据,将促使核磁共振方法在复杂地形环境找水及隧道、矿井灾害水源探测等方面得到有效应用.     

中尺度模拟土壤油污染区探地雷达探测效果分析

为使物理模拟实验效果与实际探测情形更为接近,在室外自然条件下建立中尺度土壤石油污染实验模型,油污染区扩展深度超过1 m,采用实地探测中常用的500 MHz雷达天线进行长期定时探测.通过实测雷达图像特征、土壤含水量含油量分析,并对比前人开展的小尺度室内模拟试验结果,综合评价探地雷达对油污染区的探测效果.研究表明探地雷达探测图像异常特征与污染区扩散阶段密切相关:包气带内油污染区会引起振幅增强;毛细带的油污染区则表现为水位面反射轴附近清晰可辨的高幅异常区,且水位面反射轴呈下凹状;随扩散过程持续进行,异常区下移与水位面反射轴相交,并产生水平扩张.当污染土含油饱和度大于20%时,可通过雷达图像异常区圈定污染范围;当污染土含油饱和度大于15%时,可通过频谱图出现低频响应的位置圈定污染区水平范围.中尺度实验结果与室内小尺度模拟结果具有一致性,可作为油污染区雷达图像异常的解译依据.     

评价影响地质雷达用于探测地雷可行性的几个因素

地质雷达是探测地雷的有前途的技术方法之一。影响地质雷达探测地雷能力的因素很多,其中有:1)地雷材料(金属的或塑料的)的类型;2)周围土壤的条件(土壤结构和土壤中水分);3)所用的雷达频率。通过对地雷与围岩土壤之间的介电常数以及雷达波衰减的影响的研究调查了影响地质雷达探测地雷能力的几个因素从理论上评价和模拟了每一种因素的影响。发现雷达探测地雷的能力很大程度上与雷达类型、土壤含水量和结构,以及雷达频率有关。在任何土壤条件与雷达频率下,金属雷达比塑料雷达容易探测。不考虑土壤结构, 随着土壤中水分增大,对塑料雷达的探测变得容易,而对金属地雷探测难度增大。土壤中泥土含量比例增大引起与水分增大同样的影响。然而只要土壤中泥土和水分比例较低,较高雷达频率可以得到较好的地雷探测结果。研究结果有助于依据地雷类型和环境条件来选择最佳的雷达天线与数据采集参数。     

利用钻孔雷达探测地下含水裂缝

钻孔雷达是地质雷达的一种特殊模式.和通常的地质雷达比起来,它有好几个显著的特点.比如,利用钻孔接近地下的某个区域,天线可以相对接近所要测量的地质异常体或目标,从而导致在较深的范围对目标的精确测量.实验场地位于北京西部的一个石灰岩的小山上.该处有一组钻孔,并被大量的裂缝所切割.在这些钻孔中,我们进行了单孔反射测量和跨孔测量.测量的数据经过处理和解释表明,在该场地雷达的径向探测范围可达30米,地下裂缝的分布可以形成清晰的图像.我们可以看到很多裂缝,它们距钻孔的距离及倾角都可以确定下来.在有些情况下,确定裂缝分布的方位是可能的.     

北京MST雷达探测中间层-低热层观测结果初步分析

北京MST雷达是子午工程建设的国内仅有的两部MST雷达之一,为研究其在中间层-低热层MLT区域的探测能力以及数据可靠性,本文应用北京MST雷达2012、2013两年高模式数据,从数据获取率、与廊坊流星雷达测风对比以及风场时空分布特征三个方面进行初步分析.结果是:(1)数据获取率日变化特征为:白天65~100km均可获取数据,数据获取率的高值区主要集中在70~80km,最大值可达80%;夜间主要集中在80~100km,数据获取率在30%及以下.表明该MST雷达白天可以探测到电离层D层和E层低层,夜间D层消失,只探测到E层低层.季节变化特征为:夏季白天可获取数据的时间和高度区间都比较大,春季次之,冬季最小.夏季白天以及日落后1h内可探测到120km.(2)对北京MST雷达与廊坊流星雷达2012年5月份、80~100km高度区间测量的水平风进行对比分析,二者测风结果在时空分布上有很好的一致性,表明MST雷达探测数据是可靠的.(3)2012年和2013年相应月份平均的纬向风、经向风时空分布特征有较高的一致性,并与HWM07模式结果也基本一致.上述初步分析结果表明,北京MST雷达对中间层-低热层60~120km高度区域已具备较强的探测能力,所得结果将可用于MLT过程揭示与驱动因子研究,并可与该高度上其他探测手段作综合研究.     

铁路路基雷达探测工作参数的设计

介绍了使用路检车装载探地雷达(Ground Penetrating Radar)对铁路路基检测的原理,结合野外探测过程中对测量深度、精度和行车速度的要求,给出了GPR现场工作测线布置的原则,理论上给出天线中心频率、时窗、采样率、测量点距的计算公式.讨论了连续测量和离散测量的关系,考虑到连续测量时水平精度的要求,给出行车速度必须满足的两个条件,从而确定行车速度的上限.为保证野外检测工作的顺利进行,结合实际情况给出了GPR工作参数的设计原则和流程.     

西南印度洋中脊三维地震探测中炮点与海底地震仪的位置校正

在海上实施三维地震探测过程中,人工震源枪阵中心与船上GPS的距离及地震探测作业中的船行方向造成炮点实际位置与预设位置有一定偏差;自由落体投放的OBS由于海流的影响会偏离原定设计位置(投放点),因此,炮点与海底地震仪(OBS)的位置校正是三维地震结构研究中的基本环节.本文利用艏向信息校正了炮点位置;采用蒙特卡洛和最小二乘法方法对海底地震仪的位置进行了校正,并探讨了直达水波曲线特征.结果表明 OBS位置一般偏离设计点1 km左右,其误差范围在20 m以内,校正后的OBS记录剖面展示了真实的记录情况.该研究结果为下一步西南印度洋的三维层析成像研究提供了坚实数据基础,同时为今后南海的三维深部地壳结构探测提供经验与借鉴.     

钱塘江双向声传播测流实验研究

2009年4月和5月在钱塘江杭州段进行了双向声传播测流实验.两个声信号发送与接收站设置在钱塘江两岸,间距为3050 m.在声传播实验期间,沿着声传播路径还进行了12次走航ADP(Acoustic Doppler Profiler)流速观测.根据双向声传播的顺逆流传播时间差计算得到沿声传播路径的平均流速,与ADP走航观测结果基本一致,两者的均方差为0.03 m/s.通过ADP走航期间双向声传播时间差的平均值和ADP走航观测所得断面流量之间的线性关系,得到了整个观测期间断面流量的时间序列.实验较好地捕捉到了因钱塘江涌潮而引起的流量变化,流量的最小值为 -3406 m³/s,最大为3509 m³/s.第一和第二实验阶段钱塘江的净流量分别为1329 m³/s和979 m³/s.以上结果表明用双向声传播测流方法可实现对河道流速和流量连续的监测.     

Accuracy,reproducibility and sensitivity of acoustic Doppler technology for velocity and discharge measurements in medium-sized rivers

Abstract

With increased interest and requirements in surface water quality and hydrodynamics, additional information is needed about water flow in streams. The mobile OTT Qliner with acoustic Doppler technology (ADQ) provides a highly efficient and accurate way of collecting this information. For this study we completed 366 measurements of flow velocity, water depth and discharge with ADQ from September 2010 to June 2011 at 174 cross-sections in eight catchments of different sizes located in northern Germany, central Germany and southeastern China. The measurements were used to study the accuracy, reproducibility and sensitivity of the device, and to improve the hydrodynamic sampling for medium-sized rivers and channels by investigating its internal settings. The observations reported clearly show that the results of flow average, profile, layer and point values obtained with the ADQ compare very well with those of electromagnetic or ultrasonic devices. In general, the average flow velocity gives the highest agreement. Vertical velocity has a better quality than the layer velocity, which indicates a greater precision in the horizontal than in the perpendicular direction. Point velocity, the composite of vertical velocity and layer velocity, has intermediate precision. Tests on internal settings revealed that measurement is more sensitive to cell size than to time interval setting. A cell size to depth ratio of between 0.1 and 0.2 m produced the highest reliability. A measurement period of 30 s is needed for velocities faster than 0.3 m/s; for shallow and slow-flowing rivers, an interval of 50 s or even greater is recommended. The closer the measured points were to the river bank or bed, the greater the measurement error. The river bed can also influence the measurement more distinctly than the river bank.

Editor D. Koutsoyiannis; Associate editor A. Montanari

Citation Song, S., Schmalz, B., Hörmann, G., and Fohrer, N., 2012. Accuracy, reproducibility and sensitivity of acoustic Doppler technology for velocity and discharge measurements in medium-sized rivers. Hydrological Sciences Journal, 57 (8), 1626–1641.     

全极化探地雷达正演模拟

全极化探地雷达不但能获取当前探地雷达使用的共极化信息,而且能使用交叉极化信息,进而更好地分析目标属性.本文在时域有限差分法的基础上,构建了全极化探地雷达的正演模拟方法,通过水平正交双方向同时接收获取全极化信息.标准目标体金属板和角反射器的正演模拟与实验室物理模型测试一致的共极化和交叉极化响应信息,证实了该正演模拟方法的...     

宽带探地雷达系统研究及在工程检测的应用

宽带探地雷达系统以其高分辨率而受到重视。我们系统地分析、模拟和实验测试了宽带天线，在同络分析仪的基础上研究和开发了宽带的探地雷达系统。对不同模型进行探测，结果表明系统具有很高的分辨率。更重要的是该系统可以在与被探测介质不接触的情况下对介质内部进行探测，具有很高的工作效率。在工程质量检测中将具有巨大应用前景。     

Continuous monitoring of volcanic eruption dynamics: a review of various techniques and new results from a frequency-modulated radar Doppler system

 In situ measurement of volcanic eruption velocities is one of the great challenges left in geophysical volcanology. In this paper we report on a new radar Doppler technique for monitoring volcanic eruption velocities. In comparison with techniques employed previously (e.g., photographic methods or acoustic Doppler measurements), this method allows continuous recordings of volcanic eruptions even during poor visibility. Also, radar Doppler instruments are usually light weight and energy efficient, which makes them superior to other Doppler techniques based on laser light or sound. The proposed new technique was successfully tested at Stromboli Volcano in late 1996 during a period of low activity. The recorded data allow a clear distinction between particles rising from the vent and particles falling back towards the vent. The mean eruption velocity was approximately 10 m/s. Most of the eruptions recorded by radar were correlated to seismic recordings. The correlation between the magnitude of the volcanic shocks and the eruption force index defined in the paper may provide new insights into magma transport in the conduit. Received: 15 May 1998 / Accepted: 15 December 1998     

Eruption dynamics of the SW crater of Stromboli volcano,Italy — An interdisciplinary approach

We report on the evaluation of in situ measurements of eruption velocities and relative mass flux, collected by Doppler radar, as well as acoustic and infrared data, that were recorded at Stromboli volcano. Doppler radar observations were made alongside thermal, acoustic and seismic measurements, to (1) further investigate the complex waveforms of the SW crater by combining infrasonic, infrared and Doppler radar measurements, (2) establish a relationship between infrared, acoustic and Doppler radar measurements and (3) verify that all instruments observe the same behavior in terms of relative mass eruption rate. We also explore the relationship between kinetic and acoustic energy released during an eruption. Comparing the different methods to each other we are able to show that the mass erupted can be estimated either from the total reflected Doppler radar energy or from infrared observations. However, neither thermal nor reflected energy can provide a value in terms of absolute mass in kg. The erupted masses of different eruptions can only be evaluated relative to each other. Using the combined three data sets we especially focus on the eruption dynamics of the SW crater of Stromboli, namely its fluctuations in eruption strength. These pulses in one eruptive event, so called ’pulsations’ dominate more than 40% of the eruptions of SW crater. Previous models that explain pulsations to be generated by multiple consecutively exploding bubbles are supported by our combined analysis of infrasound, thermal data, particle velocities, and the reflected energy.     

随钻声波测井钻铤模式波衰减规律研究与隔声体设计

随钻声波测井技术近年来发展很快,这门技术的关键技术之一是随钻仪器的隔声设计,以保证在随钻条件下有效地测量地层的声波信号.针对普遍采用的刻槽隔声技术,本文利用三维有限差分弹性波场模拟对钻铤刻槽前、后的声波响应进行了数值模拟和理论研究.通过模拟结果的理论分析给出了钻铤波固有阻带分布规律与钻铤尺寸关系和钻铤波衰减频段与刻槽宽...     

利用到时差分布图方法进行近场地表震源定位

近场震源的高精度定位在工程建设与军事应用等方面意义重大且应用广泛,如炮弹落点定位或车辆追踪等.定位过程面临速度结构未知、高分辨率要求等问题,传统的震源定位方法有一定的局限性.本文将超声波检测中的时差分布图(Delta T Mapping,简称DTM)方法首次成功引入近场震源定位问题中.DTM定位法首先建立一个测区的到时差模型,然后基于此模型对新的震源进行定位.有两种建立模型的方法,(1)网格搜索法:对原有模型进行线性插值,得到更高分辨率的到时差分布模型;(2)统计定位法:利用高斯过程回归建立到时差数据与位置坐标之间的映射关系.本文在北京某郊区进行了炸点定位实验,在140 m×90 m的测试区域内,定位误差为0.5~5.1 m.结果表明,DTM方法是一种可靠、高精度、具有近实时性的近场震源定位方法.进一步利用接收点、源点互换,在获得高精度DTM同时,可大幅降低标定与数据分析成本.结合震源扫描法具有解决多目标定位问题的潜力.     

围压下岩石破坏声发射测试系统及震级频度关系的实验研究

震级频度关系的Gutenburg-Richter公式近年来受到了挑战,一些学者在不同条件下都发现了b值的非线性表现。本文利用自己装配的实验系统对围压下岩石破裂声发射活动的震级频度关系和时间序列特征进行了研究。实验表明AE事件的震级频度关系在某个中强震级K′之前基本符合b值规律,其b值的大小与破裂方式有关。在摩擦滑动中AE序列具有低b值的特征。从K′起震级频度关系出现明显的非线性现象。根据非线性表现的不同,可将其分为第一型和第二型两类。在AE序列中,也存在着“特征震级”的现象