基于多相流模型和探地雷达正演模拟的LNAPLs探测研究

探地雷达(Ground Penetrating Radar:GPR)不仅可以用于估计土壤含水量,还可以用于探测和监测轻非水相液体(Light Non Aqueous Phase Liquids:LNAPLs)在土壤中的运移.建立接近实际情况的模型是利用GPR正演模拟开展LANPLs迁移和分布研究的关键问题.以往的地球物理模型大都属于概念模型,存在物性突变的界面.而在LNAPLs污染区域的各种物性参数通常是渐变的,大多数情况下并不存在突变的物性界面.因此,为了建立更符合实际的地球物理模型,本文基于多相流渗流理论模拟了LNAPLs在土壤中的泄漏过程,得到了渗漏后不同时刻土壤含水饱和度、含油饱和度的变化分布.然后利用混合介质的介电模型将流体饱和度分布转换为介电常数分布,获得了地球物理模型,显示了因LNAPLs迁移引起的土壤介电常数的细节变化.随后,基于时域有限差分开展了GPR正演模拟.正演模拟结果显示了雷达波对LNAPLs污染区域、潜水面的响应,与实验室实测数据具有很好的一致性.由以上分析、对比可知,本文提出的地球物理建模的方法和流程与污染场地的实际情况更为符合.基于多相流渗流理论建立的地球物理正演模型把地下LNAPLs迁移的水文模型与GPR探测相结合,为复杂的实际场地地球物理建模提供了思路,也为GPR更有效地探测LNAPLs在土壤中的渗流提供了分析和解释手段.     

基于探地雷达回波信号获取污染土壤中污染物含量的研究进展

从探地雷达GPR(Ground Penetrating Radar)在土壤污染探测中的应用、污染土壤介电常数模型的演化和土壤介电常数求取三方面综述了目前国内外学者利用探地雷达技术开展的土壤污染探测研究.研究认为以土壤介电常数为纽带,采用适宜的方法从雷达回波信号求得介电常数,基于合理的土壤介电常数模型,通过神经网络技术,可驯化建立介电常数和污染土壤多个参数之间联系,从而实现污染土壤中多种污染物含量的监测.     

基于介电特性获取污染土壤中污染物含量的研究

从污染土壤复介电常数与污染成分的关系模型、污染土壤复介电常数测量技术两个方面综述了目前国内外学者利用介电特性和电磁波信号开展的土壤污染探测研究.最后指出,基于污染土壤的介电特性获取污染土壤中污染物含量是一项非常有前景的技术,其目的是通过获取土壤复介电常数的变化信息,定性和定量的对污染场地做出评价.     

探地雷达:浅表地球物理科学技术中的重要工具

探地雷达(GPR)是浅表地球物理科学技术中的一项重要手段.其重要性体现在它的应用广泛性和有效性.在工程检测、环境保护、文物考古、灾害救援、反恐安检、资源勘探、水文水利等科学技术领域中探地雷达都在发挥着其他手段无法取代的重要作用.关于探地雷达发展历史、基本系统及原理、信号处理与成像等方面的综述性文章已经很多.本文将重点评述作为浅表地球物理观测技术重要手段的探地雷达在几个基础地学与工程技术领域中的应用.这些方面包括沙漠中高大沙丘的内部结构与形成机理,永久冻土的现状探测与演化预测,民用基础设施(公路、桥梁、大坝、堤防)内部或地基内空洞及软弱带的检测,以及地震灾害现场生命探测与救援.本文还将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).评述将结合观测实例,尤其是在中国大陆的实例.最后将就探地雷达技术现存的问题及发展方向提出个人见解.需要强调的是,尽管本文以探地雷达的科研应用为主题,浅表地球物理科技成果在各个领域的成功应用绝对不可能倚赖任何单一手段或方法.所有成功的实例都证明一定要强调某一方法为主,其他手段为辅,多手段、多方法的有效配合,才有可能最大程度的减小探测结果的非唯一性,提高准确度和精确度.     

不同赋存方式石油污染土实测探地雷达图像特征分析与评价

探地雷达(GPR)主要通过图像方式反映浅地表土壤污染状况,图像异常特征与地层条件、污染物赋存状态、探测参数及背景噪声综合相关.与数值和室内模拟研究时控制条件下所得"理想"剖面不同,实测剖面会受这些因素综合影响,异常特征变得复杂,识别难度增大.本文总结近20年来数十个石油污染土GPR探测实例,以石油污染物不同扩散阶段所呈现的赋存情形进行分类,分析总结相应的GPR探测图像异常,以期找到共性特征,建立污染区GPR异常识别标志.分析结果表明:短期形成的石油污染土常呈现低介电常数和低电导率特征,在包气带内存在时表现为厚度不一、形状不定的高幅异常;在毛细带内存在时表现为潜水面上下分布散落的、相连的斑点状或片状高幅异常;在含水层内存在时则表现为聚集在含水层顶部的反射信号增强的振幅异常区.经历长期生化降解过程的污染土通常呈现高电导率特征,在GPR图像上表现为信号衰减异常.虽然实测剖面异常特征复杂,但在解译时区分污染区扩散阶段和赋存方式将显著提高解译准确度.     

小波理论在探地雷达信号处理中的应用

探地雷达(ground penetrating radar—GPR)系统已成为浅层地下探测的有效手段并在地质勘探、城市建设、水文勘测、环境工程、考古等领域发挥着重要作用．信号处理质量是雷达技术能否成功运用的关键．本文对近年来探地雷达信号处理方面的文献进行了综合,对探地雷达技术中常用的数据处理技术作了阐述,重点分析了小波理论在探雷达信号处理中的应用,最后就小波变换理论在探地雷达中的应用前景提出了一些展望．     

GPR探测中管线异常自动提取与识别

在目前的探地雷达管线探测中,埋藏管线产生的双曲线特征是专业人员用来推断和解释目标的主要依据,但双曲线特征尚不能精准界定管线目标的属性材料.为了进一步对管线反射双曲线区域特征的解释分析,本文首先对经过预处理的GPR数据,运用图像处理手段对感兴趣的管线回波双曲线异常区域进行自动圈定,定位管线位置.然后综合分析管线信号时频谱特征和瞬时相位特征这些具有区分力的多参数特征,判定管线属性材料,完成对管线的提取与识别.最后,将该方法运用于模拟数据与实测数据之中,实现了管线的自动提取与参数特征分类识别,为GPR数据解释提供了指导意义.     

微动探测方法研究进展与展望

微动探测方法是在背景噪声成像理论的基础上发展起来的一种新型地球物理探测手段,其根据获取野外数据的观测台站方式分为微动阵列方法和微动单台方法.本文综述了前人对微动探测方法的研究进展,并对目前该方法存在的问题及研究的发展趋势进行了展望.微动阵列方法采用频率波数法或空间自相关法从微动信号中提取频散曲线,进而反演获得地下横波速度结构.微动单台方法即H/V谱比法以三分量台站为观测基础,对水平分量信号与垂直分量信号进行傅里叶谱比,以此估算沉积层厚度、获得共振频率以及场地放大因子等.目前微动探测发展还有诸多问题需要进行深入研究,例如瑞雷波与勒夫波浅层探测理论方法、同时考虑基阶和高阶面波的影响进行多阶面波反演方法研究以及H/V谱比曲线与频散曲线联合反演方法研究等,从而提高微动探测方法浅层探测精度以满足城市地下空间精细探测的需求,加深探测深度为透明地壳、地下第三空间的精细探测提供一种新型地球物理手段.     

磁共振测深技术的发展历程与新进展

磁共振测深(Magnetic Resonance Sounding,MRS)技术作为目前唯一能够实现地下水直接定量探测的地球物理高新技术已有近30年的历史,最近10年,MRS技术在仪器、正反演理论、信号影响因素、实际应用等方面都取得了一系列进展.死区时间不到10ms的商用型多道磁共振测深仪的推广使用,大幅改善了MRS方法的找水效果和仪器的抗干扰能力;正反演研究的重心已由简单的一维层状假设理论转入更符合实际情况的复杂地质条件下的高分辨率2/3D磁共振成像研究;信号影响因素与机制的研究也更加深入、全面;特别是实际应用方面,正在由单纯的地下水探测向水文地质调查、地下水管理与污染监测、灾害水源的超前探测等多个领域拓展.随着磁共振测深技术的进一步发展与完善,它定将在更多领域更好地造福于人类.     

无线电磁法（WEM）在地球物理勘探中的初步应用

无线电磁法(WEM)是上世纪90年代发展起来的一种新的人工源电磁探测技术,它通过一个固定大功率发射台发射0.1~300 Hz超低频/极低频电磁信号来探测地下地质结构.国内对WEM法的应用已做了大量的理论和实际试验工作,例如,大功率发射台辐射的电磁场计算,不同距离电磁信号发射接收试验,油田深部结构探测试验等.从试验的结果看,WEM法在提高电磁测深数据质量上具有很大的优势.     

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.     

大容量气枪震源的实验与模拟研究

气枪震源是一种新兴、环保、绿色的人工震源,在区域尺度深部探测中有重要的应用前景.本文通过实验模拟研究了用于深部探测的大容量气枪震源,主要工作为:(1)根据陆上气枪实验分析了大容量气枪震源的特征;(2)采用自由气泡振荡理论模拟气枪信号,探讨深部探测中增强气泡效应从而增大气枪低频部分能量的方法;(3)研究气枪容量、工作压力和沉放深度等对单枪信号的影响及枪阵激发时刻和气枪间距对枪阵信号的影响,指导深部探测中气枪震源工作参数的选择;(4)研究不同类型水底对反射透射系数的影响,其结果对于选择合适的场地条件有指导意义.     

浅地表地球物理技术在岩土工程中的应用与挑战

地球物理勘探方法在岩土工程的应用已有很长一段时间,但其成效与工程师的期待往往有不小的落差,以致于在一般的工程应用上仍不普遍.近年来浅地表地球物理技术有显着的进展,特别是在走时速度层析成像(Traveltime Tomography)、电阻率层析成像法(Electrical Resistivity Tomography)及多道瞬态面波法(Multichannel Analysis of Surface Wave).本文首先介绍这些方法在台湾岩土工程的应用,主要包括地层土壤液化潜能评估、坝体的安全检测、土壤与地下水污染调查及地基改良的质量管控等,应用案例以台湾常使用的地球物理勘探方法逐一介绍.虽然许多成功案例与新的应用方向对于浅地表地球物理技术在岩土工程应用的推广起了鼓舞作用,本文从工程师的角度提出地球物理勘探工程大量应用的挑战与瓶颈,包括如何提升探测数据的客观性、数据反演非唯一性问题、探测深度与分辨率的限制、实际条件违背反演基本假设的情况、以及地物性质与工程性质链接的不确定性问题,并进一步针对这些问题说明相关研究的进展与实务对策.希冀透过上述探讨,降低物探师与工程师认知上的差距,提升地球物理勘探在工程的应用的合理性与普及性.     

探地雷达用于隧道超前地质预报中数值模拟研究

隧道地质超前预报在隧道工程施工中有着重要的作用,探地雷达法(GPR)作为隧道地质超前预报方法之一,具有探测对施工干扰小、探测效率高的优点,但在图像解译和探测的深度方面存在不足.本文分析GPRMAX正演模拟的基础理论,并讨论了二维有限差分法(FDTD)基本参数的选取,对隧道前方的不良地质体进行正演数值模拟,得到不同地质体的反射图像特征,并结合工程实例,说明该正演模拟能够指导解译工作.     

基于探地雷达粉煤灰充填复垦土壤含水率反演

为探究通过电磁波属性信息反演复垦土壤含水率的可行性,本文以安徽省淮南市平圩复垦农田土壤为研究对象,使用探地雷达(GPR)系统采集电磁波数据,运用FIR(Finite Impulse Response)滤波、Hilbert变换等信号处理方法,揭示雷达电磁波与含水率的响应机制.结果 表明:探地雷达电磁波振幅属性与含水率之间存在明显响应特征,相比较之,指数回归所构建的振幅包络平均值(Average Envelope Amplitude,AEA)模型对土灰混合体含水率的预测效果最好,决定系数R2达到0.83,均方根误差RMSE为1.48％;而对覆土土壤而言,采用多项式回归所构建的AEA模型对含水率的预测效果更好,R2达到0.9,RMSE为0.83％;AEA法在耕层厚度范围内电磁波振幅属性与含水率响应程度强烈,在此范围外随土层厚度的增加响应程度愈低.表明基于GPR的粉煤灰充填复垦土壤耕层含水率反演方法可行,研究成果可为探地雷达在土地复垦质量评价方面提供技术支撑.     

地下核磁共振小尺寸线圈设计和实验

很多国家在进行隧道挖掘、地下矿体开采时,经常会遇到突水涌泥事故.核磁共振方法(Magnetic Resonance Sounding,MRS)作为目前唯一一种直接找水的地球物理技术,在探测诱发灾害的水体方面具有明显的优势.本文首先给出了多匝分离式线圈的MRS信号响应和核函数的计算公式,分析了线圈的匝数、边长和含水层位置对MRS信号响应的影响.分析表明,在限定空间内,利用多匝分离式线圈的设计方法可以提高小尺寸线圈的探测能力.同时,对高匝数线圈给探测系统带来的不利因素进行了分析和改进.最后,为了验证本研究所采用的方法,利用6 m边长的方形线圈和改进型MRS探测系统在中国温州一处在建隧道内的地下场地进行实地探测,探测结果与瞬变电磁方法结果对比表明,6 m边长的方形线圈可以对地下30 m内的含水层进行有效探测.     

汶川M_S8.0地震前DEMETER卫星探测的离子温度变化分析

2008年5月12日汶川MS8.0地震的发生给我国带来巨大的人民生命财产和经济损失, 这次沉痛的事件再次表明, 地震的预测预报是非常困难的. 同时, 地震的预测预报又具有非常重大的意义. 地震后, 研究人员在研究总结反思现有观测手段(钱复业等, 2009; 余涛等, 2009)的同时, 也开展了近些年国外发展起来的空间观测研究(曾中超等, 2009; 何宇飞等, 2009). 对空间观测手段, 在已公开发表的研究成果中, 大多利用的是2004年法国发射的DEMETER(Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions)地震电磁卫星所探测的电磁场信号进行分析研究, 而对卫星所探测到的电离层离子温度则没有较为详细的讨论. 例如, 曾中超等(2009)对DEMETER地震电磁卫星探测到的电离层电子的温度、 密度以及电场和磁场进行了分析研究, 得到了可能与汶川地震有关的疑似异常; 何宇飞等(2009)利用DEMETER卫星对中国周边多个导航VLF发射站信号的研究, 得到了震中上空区域不同频率对应的信噪比在地震前后发生明显变化的结果.     

小波变换在探地雷达探测地下管线信号处理中的应用

阐述了小波变换的基本理论,给出了小波变换在探地雷达方面的应用实例．认为小波变换时频局域性好,是分析非平稳信号的有效工具之一。实例分析表明,小波方法在城市地下管线探测信号去除噪音分析处理方面具有优异性能。能有效提高探地雷达探测地下管线的精度。     

高频电磁波传播速度在水及淤积砂土中影响因素实验研究

水及淤积土中电磁波传播速度是实现水上探地雷达(GPR)探测数据准确时深转换的关键因素.论文基于探地雷达实测结果分析了水温、盐度、浊度对水中电磁波速的影响和粒径组成、含水量变化对砂土介电常数(电磁波速)的影响,建立了淤积砂土介电常数模型并给出了相应速度计算方法.研究表明水中电磁波速主要受水体盐度影响,随盐度增大而指数减小.淤积砂土介电常数符合Looyenga模型,现场探测时可根据土样三相体积比确定土体介电常数,进而确定土体电磁波速,实现GPR数据时深准确转换.     

一种新颖的探地雷达快速正演模拟及埋地目标探测机器学习方法

探地雷达正演模拟在真实雷达数据解译及全波形反演中扮演着重要的角色,针对传统探地雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)正演模拟计算量巨大、耗时、不利于实时探测等问题,提出一种基于机器学习框架的近实时GPR正演模拟方法.以混凝土中的钢筋探测作为GPR应用场景,混凝土的含水量、钢筋半径及埋地深度作为模型参数,利用时域有限差分数值模拟散射回波信号;运用主成分分析对回波数据进行降维处理得到相应的主成分权值系数,并以此作为机器学习网络的输出;设计了一种基于随机森林的多层循环网络架构和学习策略,不仅充分挖掘学习模型参数和主成分权值系数之间的内在因果关系,也共享主成分间的相互联系,并具有对每个预测主成分完善和修正的功能,以此实现基于机器学习的探地雷达快速正演模拟,与传统机器学习相比,有效提高了正演模拟的精度.在此基础上将两个深度神经网络与随机森林相结合,以回波数据主成分系数为输入,建立了基于机器学习的场景参数预测模型,实现了近实时的埋地目标探测,预测的混凝土含水量最大误差为2%,钢筋埋地深度最大误差为6.7%.