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.     

基于探地雷达的混凝土无损检测反演成像方法

本文针对水利水电工程中的混凝土构件无损探测问题,提出了一种新的反演成像方法.传统方法主要依赖人工经验观察偏移探测数据,精度无法保证.这种方法以Maxwell方程的TM问题为数学模型,在混凝土的表面放置发射源与接收器,根据探地雷达的接收数据,采用同伦优化方法结合收敛速度较快的阻尼高斯牛顿方法作为反演算法,其成像结果更具定量化和可视性.该成像方法克服了传统雷达剖面图只能近似地反映混凝土中埋藏物及缺陷的深度、大小等缺点,不仅能够探测混凝土内部异物的位置,而且能够比较准确地确定异物的大小及属性.通过计算机模拟以及对实际资料的处理,验证了该反演成像结果直观、可靠、具有一定的应用价值.     

基于GprMax正演模拟的探地雷达根系探测敏感因素分析

应用探地雷达对植物根系进行探测的有效性已得到证实.但由于根系结构复杂,根围环境异质性强,针对基于探地雷达得到的根系探测数据的解读尚处于经验积累阶段.本研究首先通过对比根系探地雷达实测信号图像和模拟信号图像,证实了利用GprMax模拟探地雷达探测植物根系的有效性.其次通过定义不同根系空间结构和电性参数场景,模拟了不同条件下根目标反射信号的差异,并对影响探地雷达探测植物根系有效性的敏感因素进行了初步分析.模拟结果有助于探地雷达野外根系探测图谱的解译,为探地雷达在植物根系探测中的应用积累经验.     

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.     

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.     

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.     

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.     

探地雷达方法测量近地表含水量模拟研究

为了充分地验证探地雷达方法用于探测近地表含水量的有效性和可靠程度,着重分析了探地雷达反射波法用于测量含水量的相关理论和技术特点,设计了适用于高频雷达信号的速度分析算法,建立了用于分析该问题的局部含水层模型.利用FDTD方法模拟分析了局部含水层的探地雷达响应,应用速度分析理论及Topp模型,反演得到了研究区域的含水量结果.     

防步兵地雷地球物理探测技术国内外研究动态

战后遗留的数百万颗地雷在许多国家带来了严重的人道主义问题.其中防布兵地雷因为其体积小金属含量低,一旦被埋在地下将很难被发现,所以目前迫切需要研究和发展新颖的探测技术来消除目前国际社会十分关注的探雷问题.而高敏感度、高可靠度和低花费是对探测技术的基本要求.当前正在使用和发展的探测技术包括地球物理探测技术和非地球物理探测技术两大类.地球物理探测技术中,正在使用和有发展前景的探测技术主要包括:低频电磁感应、红外成像、核四极矩共振和探地雷达等技术.本文将主要介绍以上几种探测技术的原理、现状,并总结它们各自的优缺点.研究表明将几种探测技术有机地结合于一体的复合探雷器是解决地雷探测问题的一个不错的选择和当前发展的一个趋势.     

探地雷达时域多分辨法(MRTD)三维正演模拟

应用小波伽略金方法,对Maxwell方程进行离散化,导出了DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式、数值稳定性条件.在此基础上,开发了探地雷达MRTD(multi-resolution time domain)法正演模拟程序,该程序极大地提高了运算速度,改善了三维探地雷达正演方法,并利用该自制程序,对三角形金属体模型进行了正演模拟,得到了其相应的正演合成三维剖视图及切片图,通过对这些模拟结果进行分析,可以加深对三维雷达反射特征的认识,提高探地雷达探测的可靠性、准确度,同时也说明时域多分辨率法在探地雷达三维正演模拟中的有效性.     

Snow Mass Quantification and Avalanche Victim Search by Ground Penetrating Radar

Ground penetrating radar (GPR) systems can be used in many applications of snow and ice research. The information from the GPR is used to identify and interpret layers, objects and different structures in the snow. A commercially available GPR system was further developed to work in the rough environment of snow and ice. The applied GPR is a 900 MHz system that easily reaches snow depths of up to 10 meters. The system was calibrated in the course of several manual snow depth measurements during each survey. The depth resolution depends on the snow type and is around ±0.1 m. The GPR system is carried alongside a line of interest and is triggered by an odometer wheel at regular adjustable steps. All equipment is mounted in a sledge and is pulled by a snowmobile over the snow surface. This setup allows for an efficient coverage of several kilometers of terrain profiles. The radar profiles give a real time two-dimensional impression of structures and objects and the interface between snow and the underlying ground. The actual radar profile is shown on a screen on the sledge allowing the immediate marking of objects and structures. During the past three years the instrument was successfully used for the study of snow distributions, for the detection of glacier crevasses under the snow cover, and for the search of avalanche victims in avalanche debris. The results show the capability of the instrument to detect persons and objects in the snow cover. In the future, this device may be a new tool for avalanche rescue operations. Today, the size and weight of the system prevents the accessing of very steep slopes and areas not accessible to snowmobiles. Further developments will decrease the size of the system and make it a valuable tool to quantify snow masses in avalanche release zones and run-out areas.     

核电站防波堤探地雷达检测的适用性研究

在分析核电站防波堤常见安全隐患及其产生机理的基础上,采用目前较为先进的探地雷达检测技术,对实际的堤防进行模拟检测,探究探地雷达检测防波堤的适用性和准确性.分析表明,探地雷达作为一种无损检测方法对防波堤的检测是可行的,且检测准确度满足实际工程的要求,可以用于核电站海堤的日常安全检测和维修加固后的成果检验.     

探地雷达检测公路结构层隐含裂缝实用方法研究

本文在简要介绍探地雷达基本原理的基础上,详细介绍了作者最近完成的“多层均匀层状介质中的垂直裂缝对雷达波场响应的数值模拟和物理模拟实验研究”成果,通过与实际的公路工程检测结果对比,三者表现出很好的一致性. 研究结果表明,采用探地雷达检测公路结构层中的隐含裂缝,理论条件是充分的,实践上是可行的,检测方法本身实用性较大,检测结果直观、可靠.     

地质雷达在公路滑坡加固治理中的应用

地质雷达能快速、准确地探测地下潜在的地质缺陷体的空间位置、形状大小及电性质等其他一些地质参数,可以为滑坡的加固设计、施工提供可靠的资料,简述了地质雷达的勘探原理和方法,并以实例说明了地质雷达在滑坡治理中的应用方法及效果。     

Analysis of the karst aquifer structure of the Lamalou area (Hérault, France) with ground penetrating radar

The study site at Lamalou karst spring (Hortus karst plateau) is situated 40 km north of Montpellier in France. It consists of a limestone plateau, drained by a karst conduit discharging as a spring. This conduit extends for a few dozen meters in fractured and karstified limestone rocks, 15 to 70 m below the surface. The conduit is accessible from the surface. The main goal of this study is to analyze the surface part of the karst and to highlight the karstic features and among them the conduit, and to test the performances of ground penetrating radar (GPR) in a karstic environment. This method thus appears particularly well adapted to the analysis of the near-surface (<30 m in depth) structure of a karst, especially when clayey coating or soil that absorbs and attenuates the radar is rare and discontinuous. A GPR pulseEKKO 100 (Sensors and Software) was used on the site with a 50-MHz antenna frequency. The results highlight structures characterizing the karstic environment: the epikarst, bedding planes, fractured and karstified zones, compact and massive rock and karrens, a typical karst landform. One of the sections revealed in detail the main conduit located at a depth of 20 m, and made it possible to determine its geometry. This site offers possibilities of validation of the GPR data by giving direct access to the karstic conduits and through two cored boreholes. These direct observations confirm the interpretation of all the GPR sections.     

The use of GPR for characterizing underground weathered profiles in the sub-humid tropics

Ground penetrating radar (GPR) has been used as a tool to access information about ground subsurface features. Such information is very important for different types of studies, varying from those related to archeological research to those studying geological elements of bedrock. More recently, however, GPR has been increasingly applied to environmental studies, especially for soil research. This paper presents the results of an application of GPR for the study of weathered profiles. GPR was used to discover the degree of trustworthiness of the information on the ground subsurface through the interpretation of the results of the radar sections as well as the data collected from boreholes, which reached until 21 m. The results show a relatively high degree of details obtained by GPR, indicating the possibility of speeding up ground subsurface surveys related to geomorphological, geological, and pedological studies.     

三维探地雷达技术在道路塌陷空洞探测中的应用

道路塌陷空洞一直是威胁交通安全运行的重要隐患,对道路塌陷空洞的探测方法进行研究具有重大的现实意义。研究工作通过实例探讨三维探地雷达（GPR）对道路塌陷区进行探测的方法技术及其应用效果。为查明道路塌陷空洞的空间分布特征,在塌陷区布设了共23条测线,1.0 m×0.5 m的三维测网并进行数据采集;通过对雷达数据进行处理,获得不同测线、不同方向的三维雷达剖面。结合地质情况对上述图件进行综合分析与解释,准确地查明塌陷空洞的位置、埋深及发育程度;经开挖验证,解译结果可靠。工程实践表明,三维探地雷达技术可以快速、高效地应用于道路塌陷探测中,其探测结果可为塌陷区后续施工以及安全防治提供参考。      

探地雷达应用概述

以ASTM标准规范为基础对探地雷达（Ground Penetrating Radar 以下简称GPR）的地下探测方法的应用做了比较系统的概述,主要内容包括：部分专业术语的解释;测试过程中雷达探测深度及其中心频率、垂直分辨率、水平分辨率等的关系,测试过程中常见的天线移动方式,以及雷达波速的预测几种方法,数据显示方式;雷达数据解释和数据处理的一般过程及方法.目前我国尚没有关于GPR的国家规范或行业标准,文章对GPR的使用及规范的编制具有一定的参考意义.