高铁隧道GPR技术研究与应用

应用基于时间域有限差分法模拟软件GPRMax2D,对高铁隧道衬砌典型的不良情况,如厚度不足、空洞和钢筋布置不合理等进行了正演模拟,得到了隧道衬砌典型不良情况的正演模拟雷达图像。结合某高铁隧道工程实际检测得到的雷达图像,对两者图像作了对比分析,总结得到了隧道衬砌不良情况雷达图像的特征规律,完善了探地雷达图像资料特征解释库,提高了识别高铁隧道衬砌典型不良情况雷达图像的可信度,为高速铁路隧道的无损检测提供了有效的依据。     

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。     

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。     

探地雷达信号的高阶时间域有限差分模拟

探地雷达信号时域有限差分法模拟,多采用二阶精度的中心差分法近似（FDTD（2．2））,虽然计算简单,但数值色散误差较大,影响了模拟精度。在解决较复杂介质分布的探地雷达信号时,不能很好地反映信号的精细变化。而高阶时域有限差分模拟能减少数值色散带来的误差,提高了模拟的精度。采用各向异性完全匹配层（UPML）作为吸收边界条件,实现了高阶计算,有效地吸收边界电磁波反射,而且提高了计算效率。通过模拟的结果分析可知,高阶时域有限差分法能很好地提高模拟精度。     

基于FDTD数值技术分析反向障碍物对探地雷达采集数据的影响

为了分析与雷达探测方向相反方向的障碍物对雷达采集数据的影响,以探地雷达理论为基础,运用时域有限差分法（FDTD）,建立相应的地质模型,进行探地雷达二维正演模拟。结合工程实例,对福建某隧道的雷达探测数据进行分析研究。研究结果表明,在使用探地雷达进行目标体探测时电磁波并非仅向探测方向发射和传播,在天线的四周都会有电磁波发射出来,而非探测方向上的电磁波将会对雷达采集的数据产生一定的影响,干扰数据解释人员解译的准确性。因此在使用探地雷达和解译雷达数据时,要了解现场环境和剔除干扰波,做到对探测目标体的正确判断。     

与频率有关的电介质探地雷达（GPR）数据的有限差分模拟

在雷达频带范围内电磁波传播的实际模拟需要完全解Ｍａｘｗｅｌｌ方程以及介质特性的完整描述。我们提出了一种求解Ｍａｘｗｅｌｌ方程的２－Ｄ有限差分方法,它能够模拟通常情况下与频率有关的电介质的衰减与扩散。与粘滞声波情况非常相似,通过假设一个电介质松弛函数可以获得主导方程。在模型周围加上高导边框后实现了吸收边界条件。这种“扩散边界条件”被证明比通常使用的旁轴近似吸收边界条件更优越,即使是非常薄的导电体（≤     

山岭隧道空洞病害雷达探测图像影响因素的正演模拟研究

在目前的山岭隧道中往往存在空洞与脱空、裂缝、渗漏水等病害,普通病害检测方法常常会对隧道造成损伤,而且不能大范围快速检测,而探地雷达就能很好地解决以上问题,进行快速的无损检测。为提高探测效率和对图像准确解释,正演模拟是必须的。基于时域有限差分法(FDTD),利用模拟软件GprMax,作者做了山岭隧道空洞病害的雷达图像的正演模拟,模拟结果和实际模型比较吻合,进一步研究比较一系列影响雷达图像的因素,得出相关结论,为复杂探地雷达图像的识别提供了依据和经验,为建立此类图像识别的数据库打下了基础。     

发射脉冲波形对探地雷达响应的影响

电性参数、系统参数以及处理方法,对探地雷达的探测深度、分辨率以及精度有重要的影响。这里主要讨论发射脉冲波形对探地雷达响应的影响,即首先产生汉宁、高斯、柯西和泊松四种窗函数所对应的发射脉冲波形,然后通过二维时域有限差分正演模拟方法分别获得上述激发波形在钢筋模型和薄层模型的响应,最后在分析响应结果的基础上,总结出不同激发波形对横向和纵向分辨率的影响。从正演模拟结果可以发现,在同一地电模型和相同的发射天线中心频率情况下,发射脉冲波形的宽度越小,其探测分辨率越高,探测深度越浅;柯西脉冲波具有较好的横向分辨率,而高斯脉冲波在横向和纵向上都具有较好的分辨率。所获得的结论对于不同地电模型的正演模拟以及探地雷达数据的解释,具有一定的指导作用。     

探地雷达技术在探测边坡破碎带中的应用

探地雷达是利用高频电磁脉冲的反射对地下目的体及地质现象进行探测的一种高效浅层勘探方法，随着电子技术和计算机技术的不断发展，该技术的应用领域不断扩大。本文从探地雷达的基本原理出发，结合在浙江省金丽温高速公路某段边坡探测的应用实例，详细分析了破碎带的雷达图像特征。通过理论与实践的相互结合，证实利用探地雷达进行边坡破碎带探测是科学可行的，拓宽了该技术在岩土工程勘察中的应用，进一步表明该技术具有较强的推广潜力。     

基于GprMax的道路空洞三维探地雷达正演数值模拟

探地雷达(GPR)方法具有高效、高分辨率、无损探测等优势,广泛应用在城市道路病害体探测中。三维探地雷达是近年来发展起来的新技术,通过三维阵列天线进行三维数据采集,对道路病害体具有更高的空间分辨率和测量精度。本文利用基于三维时域有限差分方法原理的GprMax 3D软件,针对以空洞为代表的典型道路病害体,开展充气型和充水型空洞三维探地雷达正演模拟工作,获得两种不同填充类型空洞的三维雷达数据体,对数据体不同方向的图像特征进行分析,并结合工程实例,验证了正演模拟结果的可靠性。该研究对三维探地雷达实测图像解译和提高检测结果判定的可靠性具有重要的指导意义。     

矿井地质雷达超前探测正演模拟

用时间域有限差分(FDTD)法建立矿井地质雷达的模型。采用理想频散关系和超吸收边界条件,对几个典型矿井地电模型进行了正演模拟,研究了矿井地质雷达超前探测的剖面特征。巷道对各道直达波能量分布及波列形状有明显影响;煤岩分界面主要影响反射波能量分布。      

基于Hilbert-Huang变换的探地雷达信号增强及复信号分析

阐述了Hilbert-Huang变换原理,着重讨论了EMD分解应满足的条件及具体分解过程.以黑麋峰抽水蓄能电站进厂交通隧洞实测GPR剖面为例,应用EMD分解去除部分噪声,再利用Hilbert变换求取GPR剖面复信号,提取瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率3个参数,绘制出相互独立的瞬时参数剖面图,根据不同地质状况进行多参数综合解释.结果表明,该方法避免了使用单一时距剖面分析所造成的解释偏差,能够更好地对异常信息做出反映,提高了GPR数据的解析精度.     

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。     

连续小波变换在探地雷达信号分析中的应用研究

广泛应用于工程勘探的探地雷达,由于其发射的高频电磁波在介质中迅速衰减、受环境噪声大等因素影响,探测剖面难以对相对较深的异常体有较好的响应.复信号分析提取三瞬参数可多角度分析信号,并能突出弱反射信息,但易受噪声干扰,且常规的滤波方法不能有效地去除这一干扰.将具有时～频双重局限性的小波变换引入到复信号分析中,解决了复信号分析易受噪声干扰的问题,恢复了其对异常提取的能力.将此算法用于实际雷达探测数据处理中,取得了良好的应用效果.     

基于MATLAB小波分析的软地基加固探地雷达检测处理方法

从小波分解出发，利用多尺度分解对探地雷达波进行分析，并基于MATLAB的小波分析对深圳市公安局某工地强夯土石墩地基的检测结果进行处理，提出了具体的处理方法。     

基于BOTDR技术的导水裂隙带高度现场光纤监测试验研究

为掌握大采深、厚煤层开采条件下导水裂隙带高度的动态发育规律,以荫营煤矿150313工作面为工程背景,基于BOTDR技术对该生产条件下光纤布设、钻孔优化、临安措施等进行了较深入地研究,并开展了基于BOTDR技术的井下现场实测。结果表明：（1）光纤应变在强度较低的岩层中呈峰值分布,在强度较高的岩层中呈平台分布;（2）光纤应变在单个岩层内初始呈现较低的平台分布,中期平台快速抬升和最终稳定平台的三阶段现象;（3）导水裂隙带高度初期随工作面回采表现为非线性地逐渐增大,最后趋于稳定。现场测试结果基本符合理论计算数值和室内模型试验结果,表明本文提出的BOTDR光纤应变测试方法是有效和可行的,对于推广普及导水裂隙带的光纤监测具有一定的实践意义。     

差分GPS实现探地雷达图像地形校正方法研究

针对在地形起伏较大的区域探地雷达获取的图像不能表达地形变化的缺点,通过探地雷达与差分GPS同步采集记录数据,实现探地雷达图像与GPS数据时间同步,选择某一标准水准面为参考面,根据时间位移和线性插值方法,将探地雷达数据进行时深转换,从而实现探地雷达地形校正。探地雷达图像地形校正前后对比表明此方法在保留地下介质体水平方向分布特征的同时,实现了探地雷达图像在垂直方向的精确校正,对地下目标的解译和精确定位有很大的帮助,对浅层活动断层探测具有一定的实际意义。      

基于鲜水河断裂带特征地震的地震动预测研究

鲜水河断裂带是中国西南地区一条活动强烈的大型左旋走滑断裂带,具有规模大、活动性强、地震频度高、潜在次生地震地质灾害严重等特点,其地震活动具有特征地震的典型特征,且活断层分段特征明显。本文建立活断层分段上的特征地震模型进行未来地震动预测研究,依据各分段的特征震级、特征破裂断面的几何尺寸、应力降和地震矩等重要震源参数,建立各分段上的随机有限断层震源模型,合成得到各分段观测点的地震动时程与峰值,最终得到整个断裂带的特征地震下的地震动场预测图。研究成果对中国的防震减灾工作具有重要的意义,技术方法可作为中国地震区划技术发展的有益探索。     

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。