隧道检测中基本形状空洞探地雷达图像特征

空洞是隧道检测的重点探测病害之一,为了进一步提高探测空洞的水平,本文针对隧道衬砌中经常出现空洞的基本形状进行研究.以探地雷达理论为基础,运用时域有限差分法,建立隧道衬砌中圆形、矩形和直角三角形空洞的二维模型,进行探地雷达二维正演模拟.利用PVC管制作圆形空洞,利用纸板制作矩形和直角三角形空洞,依次将物理空洞模型分别埋于砂槽中,应用探地雷达进行探测.并在现场探测各种形状的空洞.数值模拟、实验和实测结果表明:探地雷达可以探测到圆形、矩形和直角三角形空洞的存在,分别可以确定圆心的水平位置,矩形的水平分布范围和直角三角形的水平分布范围.该研究对不同形状空洞的图像解释具有指导和参考作用.     

工程结构地下水病害电磁雷达检测技术研究

由于积水病害隐藏在一定厚度的钢筋混凝土层背后,加上积水空洞具体形态的不规则性以及洞内可能充填水分、空气、浆液、土等介质的因素,故其存在相当的复杂性。阐述了采用地质雷达对隧道衬砌质量进行无损检测的原理及方法,并对某隧道进行了健康诊断。通过对现场数据处理分析,可以精确探测衬砌厚度,确定钢筋及格栅钢架的分布位置及数量,查明衬砌背后特别是拱顶存在的空洞和回填不密实区域。同时,应用形态学处理方法对衬砌雷达图像进行特征提取,通过小波处理技术,直观且方便地得到了衬砌边界线和积水区域,发现了衬砌中的异常点。同时,对地质雷达探测结果采用钻孔法进行验证,两者相吻合。实践证明,使用地质雷达对隧道混凝土衬砌结构进行检测是切实可行的。     

HHT在探地雷达检测路基质量中的应用

为探明路基中隐藏病害的类型和空间位置,应用探地雷达方法对公路路基质量进行了无损检测.在地层介质强衰减和噪声干扰作用下,探地雷达信号存在信噪比低、深部复杂目标体难以识别的问题.针对探地雷达路基实测信号非线性和非平稳的特点,采用信号均衡和希尔伯特-黄变换相结合的方法,首先对数据进行均衡处理以突出深层弱信号,在此基础上对单道信号进行经验模态分解以获得固有模态函数,通过希尔伯特变换对固有模态函数的瞬态属性特征进行分析,进而将希尔伯特-黄变换应用于整个探地雷达的数据剖面,最后通过综合对比瞬时振幅剖面和瞬时相位剖面对探测结果进行了分析和解释.结果 表明,信号均衡可以有效缓解深部信号衰减问题,基于希尔伯特.黄变换可以从多属性参数角度对探地雷达信号进行处理与解释,可以较好的识别异常体的位置和属性信息,提高了探地雷达解释结果的可靠性.     

基于深度学习的隧道衬砌结构物探地雷达图像自动识别

传统探地雷达图像识别方法中存在识别准确率不高,复杂目标体识别难度大,识别流程较为繁琐,不能实现端到端识别等问题,不能准确的识别实测数据.本文将深度学习中Faster R-CNN、YOLOv3这两种具有代表性的目标检测算法运用到探地雷达的图像识别当中.选择隧道的衬砌结构作为探测识别研究目标,制作了包含钢拱架、钢筋网、施工缝三类结构物标注的实测数据集.从准确率、召回率、平均准确率,准确率-召回率曲线等评价指标,分析了这两种算法在实测数据集上的表现.并对照典型的识别结果,结合这两种算法的原理说明了其运用到探地雷达图像自动识别上的特点.在测试集上,Faster R-CNN在钢拱架、钢筋网、施工缝三类结构物的识别中分别取得了95.5%、90.5%、96.8%平均准确率,YOLOv3则分别取得了90.0%、16.6%、95.3%平均准确率.实验结果表明两种深度学习目标检测方法在隧道衬砌探地雷达图像的识别上取得了良好的效果,其中Faster R-CNN整体效果更好,但会将多次波误识别为有效信号,YOLOv3较少误识别多次波,但是对钢筋网识别效果不好,两种方法搭配使用会形成优势互补.     

探地雷达多剖面联合解释方法及应用

在城市道路塌陷隐患探测中,相邻车道地下介质差异性较小,其探地雷达剖面之间具有较高的一致性和关联性,为了提高探地雷达资料解释的准确性和速度,综合对比分析相邻车道探地雷达剖面之间的相关性,提出了探地雷达多剖面联合解释方法,首先同时对多个相邻车道探地雷达剖面中的塌陷隐患病害同步进行分类和分级判释,然后将每个病害异常输出为单体病害文件至单体病害文件库,并基于人机交互方式对单向或双向多车道探地雷达剖面中的任意病害类型或病害等级进行综合统计、自动排序,可用于生成严重病害的现场加密复测验证单和最终的检测报告.结果表明:探地雷达多剖面联合解释方法能够同时对多个相邻车道探地雷达剖面同步进行对比分析、相互验证,能有效克服单剖面信息量不足的局限性,不仅可以快速辨别和剔除外界干扰形成的虚假异常,减少多解性,而且可以估算地下病害异常的面积范围和空间展布,有效提高解释的自动化、准确性和可信度,明显加快解释速度.     

高速公路路面厚度探地雷达检测

探讨了探地雷达检测高速公路路面厚度的物理前提,并根据我国公路工程建设的实际情况,建立了高等级公路路面结构地球物理模型.系统地介绍了雷达检测路面厚度的方法原理,并对检测中技术参数的选择,如:采样频率、时窗、检测速度进行了详细的说明.介绍了自制的高速公路路面厚度雷达探测解释系统各个模块,如:数据预处理中的时、空域滤波,偏移等方法,并总结面层与基层的反射波三个重要特征,为辅助计算机自动识别反射波打下基础.应用SIR-3000型探地雷达于益常高速公路路面厚度交工验收检测中,通过55个钻孔抽样对比表明,雷达检测能很好地达到了评价路面厚度的目的,为工程质量评价提供了可靠的科学依据.     

基于变分自动编码器的探地雷达噪声压制及双曲线识别

受仪器设备和环境的影响,使用探地雷达(GPR)进行数据采集的过程中会引入各种不同的噪声,从而干扰目标体反射信号,对数据处理及解释造成困难.由此,本文提出了一种能够同时实现GPR剖面数据噪声压制及双曲线异常识别的变分自动编码器(VAE)神经网络结构.首先,详细阐述了模型结构、数据集建立及网络参数选择;然后,通过合成数据实验验证该算法的有效性及模型的泛化能力,相比于深度卷积自动编码器(CDAE),本文算法在噪声压制能力和双曲线识别能力上均表现更优;最后,通过对隧道衬砌和管线的实测数据进行处理,验证了本文算法的实用性.     

探地雷达正演模拟与引水隧洞实测资料解释

本文从Maxwell方程组出发,给出了探地雷达时域有限差分法波动方程,介绍了UPML边界条件,推导出基于UPML边界条件探地雷达二维正演模拟的FDTD表达式,并编制了正演模拟MATLAB程序.利用该程序对典型地电模型进行正演与分析,明确了钢筋及空洞缺陷在雷达剖面图上的异常表现形式,证明了在钢筋间距为0.2m时,探地雷达能够对钢筋下存在的空洞缺陷进行探测.并把这些结论应用到福建省某水电站引水隧洞衬砌检测的实际资料解释中,有效地解答了实测资料解释中遇到的问题.     

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.     

利用shearlet变换对探月雷达数据进行月壤结构的重建

探月雷达作为嫦娥三号和嫦娥四号月球探测任务中最重要的科学载荷之一,其目标是探测月壤及地下结构信息.然而,嫦娥三号探月雷达的第二通道数据受到横向杂波的干扰,使得有用的反射信息被掩盖.这些杂波可以认为是影响数据质量的横向噪声,使得探月雷达数据信噪比低,影响数据解释.本文将利用shearlet变换对探月雷达数据进行信号分析与噪声去除,并对嫦娥三号着陆区的月壤结构进行重建.首先,在shearlet域中,观察横向噪声的分布,并分离出以噪声为主的shearlet分量,并得到重建后的雷达数据.随后,为充分利用嫦娥三号第二通道两套数据的整体优势,对两套经过shearlet变换去噪后的雷达数据进行融合,得到综合探月雷达图像,有效得去除了水平噪声并增强了来自浅月表的有效信号.最后,根据探月雷达处理结果对嫦娥三号着陆点的月壤结构进行重建,重建结构中的溅射物厚度与撞击坑溅射物经验公式结果得到了相互印证.     

短时单频脉冲震源的海洋浅地层剖面资料频移处理

采用短时单频脉冲震源的浅地层剖面,记录的波形数据空间假频较严重。因其信号具有频率高、频带窄的特征,通常利用Hiibert变换提取瞬时振幅属性（信号包络）供解释使用。但瞬时振幅均为正值,在进行构造解释时不方便使用。本文提出在对浅层剖面资料提取瞬时振幅的基础上,计算瞬时振幅的微分并配合滤波的方法,实现高频窄带浅地层剖面资料的一种频移处理。该方法把高频窄带的多周期信号变为低频带宽的单周期信号,有效扩展了倍频程并消除假频。应用在南海浅地层剖面资料处理中,资料处理后更利于构造解释。     

基于磁异常的边界特征增强方法对比研究

基于磁异常进行场源边界识别(如断裂划分)是磁法勘探解释工作的重要内容.由于受到斜磁化、场源埋深、异常叠加以及噪声等多种因素的影响,基于磁异常直接进行场源的边界识别往往难以准确识别出场源体的边界,所以,人们研究了各种场源边界特征增强的方法技术,以便于进行场源边界的识别工作.近年来,国内外出现了很多新的边界特征增强方法,但有些方法的边界特征增强效果与已有方法相近,有的方法效果有待深化检验,存在验证方法的理论模型过于简单,未全面细致地分析出它们的优缺点等问题.针对上述情况,本文运用多种复杂、贴近实际的理论模型,深入对比分析了包括解析信号模法和倾斜角法等在内的15种具有代表性的边界增强方法,分析了它们在不同磁化方向、不同场源埋深、不同场源形态、异常叠加和噪声干扰等多种因素影响下的边界增强效果,重点归纳总结出它们的优缺点和适用条件,以为实际应用时的方法选择提供参考.通过模型实验,我们认为解析信号模垂向导数法、总水平导数法、解析信号模倾斜角法是在多种因素影响下,适用性较强、应用效果较好的三种方法.     

一种基于频率域偏振分析提高三分量地震资料信噪比的方法

三分量地震资料包含着丰富的运动学和动力学信息,各种随机噪声的存在严重降低了资料的信噪比,给有效信息的提取带来了一定的困难.本文在引入多窗谱分析方法的基础上,通过对谱密度矩阵特征问题的求解提取三分量地震记录的偏振参数,实现频率域偏振分析;根据所求得的偏振参数以及随机噪声和有效信号的偏振特性差异,设计相应的自适应滤波器,通过该滤波器的滤波作用,最终实现压制随机噪声的目的.     

基于分块字典学习理论的地震数据去噪

随着油气勘探观测环境愈发复杂,采集的地震数据常常掺杂各种噪声信号,导致勘探目标引起的有效微弱信号被覆盖,严重影响高精度的地震勘探数据解译,因而有效的压制地震勘探数据噪声显得越发重要。本文采用字典学习策略,将复杂地震数据进行分块,通过分块数据的字典学习获取字典原子,构建高精度的字典学习地震数据稀疏表示,通过两次迭代更新字典原子,进行数据去噪。将本文的字典学习算法应用于含随机噪声的模拟数据和实测地震勘探数据处理,验证该算法的可行性及有效性。结果表明,本文算法有效去除了随机噪声,保留了有效信号同相轴,提高了信噪比,可为复杂含噪地震数据的去噪处理提供新的技术手段。     

基于相关建模检测的磁共振探水同频消噪方法

地面磁共振技术能够对地下水进行直接探测,具有定性定量的优点,是一种新兴的地球物理方法.然而,磁共振信号只有纳伏级,极其微弱,易受环境噪声干扰,尤其是具有拉莫尔频率的噪声,在时频域上均与信号重叠,难以有效去除,导致提取的信号参数准确度低、反演解释误差较大.本文针对同频噪声干扰问题,提出了相关建模检测(CMDT)方法,通过相关方法实现频谱迁移和低通滤波,结合信号和噪声特征建立数学模型,采用模型变换实现同频噪声的抑制,并利用最小二乘指数拟合方法提取高精度SNMR信号.为了对新方法进行定量分析,以验证其效果,对含有不同幅度的同频噪声和磁共振信号进行仿真实验,实验结果表明在信噪比为-31.17 dB的情况下,所有参数的最大提取误差不大于1.22%,验证了新方法能够在压制同频噪声的同时提取出高精度信号参数.为了模拟野外情况,在同频噪声和信号数据中加入随机噪声进行实验,结果表明当信噪比大于-10.12 dB时,CMDT方法仍可以获取有效的信号.因此,本文的研究为处理含有同频噪声干扰的实际SNMR信号数据提供了理论依据,为后期高精度反演提供了技术支撑.     

磁张量梯度数据方向解析信号比值的边界识别和空间位置反演方法

磁张量梯度测量具有高分辨率、多参量的优点,能更准确地描述磁源体的分布特征,在矿产资源勘探中具有广阔的用途.磁异常解析信号具有受倾斜磁化干扰小的特点,且为了增强深部地质体的分辨能力,本文提出磁张量梯度数据的解析信号比值的均衡边界识别及空间位置反演技术.磁张量梯度数据的均衡边界识别方法为不同方向解析信号比值的反正切函数,在降低倾斜磁化干扰的同时能有效地均衡不同深度地质体的响应,提高了对较深地质体的分辨率;空间位置反演技术是建立解析信号比值与地质体位置参数的对应方程,利用解析信号比值与地质体的对应关系作为约束条件来反演获得地质体的水平位置和深度信息,具有无需已知任何先验信息的优势.通过磁性体张量异常试验表明解析信号比值的边界识别方法能清晰和准确地获得不同深度地质体的边界,所建立的反演方程能准确地计算出地质体的范围和深度,具有较高的水平分辨率和精度.将本文方法应用于实测磁张量梯度数据的解释,获得了地下铁矿的分布特征,为区域矿产资源潜力评价提供了翔实的基础资料.     

压缩小波变换和非线性阈值技术压制磁共振尖峰噪声方法研究

地面磁共振是一种新的地球物理探测方法,能够通过探测地下水中氢质子丰度获取地下水含量、孔隙度等水文地质信息.然而,磁共振信号甚为微弱,仅达到纳伏级(10~(-9)V),极易受到噪声干扰.其中,尖峰噪声对磁共振信号影响最为严重,亟待研究有效的噪声抑制方法.小波多尺度分解硬阈值是近两年国际磁共振领域专家提出的尖峰噪声有效消除方法,但硬阈值算法设定阈值的固有缺陷会引发信号震荡,出现伪吉布斯效应,导致信号损失.基于此,本文提出压缩小波变换(Synchrosqueezing Wavelet Transform,SWT)和非线性國值处理(Nonlinear Thresholding,NT)算法联合消除磁共振信号尖峰噪声干扰.首先选择Morlet小波作为基小波,使得信号与噪声数据具有更高的时频集中性,利于尖峰噪声消除.其次,基于压缩小波系数进行非线性处理,可以弥补利用硬阈值和软阈值进行噪声消除时所引起的信号损失.仿真数据和实际数据结果表明,SWT联合NT方法可以利用单次采集数据有效消除尖峰噪声干扰并还原信号.本文提出的消噪方法将为磁共振数据后续反演解释,如多指数弛豫反演,奠定坚实的基础.     

基于交错网格有限差分法的断面波叠前时间偏移成像影响因素正演分析

断层和断裂带的有效识别是地震资料解释中的重要环节,断层在地震信号响应中以断面波的形式体现,因此断面波成像的质量关系到断层的精细识别与刻画.本文利用精度较高的交错网格有限差分正演模拟方法对断面波成像的影响因素进行了正演研究,主要正演分析的参数包括采集因素中的电缆长度和采集方向,地质因素中的断层倾角、断距、反射系数,以及处理因素中的偏移方法等几个方面.通过正演论证得出：采用合理的采集参数能够提高断面波的照明度;有效结合地质因素能够提高断面波的解释精度;利用合理的偏移方法能够使断层归位更加准确,断面波有效成像.基于以上结论,对于断面波的精确识别与刻画,应综合采集因素,处理因素及地质因素,只有这样才能提高断层的解释精度,有效减小解释误差.     

地震信号的复地震道分析及应用

复地震道分析又称三瞬分析,该分析方法可将反映地震信号局部变化情况的地震波的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率等信息分离开.本文应用Hilbert变换求解虚地震记录,用复地震道分析方法求取"三瞬"信息,并用该方法计算了理论合成地震记录的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率,获得了较好的效果.同时,本文也利用该方法对某区块实际地震资料进行了处理,结果表明,复地震道分析方法获得的"三瞬"信息可反映地震信号的局部变化,有助于进行地震薄互层分析,并能提高数据的解释精度.     

Properties of an improved Gabor wavelet transform and its applications to seismic signal processing and interpretation

This paper presents an analytical study of the complete transform of improved Gabor wavelets (IGWs), and discusses its application to the processing and interpretation of seismic signals. The complete Gabor wavelet transform has the following properties. First, unlike the conventional transform, the improved Gabor wavelet transform (IGWT) maps time domain signals to the time-frequency domain instead of the time-scale domain. Second, the IGW’s dominant frequency is fixed, so the transform can perform signal frequency division, where the dominant frequency components of the extracted sub-band signal carry essentially the same information as the corresponding components of the original signal, and the subband signal bandwidth can be regulated effectively by the transform’s resolution factor. Third, a time-frequency filter consisting of an IGWT and its inverse transform can accurately locate target areas in the time-frequency field and perform filtering in a given time-frequency range. The complete IGW transform’s properties are investigated using simulation experiments and test cases, showing positive results for seismic signal processing and interpretation, such as enhancing seismic signal resolution, permitting signal frequency division, and allowing small faults to be identified.