机载探地雷达的进展以及数值模拟

机载探地雷达可能解决危险环境或广域条件下的近地表探测问题,用于解决环境、生态或军事方面的问题.然而由于种种原因,该技术的发展却显得比较慢.为了推进该技术的发展,本文介绍了目前世界范围内机载探地雷达的进展,并利用时间域有限差分法对一些典型模型进行数值模拟,并用特定的偏移成像方法对模拟结果进行成像.目前存在的机载探地雷达主要有三种类型:第一种为将常规探地雷达天线悬挂在直升飞机上,第二种为针对机载探地雷达开发的雷达系统,第三种为具有探地能力的合成孔径雷达.数值模拟结果表明,不管是水平地面的情况下,还是起伏界面的情况下,机载探地雷达都能清楚探测一定深度范围内的地下目标.可见,机载探地雷达是存满希望的一种方法.     

地质雷达有限差分逆时偏移方法研究

地质雷达技术是用于研究水文、环境与气候变化等重大科学问题最有效的地球物理技术之一,并广泛应用于检测道路和建筑内部结构,探测冻土层、沙漠沙丘演化特征,进行地质灾害和考古探测等.具有探测速度快、分辨率高和探测结果直观成像的优势.但由于受到介质横向速度变化,孤立块体的绕射波和倾斜界面复杂反射波的影响等,在雷达探测剖面上经常难以真实地反映地下目标体的空间位置和形态.偏移处理技术可以提高成像的真实性.逆时偏移能有效地利用回转波、多次波成像,使反射波准确归位,绕射波完全收敛,是一种受横向变化影响小,倾斜界面成像精度高的偏移方法.本文推导出基于麦克斯韦方程组TM波方程的有限差分格式、稳定性条件和PML边界条件,并编程实现有限差分零偏移距逆时偏移算法.两层模型和空洞模型的逆时偏移剖面与对应的原速度模型完全相同,有效地验证了有限差分零偏移距逆时偏移算法的准确性.相比于两层模型和空洞模型的Kirchhoff偏移剖面,逆时偏移剖面能更有效地提高垂直界面和空洞底界面的成像分辨率,更真实地反映两层模型和空洞模型的空间形态和内部结构信息.     

探地雷达检测桥梁隐蔽病害方法研究

常规桥梁检测方法无法检测梁板内部裂缝及空心板顶板厚度等空心板桥梁的常见隐蔽病害。本文采用电磁波散射叠加原理,分析了垂直裂缝和倾斜裂缝的电磁波响应特征;研究了商用屏蔽型探地雷达天线普遍采用的平面蝶形偶极子天线的极化特性,平面蝶形偶极子天线激发一个电场主要极化方向与天线长轴方向平行的线性极化波,利用平面蝶形偶极子天线的极化特性使电磁波能量按指定方向传播,压制浅部钢筋等强干扰,增强探地雷达检测深部目标的能力,从而查明空心板内空洞的数量、位置及深度变化情况等。试验检测结果表明,探地雷达能快速、准确的检测桥梁裂缝及空心板顶板厚度。检测结果可以为旧桥维修加固提供更全面的技术数据。     

自适应Chirplet变换及其在探地雷达目标探测中的应用(英文)

探地雷达不仅能够探测金属目标体,而且能够探测非金属目标体,而成为UX0和地雷探测的一种重要的浅部地球物理方法。但是在地雷和UX0探测中,目标体埋藏深度浅,在探地雷达数据信噪比较低情况下,地表和土壤层的反射严重干扰对目标体的拾取。本文采用自适用Chirplet变换来消除地表层和土壤层变化的干扰,并在Radon—Wigner分布的基础上,采用自适用Chirplet变换来拾取目标体的信号。通过对实际探测实验数据应用证明,本方法处理结果比传统的偏移方法具有较高的信噪比,并能清晰地提取目标体信号。     

管线模型的探地雷达物理模拟实验

地下管线是保障城市运行的重要基础设施与生命线,开展管线探测是城市地下工程建设中必不可少的环节.探地雷达正演有助于掌握雷达波在地下的传播规律、加深对管线回波的认识.由于真实的地下介质分布不均匀、测区环境充斥着多种干扰,导致实际的探地雷达剖面中回波信号成分复杂、目标双曲线形态不完整,难以直接进行地质解释,而数值模拟常不考虑杂波干扰,模拟结果相对理想化.因此,本文聚焦于管线模型的物理模拟实验,在室内实验室和野外现场构建了一系列不同材质、不同埋深、不同管径的管线模型,利用不同中心频率的天线开展探测实验;分析了地下管线的雷达波传播规律及特征;结合管线材质、大小和埋深等信息,进一步验证雷达资料解释的准确度.结果表明：在背景介质均匀的沙池实验中,原始雷达剖面中背景噪声较小、目标双曲线形态完整,金属管线的反射波能量最强,含水管线会引起明显的多次波.而在野外现场采集到的雷达数据中存在较多的噪声干扰,不同管线引起的雷达回波呈双曲线或“类双曲线”;与背景介电常数的差异越大,反射波能量越强;相较于深埋管线,浅埋管线的双曲线特征更明显、振幅能量更强.由此可见,不同管线具有不同的双曲线特征、相位和振幅特征,可为地...     

起伏地表地震资料成像方法分析

西部地区地表起伏剧烈,往往伴随着地下构造复杂,给地震偏移处理工作带来了极大的困难,导致后续的解释结果与实际构造存在一定的差异.因此,复杂地区的地震资料成像问题显得尤为重要.文章通过对复杂地表模型的正演模拟以及山区实际地震资料的应用两方面的分析,获得了适合复杂地表的成像方法.结果表明:针对复杂地区,叠加技术成像比偏移技术成像更能真实地反映地下构造形态,是一种提高复杂地区构造成像精度的有效方法;同时,将叠加剖面和偏移剖面两者有机结合,对复杂地表资料进行解释分析,更能体现地下构造的真实形态,为煤矿工作的安全开采提供了有利依据.     

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.     

探地雷达小波域三维波动方程偏移

阐述了矩阵多分辨分析理论中的标准形式与非标准形式,并以Hilbert算子为例,说明了算子多分辨表示的压缩效果,为小波域偏移算法奠定了理论基础.从三维雷达波动方程出发,利用爆炸反射原理和浮动坐标变换,推导出三维探地雷达波动方程差分格式,并通过方程分裂算法及小波多分辨算法,在小波域求解波场外推矩阵,进而得到探地雷达小波域三维波动方程偏移算法,在此基础上,开发了探地雷达小波域偏移处理程序,并把该程序应用于三个球体空洞的3-D正演结果及实际的雷达数据中,通过对比偏移处理前后的雷达资料,得知该三维偏移算法能使3-D正演剖面中的反射波归位、绕射波收敛,极大地提高了雷达剖面的分辨率,有利于探地雷达资料的地质解释.     

高频电磁法检测地下管线周边地质病害体的应用研究

地下管线是城市生存和发展的基础,近年来随着城市地下空间的开发利用,管线周边形成了各种各样的地质病害体.为了有效预防这些病害体对地下管线安全运行的影响,本文在分析高频电磁波传播机理及影响因素基础上,研究了利用探地雷达检测地下管线周边病害体的技术方法.探地雷达工作参数的配置选择、干扰波的有效处理及雷达图像的精准识别是检测地质病害体的关键,重点从这三个方面进行了分析研究.天线中心频率、采样率、测点点距等工作参数最佳优化组合,确保了检测检测目标体的效果;增益调整、频率滤波、点平均等对干扰波的处理,有助于获得高信噪比,可获得高分辨率的雷达图像;根据雷达剖面图上异常波形特征来判断识别脱空、空洞、疏松体和富水体等地下病害体的位置及大小.这些问题的解决可为探地雷达检测病害体提供可靠技术支撑.最后结合工程实例,与其他方法对异常体的对比分析,验证了高频电磁法在检测地下病害体的的可行有效性,也为开展地下管线周边病害体的治理提供了科学依据.     

沙堆内小型管线的探地雷达模型实验研究

地质雷达作为一种新的探测技术,广泛应用于城市管线探测、特别是非金属管道(直径Φ为150～400 mm)探测,取得了良好的效果,但是对小口径管道的探测研究不多.本实验是对埋于中等湿度、均匀介质沙堆内的Φ为40～150 mm的管线不同组合模型,进行900 M、600 M、200 M雷达反射波图像观测,探讨单管、双管、三管的图像特征,研究探地雷达图像的影响因素.研究结果显示:雷达探测的实际分辨率达不到理论分辨率;高频率天线图像精细,适合探测浅小的管线;管道充填水后,多次波明显增强;路面街砖会削弱雷达的管线异常信号,出现类似倾斜岩层等干扰信号;利用多次反射波可求得管径.本实验有助于我们在城市地下管线探测中能够快速准确地识别各类地下异常体的探地雷达图像.     

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...     

In situ 2-D and 3-D measurements of radiation patterns of half-wave dipole GPR antennas

Dipole antennas for ground-penetrating radar (GPR) radiate and receive electromagnetic waves with a strong directional dependence. Thus, experiments to measure in situ antenna radiation as functions of direction and polarization are of practical interest. Three field experiments were performed. One experiment was over a layered fluvial/eolian sequence; the other two used controlled targets (buried pipes and a metal ball). The radiation patterns were sampled by incrementally varying the antenna orientations and separations while recording reflections from the known targets. The results show qualitative, but systematic, correspondence with approximate theoretical far-field radiation patterns. Slow variations of amplitude with antenna azimuth and dip indicate that antenna orientations within 20° in the standard TE and TM acquisition geometries are adequate for most field applications, but not if detailed amplitude analysis is to be performed. Variations in antenna orientation or height (particularly for heights less than one-quarter wavelength) above the free surface introduce corresponding biases or uncertainties into recorded amplitudes. The variance within any suite of measurements is, in part, a consequence of differences in ground impedance at each antenna location. The theoretically predicted sensitivity to antenna height is mediated by surface roughness at high frequencies. It is necessary to include, or compensate for, the antenna radiation pattern in analysis of field data amplitudes, in experiment design, and in selecting appropriate antennas for specific applications.     

Simulation for ground penetrating radar (GPR) study of the subsurface structure of the Moon

Ground penetrating radar (GPR) is currently within the scope of China's Chang-E 3 lunar mission, to study the shallow subsurface of the Moon. In this study, key factors that could affect a lunar GPR performance, such as frequency, range resolution, and antenna directivity, are discussed firstly. Geometrical optics and ray tracing techniques are used to model GPR echoes, considering the transmission, attenuation, reflection, geometrical spreading of radar waves, and the antenna directivity. The influence on A-scope GPR echoes and on the simulated radargrams for the Sinus Iridum region by surface and subsurface roughness, dielectric loss of the lunar regolith, radar frequency and bandwidth, and the distance between the transmit and receive antennas are discussed. Finally, potential scientific return about lunar subsurface properties from GPR echoes is also discussed. Simulation results suggest that subsurface structure from several to hundreds of meters can be studied from GPR echoes at P and VHF bands, and information about dielectric permittivity and thickness of subsurface layers can be estimated from GPR echoes in combination with regolith composition data.     

机载SAR探测图像中归一化雷达截面随入射角变化规律应用

机载SAR对海探测时,探测范围小和时空匹配难等局限使其无法借助风条纹和辅助资料反演海面风矢量.本文在仿真研究CMOD5.N地球物理模型参数的函数关系,实例分析机载SAR探测图像中距离向均值曲线变化规律的基础上,发现相同风向、风速条件下,CMOD5.N模型构建的标准曲线和探测图像的距离向均值曲线遵循统一的归一化雷达截面随入射角变化规律,且两者具有良好的相关性.据此,本文提出将距离向均值曲线与标准曲线逐条匹配,采用相关系数判定两者的相关程度,选择使得相关系数绝对值最大的标准曲线作为最优匹配曲线,进而直接确定风向和风速的海面风矢量反演方法.机载SAR飞行探测实验结果表明,海面风矢量反演结果与浮标观测结果的均方根误差为风向11.3°,风速0.9m·s-1,高于反演精度指标要求,原因在于该方法既避免了机载SAR探测图像中斑点噪声的影响,又不会产生局部最优解,提高了海面风矢量反演精度.     

探地雷达图像的正演合成与偏移处理

本文讨论了射线追踪法实现二维地电断面的探地雷达图像的正演合成问题,其中包括二维地电断面的数字拟合、多层连续界面介质中高频电磁波的反射与透射统一的运动学边界方程;根据Huygen's-Fresnel原理导出了均匀介质中二维管状体模型的衍射雷达波的计算公式;给出了用射线追踪法合成的二维地电模型的探地雷达图像;用衍射波公式合成了二维管状模型的雷达图像,并与物理模拟作了比较.在此基础上,用Kirchhoff积分法对数字模拟与物理模拟记录的雷达图像作了偏移处理,并给出了实例.     

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。      

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.     

地质雷达在乌拉山山前断裂探测中的应用

地质雷达是利用电磁波对地下不同电性介质进行探测的地球物理仪器，其探测速率快、分辨率高，可弥补探槽和其他地球物理方法存在探测盲区的缺陷，正在越来越多地应用于活动断层探测领域。本文以乌拉山山前断裂为例开展地质雷达探测工作，使用无人机正射影像技术对测线进行地形校正，获得断层浅部地质雷达图像。研究结果表明，本文研究方法能有效反映探槽揭露的地层单元和断层分布。本次探测中，雷达波形图像特征为:浅地表的土壤层反射波总体较弱；粗粒沉积为主的砾石层反射波总体较强，同相轴连续性好；细粒沉积为主的砂层反射波弱于砾石层，波形以中、高频为主，同相轴具有弱连续性；对于洪冲积地区，地质雷达能分辨具有一定特征的地层单元，这为剖面图像的断层识别提供了标志；通过无人机正射影像技术对地质雷达测线进行地形校正，有利于获得更为准确的探测结果。     

The retrieval of two-dimensional distribution of the earth''''s surface aerodynamic roughness using SAR image and TM thermal infrared image

The research for the land surface fluxes has madea quiet great progress for its breakthroughs in the fieldof regional or global interactions between land surfaceand atmosphere. However, many remote sensing mod-els for estimating the land surface fluxes need the pa-rameters of surface momentum, heat, resistance ofwater vapor at a referenced height, which are the func-tion of aerodynamic surface roughness zad. It hasbeen validated that the retrieval of the land surfacefluxes is very sensitive to…