地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理與方法研究

前言

　　地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是一種快速、連續(xù)、非接觸電磁波探測(cè)技術(shù)，它具有采集速度快、分辨率高的特點(diǎn)。自1970年美國(guó)生產(chǎn)出第一臺(tái)商用地質(zhì)雷達(dá)后，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究單位或公司便根據(jù)各自的研究目標(biāo)，開展了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用研究。1995年我從美國(guó)回國(guó)后，便想將地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造和異常體的探測(cè)，但因以前的地質(zhì)雷達(dá)裝備主要是為地面探測(cè)環(huán)境設(shè)計(jì)，設(shè)備不防爆，天線內(nèi)部的信號(hào)振蕩干擾大，深部反射弱，天線非屏蔽或屏蔽性差，因此不適合礦井使用。針對(duì)上述問題和煤炭工業(yè)安全生產(chǎn)的迫切需求，我們決定開發(fā)一套具有我國(guó)全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、主要用于礦井地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的便攜式地質(zhì)雷達(dá)?！　〖夹g(shù)和裝備開發(fā)的道路是艱辛的，其中最主要的困難是在我的研究小組中，熟悉地質(zhì)雷達(dá)裝備與技術(shù)的人手不夠。我向中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院寧書年教授求援，得到他的大力支持與合作。我們經(jīng)常在一起討論，并到國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位調(diào)研。寧書年教授還介紹自己的助手、青年教師楊峰同志加入到我的課題組。但是，由于我和寧書年教授除合作之外，還有各自的研究項(xiàng)目，在項(xiàng)目研究的前期，有時(shí)經(jīng)常碰不到一起，影響到研究項(xiàng)目的進(jìn)度。我又向?qū)帟杲淌谔岢稣?qǐng)求，希望楊峰同志作為我課題組的博士生，由我和他共同指導(dǎo)，由我全權(quán)調(diào)配，努力將楊峰同志培養(yǎng)成一位在技術(shù)上過硬的專家，這又得到寧教授的無(wú)私支持。從1995年至今的15年間，我們都如約去做。2006年，寧書年教授因腦溢血去世。今天，本書出版之際，楊峰同志為主撰寫人，我寫下這段話，是表達(dá)我對(duì)寧書年教授的懷念和感謝之意!　　楊峰同志跟隨我開展地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的開發(fā)工作15年了，在長(zhǎng)期的合作過程中，他表現(xiàn)出科技人員優(yōu)秀的品質(zhì)和忘我的敬業(yè)精神。1999年，他成為我的在職博士生后，將我在地質(zhì)雷達(dá)研究中的日常管理工作全部承擔(dān)了下來(lái)。我在科研中是嚴(yán)格的，有時(shí)批評(píng)起來(lái)經(jīng)常不顧情面，他本人有時(shí)不但要忍受委屈，還要幫我協(xié)調(diào)人際關(guān)系，很是不易。跟我一起工作，是沒有休息日的，有時(shí)還經(jīng)常通宵加班，這對(duì)一位有自己家庭的青年教師來(lái)說(shuō)，實(shí)屬不易。在開展地質(zhì)雷達(dá)開發(fā)的過程中，我們解剖了國(guó)際上主流探地雷達(dá)裝備的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特征，向上百個(gè)研發(fā)單位和技術(shù)人員請(qǐng)教，制定出我們的研發(fā)目標(biāo)，并根據(jù)需求和技術(shù)進(jìn)步不斷調(diào)整和修改我們的研究計(jì)劃。為了研究工作的正常進(jìn)行，楊峰同志多次推遲自己的博士畢業(yè)時(shí)間。我們課題組能在15年內(nèi)從毫無(wú)基礎(chǔ)開始，形成了四種型號(hào)并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，獲得了多項(xiàng)發(fā)明專利和軟件版權(quán)，是課題組科技人員共同努力的結(jié)果，這也與楊峰同志的默默努力分不開的。楊峰同志在課題研究中表現(xiàn)出的敬業(yè)精神，也是值得我學(xué)習(xí)的。

內(nèi)容概要

本書詳細(xì)論述了有關(guān)地質(zhì)雷達(dá)的基本理論、數(shù)據(jù)處理方法、資料解釋方法和典型應(yīng)用。本書共分7章，主要內(nèi)容包括電磁波在巖土介質(zhì)中的傳播規(guī)律、地質(zhì)雷達(dá)儀器基本原理及設(shè)計(jì)、地質(zhì)雷達(dá)常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)雷達(dá)資料處理、地質(zhì)雷達(dá)資料解釋和地質(zhì)雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用。本書的取材大多來(lái)自科研和工程實(shí)踐，注重理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，其技術(shù)方法主要針對(duì)現(xiàn)實(shí)需要解決的問題展開討論。在內(nèi)容安排上，注重理論的系統(tǒng)性，盡可能在理論探討上深入淺出，在應(yīng)用上兼顧各類工程實(shí)際?！　”緯勺鳛楦叩仍盒ｋ娮有畔?、信息與計(jì)算科學(xué)、應(yīng)用地球物理等專業(yè)研究生教材，也可供雷達(dá)系統(tǒng)、礦業(yè)工程、隧道工程、道路工程、市政工程等領(lǐng)域的科研和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言 第1章 導(dǎo)論 　1.1 地質(zhì)雷達(dá)特點(diǎn) 　1.2 地質(zhì)雷達(dá)發(fā)展歷史 　1.3 地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用 　1.4 本書的內(nèi)容安排 　參考文獻(xiàn) 第2章 巖土介質(zhì)電磁波傳播原理 　2.1 巖土介質(zhì)的主要電性參數(shù)(電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率與介電常數(shù)) 　2.2 巖土主要介質(zhì)的電磁性質(zhì) 　2.3 電磁場(chǎng)基本理論 　2.4 電磁波在巖土介質(zhì)中的傳播 　2.5 結(jié)構(gòu)介質(zhì)中電磁波的反射與折射 　2.6 導(dǎo)體中的電磁波及表面的反射特征 　2.7 介質(zhì)的電磁性質(zhì)及高頻雷達(dá)波在分層有耗介質(zhì)中的傳播機(jī)制 　參考文獻(xiàn) 第3章 地質(zhì)雷達(dá)采集系統(tǒng) 　3.1 地質(zhì)雷達(dá)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　3.2 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集基本原理 　3.3 地質(zhì)雷達(dá)控制單元系統(tǒng) 　3.4 接收及發(fā)射子系統(tǒng) 　參考文獻(xiàn) 第4章 常用地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 　4.1 地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備 　4.2 常用地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 　參考文獻(xiàn) 第5章 地質(zhì)雷達(dá)資料處理 　5.1 資料處理理論基礎(chǔ) 　5.2 一維數(shù)字濾波處理 　5.3 頻譜補(bǔ)償處理 　5.4 二維濾波處理 　5.5 希爾伯特變換(瞬時(shí)變換) 　5.6 反卷積運(yùn)算 　5.7 小波變換 　5.8 水平預(yù)測(cè)濾波 　5.9 子波相干加強(qiáng) 　5.10 背景消除 　5.11 道間平衡加強(qiáng) 　5.12 自動(dòng)增益 　參考文獻(xiàn) 第6章 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋 　6.1 地下介質(zhì)速度計(jì)算 　6.2 層位厚度識(shí)別解釋 　6.3 公路路面厚度評(píng)測(cè)解釋 　6.4 病害異常拾取解釋 　6.5 鐵路路基病害CAD成圖解釋 　6.6 三維解釋 　6.7 譜分析解釋 　參考文獻(xiàn) 第7章 地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用 　7.1 煤礦應(yīng)用 　7.2 城市管線探測(cè) 　7.3 公路鐵路隧道檢測(cè) 　7.4 隧道超前預(yù)報(bào) 　7.5 地質(zhì)勘察 　7.6 鐵路公路路基檢測(cè) 　7.7 其他應(yīng)用 　參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　近幾年隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)新的雷達(dá)信號(hào)處理方法：利用小波變換的調(diào)焦功能和頻域一時(shí)域雙重局部性來(lái)壓制噪聲；將小波和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)去噪目的；根據(jù)雷達(dá)有效信號(hào)和干擾信號(hào)在視速度上的差異，在頻率一波數(shù)域上進(jìn)行二維濾波達(dá)到去噪目的；通過分形技術(shù)、Hilbert變換等方法提取雷達(dá)波的有效信息，從而提高信號(hào)分辨率；利用水平預(yù)測(cè)技術(shù)壓制雷達(dá)水平噪聲的干擾；利用雷達(dá)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征來(lái)達(dá)到去噪目的等。　　地質(zhì)雷達(dá)模型研究主要包括正演模型和反演模型。在數(shù)值模擬正演技術(shù)方面，眾多的研究成果在20世紀(jì)90年代得到詳盡的報(bào)道。其中代表性的文獻(xiàn)有Blarke和Miller以及rurner分別采用磁矩法模擬了半空間的線狀物體的電磁波的時(shí)間響應(yīng)，并研究不同高度上的偶極天線近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)特性；J．MCarcione（1996）闡述了有耗各向異性介質(zhì)中雷達(dá)波理論，對(duì)二維TM及TE極化模式下的波場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)雷達(dá)天線的輻射模式開展了研究；Cai等（1995）應(yīng)用射線追蹤法進(jìn)行了二維介質(zhì)中雷達(dá)波的傳播與模擬研究。隨著計(jì)算電磁學(xué)技術(shù)的發(fā)展，時(shí)間域有限差分法成為探地雷達(dá)模擬計(jì)算的首選方法，在此后一段時(shí)間內(nèi)，發(fā)表了大量文章描述該技術(shù)在探地雷達(dá)天線輻射正演模擬方面的應(yīng)用。其中典型代表作有文獻(xiàn)（Robertseta1．，1997；Tirkaseta1．1992；Maloneyeta1．，1990）等。我國(guó)學(xué)者在這方面也進(jìn)行許多探索，沈飚等于1997年以實(shí)際發(fā)射的脈沖子波為基礎(chǔ)，利用正演模擬技術(shù)，模擬了雷達(dá)波在層狀鋪墊介質(zhì)中的反射曲線，分析、解釋了與之對(duì)應(yīng)的公路路面下的鋪墊結(jié)構(gòu)。西安電子科技大學(xué)的詹毅利用FUIY）方法研究了脈沖探地雷達(dá)在有耗、色散、不均勻土壤中的應(yīng)用；翟波、何兵壽、岳建華、鄧世坤、馮德山等也利用FDTD方法對(duì)地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同地電模型雷達(dá)波的響應(yīng)特征，F(xiàn)DTD方法的應(yīng)用使地質(zhì)雷達(dá)的理論研究達(dá)到了一個(gè)新的高峰?！　≡诜囱莘矫?，德國(guó)S．J．Makky等提出了一種改進(jìn)的反演模型，并用測(cè)試數(shù)據(jù)成功地反演出埋藏在混凝土中鋼筋的圖像。文海玉采用全局優(yōu)化反演算法，反演出地下介質(zhì)的參數(shù)；王兆磊利用地質(zhì)雷達(dá)二維數(shù)據(jù)資料反演出地下介質(zhì)的參數(shù)。但總體說(shuō)來(lái)，反演結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用相差較遠(yuǎn)，因而目前能用于地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋或反演的成果并不多見?！　?.2.3 地質(zhì)雷達(dá)需要深入研究領(lǐng)域　　地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在很多行業(yè)都得到較好的開發(fā)，在實(shí)際探測(cè)應(yīng)用過程中，地質(zhì)雷達(dá)容易受到各種信號(hào)的干擾，這種干擾既有來(lái)自內(nèi)部環(huán)境，也有來(lái)自外部環(huán)境；同時(shí)電磁波在介質(zhì)中傳播具有色散和指數(shù)衰減等規(guī)律，這與探空雷達(dá)存在很大的不同。地下介質(zhì)傳播特性造成地質(zhì)雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中存在多解性問題。因此為了使地質(zhì)雷達(dá)更好地服務(wù)于生產(chǎn)，需要在以下技術(shù)作進(jìn)一步深入研究?！　。?）減少硬件系統(tǒng)的內(nèi)部干擾，提高有效信號(hào)的信噪比。內(nèi)部干擾需要對(duì)儀器采集系統(tǒng)進(jìn)行如下改進(jìn)：①提高步進(jìn)精度，減小步進(jìn)抖動(dòng)；②提高接收機(jī)的接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度；③提高天線系統(tǒng)的發(fā)射和接收效率；④提高天線屏蔽效果，減少耦合信號(hào)干擾?！　　?/pre>








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