钻孔雷达电磁波传播及异常地质体探测
发布时间：2021-08-10 10:49
钻孔雷达是上世纪九十年代引入中国的新兴地质探测方法,它是探地雷达的一种井中探测模式。依靠所发射的电磁波信号对地下深层的裂隙及异常体进行探测分析。由于对地下探测深度的优势及其相对于地表雷达更高的分辨率,因此被认为具有较好的应用前景。近些年来,在重大工程的选址设计及矿藏工程的安全隐患排查方面都有着较为成功的应用,提高了工程活动中的经济性。本文首先介绍了钻孔雷达的测量模式:单孔测量、井中—地面测量及跨孔测量,并阐明了其测量原理。从Maxwell方程组以及电磁波的波动性、衰减性和介质的电性参数等方面对电磁波的传播进行分析,确定了研究异常地质体在地层中对雷达波的单孔反射规律。基于YEE式算法,根据Maxwell方程组推导出二维TM波磁场分量和电场分量的差分格式。使用基于FDTD的Gprmax方法对二维TM波传播进行正演模拟。建立地下空间及异常体的物理模型,赋予电磁波传播影响因素:介质的电导率（σ）、介电常数（ε）及钻孔雷达的中心频率（f）不同数值进行正演模拟,得到相应的雷达剖面图。从剖面图可以看出,同一雷达,当电导率保持不变,随着介电常数的增加,雷达波反射信号强度逐渐增强,探测距离增加;同一雷达...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
地面部分分为信号触发获取主机以及计算器控制收集终端[53]，如图2.1 所示，钻孔雷达系统分为孔中天线、编码轮、三脚架、电缆线、主机及电脑几部分。钻孔雷达向地层发射高频电磁波， 利用电磁波在地层中的传播特性来获取地层信息，从而解释地下构造。其在地下探测中以具有地下探测深度、分辨率、探测径向范围等为优势，解决之前探地雷达的深度不足、不够精细以及钻孔取芯的工程量复杂等难题。由钻孔雷达发射的电磁波在地层中的传播将受到岩石和土壤的不同电磁特性和几何形状的影响，所接受的电磁回波信号会有所不同[54]。通常学者根据电磁波的波形（Waveform）、走时（Travel time）和振幅（Amplitude）等数据，解释地层的结构特征。钻孔雷达的测量方式分为三种：单孔探测（Single-hole survey）、跨孔探测（Cross-hole survey）和孔中—地面测量（VerticalRadar survey）[55]。其中，跨孔与孔—地测量方式由于地质环境以及运用范围的局限性，本文不做详细研究。图 2.1 钻孔雷达测量模式
发射与接收两根天线以固定间距固定被放置于在同一钻孔中，通过在钻孔中缓慢移动来进行测量。最常用的天线是偶极子天线，它可以向 360 度空间辐射和接收反射信号。在垂直于钻孔的方向向周围发射电磁波，通过测量直接脉冲和反射脉冲之间到达时间的差异来确定到反射物体的距离。根据雷达信号在不同介质交界面上的反射，可找出反射目标。不同几何特征的反射体有着不同的雷达剖面特征。根据图像可判断是点反射体还是面反射体，若是平面反射体则可以得到钻孔与平面的夹角。但是单个钻孔的雷达信号不能提供足够的信息来明确地确定反射体的具体位置，因此需要结合多个钻孔的数据来确定具体的目标方位。图 2.2 左侧显示的岩体断层的雷达图像，接收天线接收的信号来自直接的发射脉冲以及钻孔壁的反射信号，而反射信号因为目标反射体几何特征的不同具有不同的反射特征，通过分析反射信号可确定反射体的距离和外形特征[56]。平面两边的图像见图 2.2右侧，解释钻孔雷达数据时，点反射体显示的图像为双曲线，过钻孔的裂隙面通常为 K 字型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]地热能开发利用“十三五”规划[J]. 宁波节能. 2017(01)
[2]一种改进的时域有限方法——紧致格式FDTD算法[J]. 范昊博,迟洁茹,牛欢,贾亚亚. 青岛大学学报(自然科学版). 2016(04)
[3]麦克斯韦方程和规范理论的观念起源[J]. 杨振宁,汪忠. 物理. 2014(12)
[4]跨孔雷达全波形反演成像方法的研究[J]. 吴俊军,刘四新,李彦鹏,张宇生,张丽丽,傅磊,王飞,孟旭,雷林林. 地球物理学报. 2014(05)
[5]基于互相关函数对钻孔雷达层析成像的改进[J]. 朱自强,彭凌星,鲁光银,密士文. 吉林大学学报(地球科学版). 2014(02)
[6]土体内混凝土桩基础钻孔雷达响应特征正演分析[J]. 杨宇,张理轻,马晔. 地下空间与工程学报. 2013(S1)
[7]基于GprMax的隧道衬砌地质雷达检测正演模拟与实测数据分析[J]. 孙忠辉,刘金坤,张新平,盖锦辉,蔡扬. 工程地球物理学报. 2013(05)
[8]点状不良地质体钻孔雷达响应特征——围岩及充填效应正演分析[J]. 钟声,王川婴,吴立新,唐新建,王清远. 岩土力学. 2012(04)
[9]钻孔地质雷达在岩溶地质勘察中的应用[J]. 贺衡,王文聪,李政安. 湖南交通科技. 2011(04)
[10]点状不良地质体钻孔雷达响应特征的形状效应正演分析[J]. 钟声,王川婴,吴立新,吴育华,王清远. 岩土力学. 2011(05)
博士论文
[1]非均匀介质中钻孔雷达数值模拟与成像算法研究[D]. 彭凌星.中南大学 2014
[2]长春市中心区地下空间岩土体可利用性分析与评价[D]. 黄静莉.吉林大学 2013
[3]跨孔雷达全波形层析成像反演方法的研究[D]. 吴俊军.吉林大学 2012
[4]基于VNA的步进频率体制钻孔雷达系统研发[D]. 董航.吉林大学 2010
[5]FDTD算法的网络并行研究及其电磁应用[D]. 刘瑜.电子科技大学 2008
[6]钻孔雷达与数字摄像动态勘察技术若干关键问题研究[D]. 钟声.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2008
硕士论文
[1]分散液液微萃取及数字图像比色法在总铁测定中的应用研究[D]. 沈莹萍.西北师范大学 2015
[2]钻孔雷达发射前端及天馈系统研制[D]. 吴昊旻.电子科技大学 2014
[3]沥青混凝土桥面铺装层病害的地质雷达诊断技术研究[D]. 赵继祖.重庆交通大学 2013
[4]关于钻孔雷达天线的研究[D]. 唐剑明.电子科技大学 2012
[5]钻孔雷达超宽带天线的研究与设计[D]. 徐艳清.电子科技大学 2012
[6]钻孔雷达的接收机前端设计[D]. 赵岩.电子科技大学 2012
[7]探地雷达在桥梁工程检测中的应用研究[D]. 潘海结.重庆交通大学 2012
[8]钻孔雷达层析成像软件系统的研究与开发[D]. 李玉喜.吉林大学 2010
[9]钻孔雷达探测金属矿的数值模拟[D]. 周峻峰.吉林大学 2009
[10]视频车辆检测算法研究[D]. 陈雨.东北师范大学 2009
本文编号：3333920
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
地面部分分为信号触发获取主机以及计算器控制收集终端[53]，如图2.1 所示，钻孔雷达系统分为孔中天线、编码轮、三脚架、电缆线、主机及电脑几部分。钻孔雷达向地层发射高频电磁波， 利用电磁波在地层中的传播特性来获取地层信息，从而解释地下构造。其在地下探测中以具有地下探测深度、分辨率、探测径向范围等为优势，解决之前探地雷达的深度不足、不够精细以及钻孔取芯的工程量复杂等难题。由钻孔雷达发射的电磁波在地层中的传播将受到岩石和土壤的不同电磁特性和几何形状的影响，所接受的电磁回波信号会有所不同[54]。通常学者根据电磁波的波形（Waveform）、走时（Travel time）和振幅（Amplitude）等数据，解释地层的结构特征。钻孔雷达的测量方式分为三种：单孔探测（Single-hole survey）、跨孔探测（Cross-hole survey）和孔中—地面测量（VerticalRadar survey）[55]。其中，跨孔与孔—地测量方式由于地质环境以及运用范围的局限性，本文不做详细研究。图 2.1 钻孔雷达测量模式
发射与接收两根天线以固定间距固定被放置于在同一钻孔中，通过在钻孔中缓慢移动来进行测量。最常用的天线是偶极子天线，它可以向 360 度空间辐射和接收反射信号。在垂直于钻孔的方向向周围发射电磁波，通过测量直接脉冲和反射脉冲之间到达时间的差异来确定到反射物体的距离。根据雷达信号在不同介质交界面上的反射，可找出反射目标。不同几何特征的反射体有着不同的雷达剖面特征。根据图像可判断是点反射体还是面反射体，若是平面反射体则可以得到钻孔与平面的夹角。但是单个钻孔的雷达信号不能提供足够的信息来明确地确定反射体的具体位置，因此需要结合多个钻孔的数据来确定具体的目标方位。图 2.2 左侧显示的岩体断层的雷达图像，接收天线接收的信号来自直接的发射脉冲以及钻孔壁的反射信号，而反射信号因为目标反射体几何特征的不同具有不同的反射特征，通过分析反射信号可确定反射体的距离和外形特征[56]。平面两边的图像见图 2.2右侧，解释钻孔雷达数据时，点反射体显示的图像为双曲线，过钻孔的裂隙面通常为 K 字型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]地热能开发利用“十三五”规划[J]. 宁波节能. 2017(01)
[2]一种改进的时域有限方法——紧致格式FDTD算法[J]. 范昊博,迟洁茹,牛欢,贾亚亚. 青岛大学学报(自然科学版). 2016(04)
[3]麦克斯韦方程和规范理论的观念起源[J]. 杨振宁,汪忠. 物理. 2014(12)
[4]跨孔雷达全波形反演成像方法的研究[J]. 吴俊军,刘四新,李彦鹏,张宇生,张丽丽,傅磊,王飞,孟旭,雷林林. 地球物理学报. 2014(05)
[5]基于互相关函数对钻孔雷达层析成像的改进[J]. 朱自强,彭凌星,鲁光银,密士文. 吉林大学学报(地球科学版). 2014(02)
[6]土体内混凝土桩基础钻孔雷达响应特征正演分析[J]. 杨宇,张理轻,马晔. 地下空间与工程学报. 2013(S1)
[7]基于GprMax的隧道衬砌地质雷达检测正演模拟与实测数据分析[J]. 孙忠辉,刘金坤,张新平,盖锦辉,蔡扬. 工程地球物理学报. 2013(05)
[8]点状不良地质体钻孔雷达响应特征——围岩及充填效应正演分析[J]. 钟声,王川婴,吴立新,唐新建,王清远. 岩土力学. 2012(04)
[9]钻孔地质雷达在岩溶地质勘察中的应用[J]. 贺衡,王文聪,李政安. 湖南交通科技. 2011(04)
[10]点状不良地质体钻孔雷达响应特征的形状效应正演分析[J]. 钟声,王川婴,吴立新,吴育华,王清远. 岩土力学. 2011(05)
博士论文
[1]非均匀介质中钻孔雷达数值模拟与成像算法研究[D]. 彭凌星.中南大学 2014
[2]长春市中心区地下空间岩土体可利用性分析与评价[D]. 黄静莉.吉林大学 2013
[3]跨孔雷达全波形层析成像反演方法的研究[D]. 吴俊军.吉林大学 2012
[4]基于VNA的步进频率体制钻孔雷达系统研发[D]. 董航.吉林大学 2010
[5]FDTD算法的网络并行研究及其电磁应用[D]. 刘瑜.电子科技大学 2008
[6]钻孔雷达与数字摄像动态勘察技术若干关键问题研究[D]. 钟声.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2008
硕士论文
[1]分散液液微萃取及数字图像比色法在总铁测定中的应用研究[D]. 沈莹萍.西北师范大学 2015
[2]钻孔雷达发射前端及天馈系统研制[D]. 吴昊旻.电子科技大学 2014
[3]沥青混凝土桥面铺装层病害的地质雷达诊断技术研究[D]. 赵继祖.重庆交通大学 2013
[4]关于钻孔雷达天线的研究[D]. 唐剑明.电子科技大学 2012
[5]钻孔雷达超宽带天线的研究与设计[D]. 徐艳清.电子科技大学 2012
[6]钻孔雷达的接收机前端设计[D]. 赵岩.电子科技大学 2012
[7]探地雷达在桥梁工程检测中的应用研究[D]. 潘海结.重庆交通大学 2012
[8]钻孔雷达层析成像软件系统的研究与开发[D]. 李玉喜.吉林大学 2010
[9]钻孔雷达探测金属矿的数值模拟[D]. 周峻峰.吉林大学 2009
[10]视频车辆检测算法研究[D]. 陈雨.东北师范大学 2009
本文编号：3333920
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