非金属管道内堵塞的探地雷达识别与数值仿真

针对市政工程非金属给排水管道堵塞点定位工程问题,文章从探地雷达(ground penetrating radar,GPR)信号受迫响应频域角度识别管道内水位以实现对堵塞点定位。对于非金属管道,以PVC管为代表建立时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)正演模型,演示了电磁波在PVC管道内的受迫响应过程;分别使用矩阵束法和快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)法取得受迫响应频率,进一步由正演计算得出不同水位高度受迫响应频率曲线;由受迫响应频域识别的影响因素分析,得出识别误差受入射波带宽和填埋土层介电常数影响较大;设计了沙槽实验模型,获取不同水位的GPR实测数据;对实测数据进行分析,并应用FDTD正演模型进行拟合,拟合结果与实际相符合。     

基于GPRSIM的道路地下病害体探地雷达正演模拟研究

探地雷达因其便捷、高效、无损的优势目前被广泛应用于道路地下病害体探测任务中,但雷达图像识别又缺少统一的解释标准,所以亟需为病害体探测提供判别依据。因GPRSIM探地雷达正演软件可自定义模型形状、天线频率大小及正演速度快等优点,所以研究基于GPRSIM设计了不同填充类型、形状、规模、埋深、天线中心频率的道路路基空洞病害模型进行正演模拟研究,并分析总结病害雷达特征。其结果对雷达图像的解译具有重要的指导作用,同时,也为病害体识别提供了客观的理论依据。     

箱梁预应力管道内空洞探地雷达有限元正演模拟

箱梁预应力管道注浆不密实导致梁体预压应力瞬间失效,从而造成梁体突然断裂坍塌的危害。为了更准确地检测箱梁预应力管道内注浆不密实缺陷,建立箱梁预应力管道内空洞物理模型,分析在探地雷达二维及三维探测下钢筋、管道部分注浆及管道充水条件下反射波信号的成像特点。基于改进Sarma吸收边界的有限元法计算公式,编制MATLAB程序对箱梁预应力管道内不同大小的空洞进行正演模拟。通过模型试验和数值模拟对比分析,结果表明:探地雷达三维探测能识别钢筋和空洞的分布,更全面地反映不同病害的形态特征;有限元模拟分析表明回波信号出现的时间、回波强度、双曲线的曲率及延长度均与空洞几何尺寸有关。空洞在模拟和试验探测的结果均为"弧形",验证了数值模拟方法的可行性,为实际工作提供指导依据。     

基于小波多分辨探地雷达三维正演模拟及偏移处理

通过对Maxwell方程进行离散化,导出DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式,并开发探地雷达MRTD法正演程序,利用该程序对三维雷达模型进行正演模拟,得到其相应的正演合成三维剖视图及切片图;通过对这些模拟结果进行分析,验证MRTD法在探地雷达三维正演中的有效性;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,并把波场外推矩阵在小波域进行求解,进而得到探地雷达小波域三维偏移算法及偏移处理程序,把该程序应用于正演结果中。对比偏移处理前、后的雷达资料发现,该三维偏移算法能使3D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。     

基于探地雷达的水库坝基渗漏正演模拟

水库坝基渗水将带来溃堤的风险,造成水资源浪费及生命财产的损失,针对现有技术无法确定坝体渗水洞坐标的实际情况,提出采用探地雷达对坝体进行日常检测。利用时域有限差分法(FDTD)对在二维空间进行FDTD按照Yee氏网格离散处理的原理,得到其电磁分布方程,基于水库坝基的实际构造,建立了空气层、混凝土层、黏土层及两个渗水洞的理想模型,并依据理想模型建立了带有石灰岩干扰点的混凝土层干扰模型。利用MATLAB实现系统架构,并进行正演模拟。结果显示:探地雷达可以用于较深目标体探测,通过改变探地雷达电磁波中心频率,并对比50,100和200MHz三种频率雷达电磁波的检测频谱,又对带干扰模型进行了模拟,验证了100MHz频率雷达电磁波,用于复杂地形的检测效果更优。     

路基下目标体的路面雷达电磁波模拟与分析

为准确分析路基下不同目标体的路面雷达电磁波回波特性,采用二维时域有限差分方法(2D-FDTD),对路基金属及空洞目标体的路面雷达电磁波进行了正演模拟,分析了路基媒质的介电常数、目标体的埋深、形状等对路面雷达反射波的影响.在目标体周围路基介质介电常数为非均匀分布情况下,对该实验正演模拟结果与实测结果进行对比.结果表明,模拟结果与实测结果吻合较好,验证了该正演模拟方法的正确性.     

频散介质中探地雷达有限元法正演模拟

为了更准确地认识探地雷达(GPR)波在频散介质中的传播规律,从Maxwell方程组出发,在频散介质相对介电常数与频率满足Debye关系的条件下,经傅里叶变换,导出时间域GPR波电场和磁场的波动方程。对GPR波的电场波动方程采用伽辽金有限元法,推导频散介质中探地雷达二维有限元方程,采用透射吸收边界有效减弱截断边界的超强反射波,使得截断边界处的反射波充分吸收。利用依上述方法原理编制的程序分别对均匀模型和两圆状模型进行正演计算,验证该算法的正确性和可行性。研究结果表明:均匀频散介质中GPR子波的衰减比在非频散介质中的衰减要快得多,且GPR子波的宽度随着接收器与发射源距离的增加而变大;频散介质中异常体的反射波宽度比非频散介质中的反射波宽度大。     

探地雷达信号的EEMD时域分析方法

经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)方法不能解决探地雷达信号的混频现象,文章提出了探地雷达信号时域集合经验模分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)分析方法。通过分析可知,EEMD方法可以克服EMD方法的模态混频现象。文中由时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)方法正演出探地雷达模型的信号,利用EEMD方法分离探地雷达特征模量,并对不同的特征模量进行分析,将受到白噪声干扰的探地雷达正演信号通过EEMD方法去噪,结果表明去除干扰效果显著。     

基于探地雷达的山岭隧道二次衬砌钢筋分布偏移成像研究

二次衬砌是隧道洞身结构的重要组成部分,衬砌强度与厚度的质量缺陷直接影响隧道结构的安全性能.针对隧道二次衬砌结构中钢筋数量缺失与布置间距不合理等质量问题,利用正演模拟与室内模型实验对正对、错位钢筋以及不同埋深钢筋进行了探地雷达检测研究,采用频率波数偏移成像法对探地雷达检测图像进行了偏移处理.结果表明:探地雷达正演模拟对正...     

探地雷达的正演模拟及有限差分波动方程偏移处理

利用麦克斯韦方程和有限差分法, 推导出雷达波的二维有限差分正演方程组, 并运用该正演方程对＂V＂字形地电模型和同一斜面上的5个圆的地电模型进行正演合成, 得到其相应的正演合成剖面;把该正演合成的剖面与实际模型相比, 得出正演合成图与实际模型的示意图在形状上有一定的差别, 这是剖面中异常点处的绕射波所致;为了提高雷达资料的解释精度, 对正演合成的雷达剖面进行后处理, 运用雷达上行波反向外推有限差分偏移法, 对2个正演合成的雷达剖面进行偏移处理, 通过对比偏移处理前后的雷达正演剖面, 采用有限差分偏移法能使雷达正演剖面中的反射波归位, 绕射波收敛, 从而大大提高了雷达正演剖面的分辨率, 有利于探地雷达剖面的地质解释和验证偏移方法的有效性.     

道路地下空洞探地雷达波场和时频特性

根据城市道路地下介质的分布特征和电性参数设计模型,采用时域有限差分法和广义S变换,对道路地下存在的充气空洞、充水空洞、回填不密实、埋藏金属物状态进行探地雷达正演模拟和时频特征提取。结果表明,地下空洞顶界面的反射波同相轴均呈弧形反射形态,但充气空洞的反射波能量强于充水空洞;地下空洞发育区域的中心频率集中在某个低频区间,其余频率成分分布较均匀;埋藏金属物区域出现两簇高幅值能量团,频率分布较分散;回填不密实区域频率未能显示出较明显的规律。最后,通过工程实测验证了数值模拟的可靠性。     

随机介质模型波场的有效统计特征

通过弹性波方程的交错网格有限差分正演,模拟了平面地震波在单层矩形介质模型中的传播及其自激自收时间记录.将理论记录剖面(垂直和水平分量)分割成5个不同的时间区段.在5个不同的时间区段上,分别计算剖面的统计特征:横向中心波数、纵向中心频率和波场能量相对值.这样,对应每一个弹性随机介质模型,均可计算得到15个不同的波场特征量.进一步引入了相对标准差的概念,并由此得到了若干有效波场特征量.通过正演模拟,依次研究了当介质的自相关长度变化、介质的自相关长度和粗糙度因子变化及介质的自相关长度和扰动标准差变化时的波场特征.讨论了介质模型发生变化时,对应的波场特征量的变化特点.     

时域多分辨率法在探地雷达三维正演模拟中的应用

应用小波伽略金方法,对Maxwell的2个旋度方程进行离散化,导出DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式、数值稳定性条件。在此基础上,开发探地雷达MRTD法正演模拟程序。所开发的对三维立方体小空洞体模型进行正演模拟。研究结果表明:采用该程序极大地提高了运算速度,改善了三维探地雷达正演方法;相应的正演合成三维剖视图及切片图指示了立方体小空洞体的雷达波空间的三维响应特征;模拟结果表明,采用时域多分辨率法可提高探地雷达探测的可靠性、准确度。     

高斯粗糙面电磁散射的基尔霍夫驻留相位法研究

采用高斯粗糙面来模拟实际粗糙面,根据基尔霍夫驻留相位近似法研究了粗糙面的电磁散射,结合高斯粗糙面的自相关函数导出了高斯粗糙面后向散射系数和不同极化状态双站散射系数计算公式.通过数值计算得到了后向散射系数随入射角变化的曲线和不同极化状态双站散射系数随散射角、散射方位角及入射波频率变化的曲线,讨论了介质介电常数、粗糙面参数对后向散射系数和双站散射系数的影响、入射波频率对双站散射系数的影响,得出了高斯粗糙面散射系数的基本特征.结果表明介质介电常数和粗糙面参数对高斯粗糙面后向散射系数和双站散射系数有明显影响且非常复杂,而入射波频率则对双站散射系数无影响.     

基于探地雷达的复垦土壤层次无损探测研究

耕地资源紧是中国面临的现实问题,土地复垦作为补充耕地的重要手段之一,复垦后耕地的表土层厚度直接影响工程质量,特别是薄表土地区覆土厚度检查是关键.传统的检验方法费时费力.针对上述问题,选择微波遥测仪器--探地雷达为工具进行了土层结构无损探测的室外模型实验.构建模型自下而上依次为原状土(40 cm)、粗砂(25 cm)、土(15 cm)和细砂130 cm),中心天线频率为500 MHz,测量方法为共剖面法.通过对雷达图像分析,各层介质探测差值小于5 cm,表明探地雷达能够有效探测土层结构,可以用于土地复垦工程土层厚度的验收工作;同时,尝试对实验的时间-振幅和频率-振幅进行分析,通过时间-振幅图可以看出,振幅在0.95、7.15、9.93、15.7和17.50 ns附近发生了5次明显变化,能够更加直观地解译雷达信号;通过频率-振幅图可以看出,在频率达到470.10 MHz时,振幅最大为1 821,电磁波最有效,可为探地雷达设备选择提供理论支持.     

二维大气等离子体层对雷达波的反射特性

利用时域有限差分法(FDTD)对雷达波在二维大气等离子体中传播的反射率进行了数值计算.计算结果表明,在其他条件相同的情况下,大气平板型分布的等离子体层对雷达波的反射率分别取决于入射波参数:电磁波的入射角θ;电磁波入射波频率f;电磁波传播模式(TM波,TE波)以及等离子体参数;等离子体的电子密度剖面;电子与中性粒子碰撞频率νe0;等离子体厚度d.该研究结果为提高组合介质的雷达波衰减性能研究提供理论依据.     

探地雷达各向异性介质有限差分偏移线性变换

将地震偏移技术中的线性变换差分偏移应用于探地雷达的数据偏移,在讨论各向同性介质线性变换差分偏移算法的基础上,研究各向异性介质偏移归位情况来解决该算法对速度的高敏感性问题,编写探地雷达线性变换差分偏移算法的Matlat程序:通过对线性变换差分方程推导,得到一系列三对角线性方程组:在求解这些特殊方程组过程中,通过调用Matlat程序中定义的Pursue函数来循环求解这一系列大型的三对角线性方程组,并将计算结果进行储存供后续迭代使用,最后将满足终止条件的偏移成像矩阵输出并可视化,运用该算法分别对各向异性的正演雷达数据和实测雷达数据进行处理.研究结果表明:该算法在对各向异性介质中存在多次反射质点和主要反射层的地质问题进行偏移归位时具有明显优势.     

基于ICA的步进频率探地雷达目标信息提取研究

基于独立成分分析较强的信号分析能力,提出了一种针对步进频率探地雷达的独立成分分析与中值滤波处理相结合的目标信息提取方法,从进频率探地雷达回波信号中提取出目标信息.通过对实测数据的处理,结果表明该方法取得了较好的效果.     

管壁接头对圆柱壳波传播的影响

研究了振动波在弹性圆柱壳内的传播特性，分析了不同波的相互作用特点及随频率变化的波型转化规律；还从减振降噪的角度分析了管道中插入柔性接头对管道入射传播波和通过该接头的透射波的作用；分析了不同性质的入射波在经过柔性接头后，其反射系数和透射系数随频率、接头几何尺寸及材料性质的变化规律．     

用探地雷达技术探测堤坝的隐患

探地雷达技术是根据电磁波在不同介质中传播特性不同的原理工作的,具有快捷、无损、连续测量和经济等优点,是目前病险库调查、坝体及截渗体隐患探测的良好手段。文章结合水库大坝隐患的探地雷达探测实例,介绍了用探地雷达技术探测涵洞形状及埋深、跌窝形态及发展趋势、截渗体形态及完整性的方法和成果,提出了土坝中电磁波波速的取值范围及选用天线的频率与探测深度、分辨率的相互关系,并揭示了土坝中不同隐患的雷达波特征。