探地雷达地下空洞图像识别技术研究.pdf

探地雷达技术研究大部分局限于各向均匀介质的正演模拟,而实际地下空洞很少存在规则形状的情况,导致探地雷达在地下隐患特别是空洞及脱空探测工作中按常规的理论判断识别率不高。为了解决这一问题,基于电磁波的传播理论,通过室内数值模拟和实际案例对比分析雷达反射波在地面及地下隐患分界面的相位和振幅强度的情况,分析可知地面反射波的振幅较强,其相位和雷达发射源的相位相反,而空洞及脱空的上界面反射波的振幅同样较强,而其相位与雷达发射源的相位相同,且同地面反射波的相位相反。因此在实际工作中,可以通过疑似异常反射波的振幅强度及其相位与地面反射波相位的关系,配合地下隐患的其他特征如尖端绕射、底层反射波等来提高地下隐患的识别准确率。关键词:探地雷达;地下空洞;反射波;相位;振幅;数值模拟中图分类号:P 6 3 1.4+2 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-5 6 6 3(2 0 2 3)0 3-0 6 0 4-0 70 引言探地雷达作为一种无损检测方法,被广泛用于各种工勘领域1-5。根据历年研究资料,不难发现探地雷达技术研究大部分局限于各向均匀介质的正演模拟,与实际探测过程中地下介质的反应有较大差别,例如实际地下空洞很少存在规则的圆形或者球形,双曲线往往不是病害而是管线,不是所有的空洞的绕射波清晰可见,空洞的规模以及形态不一定能够形成多次波。但是有一点是可以确定的,在地下空洞无填充时上界面的相位一定是与初始波相位有所差别的,下文从相位、振幅出发探讨探地雷达的图像识别问题。此文背景是基于深圳某区政府部门地下隐患探测项目,此处重点讨论探地雷达在空洞、脱空探测过程中如 何提高图像 识准确率问 题,本次使 用 的 是MA L A HD R G X系列中的4 5 0 MH z探地雷达。1 探地雷达地下空洞探测理论1.1 电磁波动力学基础根据电磁波理论,高频电磁波在媒质中的传播规律服从M a x w e l l方程6组,即?HH=jj+DD/t?EE=-BB/t?BB=0?DD=q (1)本构方程:jj=EEBB=HHDD=EE (2)式中:HH表示磁场强度,A/m;jj为电流密度,A/m2;DD表示电位移,C/m2,EE表示电场强度,V/m;BB为磁感应强度,Wb/m2;q为自由电荷体密度,C/m3;为电导率,S/m;为磁导率,H/m;为介电常数,C2/Nm2。代入激励源SS的偏微分方程为72EEt2+EEt-1?2EE=SSE2HHt2+HHt-1?2HH=SSH(3)式(3)阐述了电磁场与介质电导率、介质介电常收稿日期:2 0 2 2-0 6-2 9;修回日期:2 0 2 2-0 7-2 6第一作者:唐杰(1 9 9 3),男,土家族,硕士,工程师,主要从事工程物探应用与研究工作。E-m a i l:4 2 5 1 7 8 8 5 6q q.c o m通信作者:覃茂欢(1 9 8 7),男,工程师,主要从事新技术推广工作。E-m a i l:Q i n_m h h d e c.c o m引文格式:唐杰,覃茂欢,邱亚军.探地雷达地下空洞图像识别技术研究J.矿产与地质,2 0 2 3,3 7(3):6 0 4-6 1 0.数的关系,从另一方面证明了雷达波在不同电性以及介电性介质中传播的性质不同(默认介质为非磁性)。目前主流雷达所使用的调幅脉冲激励源,其子波形式为8-9ft =t2e-ts i n0t(4)其中:0为发射天线中心角频率,t为电磁波传播时间,电磁脉冲的衰减速度取决于系数,此处取=0.9 30,中心频率为4 5 0 MH z,电磁波脉冲见图1。图1 4 5 0 MH z天线电磁脉冲波形图F i g.1 E l e c t r o m a g n e t i c p u l s e w a v e f o r m o f 4 5 0 MH z a n t e n n a1.2 电磁波运动学基础 电磁波在介质中的传播过程中电磁场比值为1 0HH=EE/(5)其中:为介质中的波阻抗,对于非磁性媒质=/,为复介电常数,在以位移电流为主的媒质中,可以近似等于媒质的介电常数。电磁波在介质中传播,相位以及振幅都与反射系数R有关,根据分界面上(图2)电场切向分量连续的边界条件,反射系数为RR=1c o s0-0c o s1 1c o s0+0c o s1 (6)其中:0=0/0为空气的波阻抗,1=0/1为地面以下介质的波阻抗,0为真空磁导率,在不考虑传导电流的情况下,0为空气中的相对介电常数,1为地下介质相对介电常数,0、1分别为入射角和透射角,入射角和折射角的关系遵循折射定律 s i n0=ns i n1,其中 n=1/0,0、1分别为空气和地下介质的折射率,对非磁性且以位移电流为主的媒质,n=图2 电磁波从介质1(空气)入射到介质2(地表)示意图F i g.2 E l e c t r o m a g n e t i c w a v e e n t e r s f r o m m e d i u m 1(a i r)t o m e d i u m 2(s u r f a c e)1/0。因此式(6)可转化为RR=c o s0-n2-s i n20 c o s0+n2-s i n20 (7)由于探地雷达基本是自发自收采集模式,收发距离相对地层厚度较小(MA L A G X 4 5 0 收发距为1 8 c m),入射角和反射角也相对较小,在不改变反射系数正负号的前提下,一般情况下,入射角和反射角近似等于0。因此在雷达定性判图过程中,反射系数近似为1 1RR=(0-1)(0+1)(8)在以麦克斯韦电磁方程为基础的条件下,菲涅尔完美阐述了反射波和折射波的相位跃变问题1 2,当由光疏介质入射到光密介质中时,0 1,即 01,则R0存在相位突变,突变值为,即该情况下反射波和入射波的相位刚好相反。相反,若由光密介质入射到光疏介质中时,反射系数大于0,不存在相位突变。同时,由于反射系数为反射波与入射波的场值之比,界面两边介质介电常数差异越大,其反射系数的绝对值越大,说明反射波的能量越强,则在发生介质性质突变的界面上雷达波的能量会异常增大。因此相位和能量两个方面的变化情况为雷达波的识别提供了很大帮助。1.3 工作原理探地雷达是利用高频率电磁波来探测地下不同介质分布规律的一种无损探测方法,工作方式是通过发射天线在地面向地下发射宽频带短脉冲高频电磁波,入射波在具有介电性差异的介质分界面上会产生506 第3 7卷 第3期 唐杰等:探地雷达地下空洞图像识别技术研究反射,处理器通过分析接收天线接收到反射波的相位、到达时间、振幅去判断地下介质的分布情况,并以脉冲堆积图的形式展现出来1 3(图3)。图3 探地雷达工作原理图F i g.3 W o r k i n g p r i n c i p l e d i a g r a m o f g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r2 数值模拟从麦克斯韦方程组出发1 4,得到偏微分方程1 5,给定符合实际情况的边界条件,得到边值问题,一般情况下,可以通过构造泛函数求解最后的变分问题。若泛函难以构造,可以通过G a l e r k i n加权余量方法求得变分问题1 6。最后运用非结构三角形网格有限元1 7,选取合适的差值函数,得到大型稀疏矩阵方程组,并采用合适的迭代方法求解方程组1 8,同时在求解区域边界还要进行边界条件处理1 9,最后得到理想的雷达正演剖面。为了提高数值模拟结果的质量以及论证的可信度,本次正演过程选择目前主流的雷达数据处理软件R e f l e x w进行。模模型型:平面位置为1 0 m处,有一长2 m、净深1 m、中心埋深1 m的矩形空洞(图4-a)。空气的相对介电常数为1,地下介质相对介电常数为9,空洞为空气填充。由图4-b可见,由于模型两端边界处理产生了明显的绕射反应,导致反射波的相位不是很明显,因此对其进一步做了柯西霍夫偏移,其结果见图4-c。模模型型:平面位置为1 0 m处,有一半径为0.5 m、圆心坐标为(x:1 0 m,z:2 m)的圆形空洞(图4-a),空气相对介电常数为1,地下介质相对介电常数为9,空洞为空气填充。图4-b为圆形空洞的二维正演模拟图,空洞位置的双曲线特征被表现出来,但是与矩形空洞存在同样的问题,即由于两端介质处理不恰当问题,导致出现了较严重的绕射,相位信息未能完整表现出来,对其进行柯西霍夫偏移处理,其结果见图4-c。模模型型:平面位置1 01 2 m、地下约1.5 m处,有一净深约0.5 m的不规则长条空洞(图4-a),空气相对介电常数为1,地下介质相对介电常数为9,空洞为空气填充。其二维正演模拟结果及柯西霍夫偏移处理正演结果分别见图4-b和图4-c。从上述3个空洞模型柯西霍夫偏移后的二维正演图可以看出,虽然模拟的介质的变化比较单一,且正演模拟结果和实际探测结果存在一定差别,但从3幅图的空气与地面分界面(红黄红)、介质与异常分界面(黄红黄)的相位对比可知,在空洞(空气填充)上界面的反射波相位与地面反射波相位对比明显发生了反转。3 实际案例实际案例来自深圳某区政府部门地下隐患探测项目,根据深圳市地方规范2 0,净深超过2 0 c m的空腔即为空洞,城中村的路面等级较低,多数为沥青层加砼路面加碎石基层,沥青层厚度约1 0 c m,混凝土厚度3 05 0 c m。脱空大多发生在5 0 c m左右,即高密实度和高硬度的沥青和混凝土层与较为松散的碎石基层分界区域。由于投入使用时间较长,地面裂缝及破损较多,地面水下渗加上地面车辆及其他活动产生的震动很容易传导到该区域层,导致高硬度层位不变,下伏碎石基层遇水以及长期的震动影响变得更加密实,因此中间形成不规则空腔。此次项目探测及验证过程中天气良好、地面干燥。据韦文兵等2 1研究可知,混凝土的相对介电常数在41 0之间,空气的相对介电常数为1,根据式(7)、式(8)可知,此项目中所有空气填充空洞上界面的反射系数R均为正。表1为地下空洞典型案例,其空洞上界面雷达波形图见图5。表1 地下空洞典型案例T a b l e 1 T y p i c a l c a s e s o f u n d e r g r o u n d c a v i t y案例空洞平面尺寸顶面埋深/m底面埋深/m空洞上界面雷达波形图案例10.8 m1.1 m0.40.6图5 a案例20.7 m1.8 m0.30.5图5 b案例31.3 5 m2.1 m0.2 40.6图5 c案例40.9 m3.5 m0.40.6 7图5 d案例50.9 m2.6 m0.20.5 5图5 e606矿 产 与 地 质2 0 2 3年 图4 矩形空洞/圆形空洞/不规则空洞的数值模拟二维正演模型图(a)、二维正演模拟结果图(b)及经过柯西霍夫偏移处理的正演结果(c)F i g.4 T w o d i m e n s i o n a l f o r w a r d m o d e l o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n(a),T w o d i m e n s i o n a l f o r w a r d s i m u l a t i o n r e s u l t(b),F o r w a r d m o d e l i n g r e s u l t s p r o c e s s e d b y K i r c h h o f f m i g r a t i o n(c)o f r e c t a n g u l a r c a v i t y,c i r c u l a r c a v i t y,i r r e g u l a r c a v i t y706 第3 7卷 第3期 唐杰等:探地雷达地下空洞图像识别技术研究图5 空洞上界面雷达波形图F i g.5 R a d a r w a v e f o r m d i a g r a m o f u p p e r i n t e r f a c e o f c a v i t y806矿 产 与 地 质2 0 2 3年 5 结语通过上述5个案例可以明显看出,空洞上分界面的反射波的相位(黑白黑)与地面反射波的相位(白黑白)明显相反,且在介质分界面的波形振幅均发生了明显的增强,因此在不同雷达型号的发射源函数未知的情况下,探测过程中发现与地面反射波相位相反且反射波振幅较强的地下介质的反射波都可以视为异常体反射,可以作为二次复查或者验证的重要目标。此外,第1案例与第5案例中空洞上界面反射同相轴两端有绕射波的存在,且在反射同相轴下方存在多次反射波,这些都能从不同的角度反应地下空洞的特征。此次试验也存在一些不足之处,由于4 5 0 MH z的中心频率属于中高频,且在实际过程中属于贴地采集,因此直达波的接收时间和地面反射波的接收时间相差不大,因此在雷达波图像中,其直达波和地面反射波可能会存在重叠,因此上述案例中的地面反射波并不是纯粹的单个地面反射波,而是地面反射波与直达波的耦合,为了实验的严谨性,正确的做法是将高频天线抬高且离地至少一个子波波长的距离,这样便可以将直达波和反射波区分开。参考文献:1 陈思静,胡祥云,彭荣华.城市地下管线探测研究进展与发展趋势J.地球物理学进展,2 0 2 1,3 6(3):1 2 3 6-1 2 4 7.2 赵远由,林贵生.探地雷达在隐伏岩溶勘察中的应用J.矿产与地质,2 0 0 6,2 0(3):2 7 9-2 8 2.3 姜洪亮,杨庭伟,卢超波,等.钦州保税港区吹填陆域路面塌陷探测研究与成因分析J.矿产与地质,2 0 1 8,3 2(3):5 7 0-5 7 6.4 梁任和,唐咸远.岩溶塌陷区地质灾害应急勘查及处治技术研究J.矿产与地质,2 0 2 1,3 5(5):9 9 3-9 9 9.5 卢胜辉,彭迪臻,龙秀洁,等.物探技术在南方石漠化地区综合地质调查中的应用分析:以广西桂林龙虎乡为例J.矿产与地质,2 0 2 1,3 5(2):2 8 1-2 8 9.6 李金铭.地电场与电法勘探M.北京:地质出版社,2 0 0 5.7 陈承申.探地雷达二维有限元正演模拟D.长沙:中南大学,2 0 1 1.8 曾昭发,刘四新,王者江,等.探地雷达方法原理及应用M.北京:科学出版社,2 0 0 6.9 李大心.探地雷达方法与应用M.北京:地质出版社,1 9 9 4.1 0 沃德S H.地球物理用电磁理论M.新疆工学院电磁法科研组,译.北京:地质出版社,1 9 7 8.1 1 黄南晖.地质雷达探测的波场分析J.地球科学(中国地质大学学报),1 9 9 3,1 8(3):2 9 4-3 0 2,3 6 8.1 2 甘桂蓉,罗开基.界面处反射电磁波与入射电磁波的相位关系J.江西师范大学学报(自然科学版),2 0 0 6,3 0(6):5 8 4-5 8 6,6 0 3.1 3 许德根.三角形非结构化有限元G P R正演模拟D.长沙:湖南科技大学,2 0 1 7.1 4 徐世浙.地球物理中的有限单元法M.北京:科学出版社,1 9 9 4.1 5 底青云,王妙月.雷达波有限元仿真模拟J.地球物理学报,1 9 9 9,4 2(6):8 1 8-8 2 5.1 6 崔凡,陈毅,薛晗鹏,等.三角网格剖分时域有限元法的探地雷达正演模拟J.地球物理学进展,2 0 2 2,3 7(2):7 9 7-8 0 9.1 7 唐杰,熊彬.基于C OM S O L软件的非结构化网格下的二维大地电磁正演模拟J.工程地球物理学报,2 0 1 8,1 5(3):3 4 7-3 5 6.1 8 柳建新,蒋鹏飞,童孝忠,等.不完全L U分解预处理的B I C G-S T A B算法在大地电磁二维正演模拟中的应用J.中南大学学报(自然科学版),2 0 0 9,4 0(2):4 8 4-4 9 1.1 9 C O R R E I A D,J I N J M.P e r f o r m a n c e o f r e g u l a r PML,C F S-PML,a n d s e c o n d-o r d e r PML f o r w a v e g u i d e p r o b l e m s J.M i-c r o w a v e a n d O p t i c a l T e c h n o l o g y L e t t e r s,2 0 0 6,4 8(1 0):2 1 2 1-2 1 2 6.2 0 城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准:J G J/T 4 3 7-2 0 1 8S.北京:中国建筑工业出版社,2 0 1 8.2 1 韦文兵,叶盛.探地雷达检测中混凝土相对介电常数取法的探讨J.四川建材,2 0 0 7(5):1 8 7-1 8 9.R e s e a r c h o n u n d e r g r o u n d c a v i t y i m a g e r e c o g n i t i o n t e c h n o l o g y o fg r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a rT ANG J i e1,Q I N M a o h u a n2,Q I U Y a j u n1(1.Z h e j i a n g H u a d o n g M a p p i n g a n d E n g i n e e r i n g S a f e t y T e c h n o l o g y C o.,L t d.,H a n g z h o u 3 1 0 0 0 0,Z h e j i a n g,C h i n a;(2.H u a d o n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n C o.,L t d.,S h e n z h e n 5 1 8 0 0 0,G u a n g d o n g,C h i n a)A b s t r a c t:M o s t o f t h e r e s e a r c h o n G P R t e c h n o l o g y i s l i m i t e d t o t h e f o r w a r d s i m u l a t i o n o f i s o t r o p i c u n i f o r m m e d i u m,b u t t h e a c t u a l u n d e r g r o u n d c a v i t y r a r e l y h a s r e g u l a r s h a p e s,w h i c h l e a d s t o t h e l o w r e c o g n i t i o n r a t e o f G P R i n t h e u n d e r g r o u n d h i d d e n d a n g e r,e s p e c i a l l y t h e c a v i t y a n d v o i d d e t e c t i o n w o r k,a c c o r d i n g t o t h e c o n v e n t i o n a l t h e o r y.I n o r d e r t o i m p r o v e t h e r e c o g n i t i o n a c c u r a c y o f g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r i n u n d e r g r o u n d h i d d e n d a n g e r s,e s p e c i a l l y c a v i t y a n d v o i d d e t e c t i o n,t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e p h a s e a n d a m p l i t u d e i n t e n s i t y o f 906 第3 7卷 第3期 唐杰等:探地雷达地下空洞图像识别技术研究r a d a r r e f l e c t e d w a v e a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n g r o u n d a n d u n d e r g r o u n d h i d d e n d a n g e r s t h r o u g h i n d o o r n u m e r i-c a l s i m u l a t i o n a n d a c t u a l c a s e c o m p a r i s o n.T h r o u g h t h e a n a l y s i s,i t c a n b e s e e n t h a t t h e a m p l i t u d e o f g r o u n d r e f l e c t e d w a v e i s s t r o n g,a n d t h e p h a s e i s o p p o s i t e t o t h a t o f r a d a r t r a n s m i t t i n g s o u r c e.T h e a m p l i t u d e o f t h e r e f l e c t e d w a v e o n t h e u p p e r i n t e r f a c e o f t h e c a v i t y a n d v o i d i s a l s o s t r o n g,a n d i t s p h a s e i s t h e s a m e a s t h a t o f t h e r a d a r t r a n s m i t t i n g s o u r c e a n d o p p o s i t e t o t h a t o f t h e g r o u n d r e f l e c t e d w a v e.T h e r e f o r e,i n p r a c t i c a l w o r k,t h e i d e n t i f i c a t i o n a c c u r a c y o f u n d e r g r o u n d h i d d e n d a n g e r s c a n b e i m p r o v e d b y c o m b i n i n g t h e a m p l i t u d e i n t e n s i t y a n d p h a s e r e l a t i o n s h i p o f g r o u n d r e f l e c t e d w a v e s a n d s u s p e c t e d a b n o r m a l r e f l e c t e d w a v e s w i t h o t h e r c h a r a c t e r i s t i c s o f u n d e r g r o u n d h i d d e n d a n g e r s,s u c h a s t i p d i f f r a c t i o n a n d b o t t o m r e f l e c t e d w a v e s.K e y w o r d s:g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r,u n d e r g r o u n d c a v i t y,r e f l e c t e d w a v e,p h a s e,a m p l i t u d e,n u m e r i c a l s i m-u l a t i o n(上接第6 0 3页)R e s e a r c h o n t e r r a i n c o r r e c t i o n o f e l e c t r i c a l m e t h o d d a t au n d e r c o m p l e x t e r r a i n c o n d i t i o n b a s e d o n A N S Y SS HANG J i a n g e1,2,3,L I C h e n h u i1,4,S U L i j u a n1,4,L I B i n g1,2,3,X I E C h o n g1,4,X I NG S h a n g x i n1,5,6(1.N o n-F e r r o u s M i n e r a l E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r o f H e n a n P r o v i n c e,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 6,H e n a n,C h i n a;2.G e o l o g i c a l T e a m N o.2,B u r e a u o f N o n f e r r o u s M e t a l G e o l o g y a n d M i n e r a l R e s o u r c e s o f H e n a n P r o v i n c e,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 6,H e n a n,C h i n a;3.N a t u r a l R e s o u r c e s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n C e n t e r o f H e n a n P r o v i n c e(R e s e a r c h o n M i n e E c o l o g i c a l E n v i r o n m e n t P r o t e c t i o n a n d R e s t o r a t i o n),Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 6,H e n a n,C h i n a;4.H e n a n N o n-f e r r o u s G e o l o g y a n d M i n e r a l R e s o u r c e s G r o u p C o.,L t d.,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 6,H e n a n,C h i n a;5.G e n e r a l I n s t i t u t e o f N o n-f e r r o u s M e t a l s G e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n o f H e n a n P r o v i n c e,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 2,H e n a n,C h i n a;6.K e y L a b o r a t o r y o f D e e p O r e-p r o s p e c t i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h f o r N o n-f e r r o u s M e t a l s o fH e n a n P r o v i n c e,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 2,H e n a n,C h i n a)A b s t r a c t:D C p o l a r i z a t i o n m e t h o d i s o n e o f t h e m o s t w i d e l y u s e d g e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o n m e t h o d s i n m o d e r n g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n.I t c a n q u i c k l y o b t a i n t h e e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s s u c h a s p o l a r i z a t i o n a n d r e s i s t i v i t y o f g e o l o g i c a l b o d i e s.H o w e v e r,d u e t o t h e i n f l u e n c e o f t o p o g r a p h i c r e l i e f,t h e r e s i s t i v i t y p a r a m e t e r s o b t a i n e d b y t h i s m e t h o d a r e o f t e n n o t t h e t r u e r e f l e c t i o n o f g e o l o g i c a l b o d y.AN S Y S f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e c a n q u i c k l y a n d a c c u r a t e l y c a r r y o u t t w o-d i m e n s i o n a l a n d t h r e e-d i m e n s i o n a l t e r r a i n c o r r e c t i o n f o r r e s i s t i v i t y o f d i f f e r e n t d e v i c e t y p e s u n d e r t h e c o m p l e x t e r r a i n c o n d i t i o n,s o t h a t,t h e r e s i s t i v i t y p a r a m e t e r s a f t e r c o r r e c t i o n c a n r e f l e c t t h e r e a l s i t u a t i o n o f g e o l o g i c a l b o d y.B y u s i n g AN S Y S s o f t w a r e i n t h e s t u d y a r e a,t e r r a i n c o r r e c-t i o n o f r e s i s t i v i t y d a t a c o l l e c t e d i n t h e f i e l d h a s a c h i e v e d t h e g o o d r e s u l t,w h i c h c a n p r o v i d e a t e c h n i c a l r e f e r-e n c e f o r t h e m a j o r i t y o f g e o p h y s i c i s t s.K e y w o r d s:AN S Y S s o f t w a r e,c o m p l e x t e r r a i n,e l e c t r i c a l m e t h o d d a t a,f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s,t o p o g r a p h i c c o r r e c t i o n016矿 产 与 地 质2 0 2 3年