基于希尔伯特-黄变换的低频探地雷达弱信号处理技术及其在天然气水合物勘探中的应用

低频探地雷达采集时间窗口大,深部信号受到地层衰减和频散的影响十分明显,真实反射信号往往伴随大量噪声,因此低频探地雷达信号可以视为典型的非稳态信号。引入对于非稳态信号处理效果非常好的Hilbert-Huang变换方法,在其基础上研究低频探地雷达深部微弱回波信号精细处理方法,能有效地滤除信号中的突变部分和噪声,从而实现对深层微弱信号的检测和提取。利用该方法对冻土带天然气水合物进行勘探,可以提取低频探地雷达信号在冻土底界及其下的天然气水合物储层的有效反射信号,取得了良好的效果。

低频探地雷达探测冻土带天然气水合物正演模拟研究

通过对低频探地雷达在青藏高原冻土带环境下的探测深度、分辨率及反射特征分析的正演模拟来研究其在冻土带天然气水合物勘探中的可行性和关键参数。首先通过雷达测距方程计算确定了理论上探地雷达的最大探测深度与发射频率、地下介质电阻率、介电常数之间的关系,并根据电磁波反射理论计算满足冻土带天然气水合物探测深度所需的系统增益;随后通过低频探地雷达分辨率计算和仿真模拟来确定低频探地雷达在大尺度(200 m)范围的广义分辨率;最后参考已经发现天然气水合物的木里地区基本情况设计冻土及天然气水合物模型,利用时间域有限差分(FDTD)方法进行二维正演,获得了探地雷达信号在冻土带底界以及天然气水合物顶、底界的反射特征,为野外实测数据的处理及解释提供有用信息。研究结果表明,采用中心频率小于等于15 MHz且系统增益大于165 dB的低频探地雷达在地表电阻率较高的冻土区能够满足天然气水合物储层的探测深度要求;分辨率计算及仿真模拟表明低频探地雷达在满足一定条件下在200 m深度可以达到探测深度1%的广义分辨率;探地雷达信号在冻土底界、天然气水合物顶、底界均存在明显的强振幅和频率突变特征;理论计算结果认为应用低频探地雷达直接探测冻土带天然气水合物是可行的。

基于低频探地雷达的土壤累积入渗量的探测方法研究

农田尺度上土壤累积入渗量的准确获取是目前土壤入渗研究中的难题。通过土工模拟和灌水实验,探讨利用低频探地雷达(GPR)技术探测土壤累积入渗量的方法。在分析灌水前后GPR剖面特征的基础上,分别构建和对比了基于波速法和振幅法的土壤累积入渗量计算模型。结果表明,基于振幅的探测模型在精度和稳定性方面均优于波速法,反射波振幅模型精度高于地面波模型,利用反射波波谷1构建的累积入渗量的GPR探测模型的决定系数达到0.96。因此,使用低频探地雷达可以实现对土壤累积入渗量的准确探测。研究结果为农田尺度上土壤累积入渗量的探测方法提供了一种新思路,同时,也为GPR在土壤学领域中的进一步应用提供了科学依据。

单层金属网对低频探地雷达波屏蔽效能研究

本文研究了低频探地雷达天线发射的5-30MHz 电磁波以金属网为屏蔽材料进行远区屏蔽的效能,影响因子为金属网趋肤深度δ,被屏蔽电磁波频率f,孔宽W 和丝网直径t.通过对紫铜网、铝丝网、铁丝网和不锈钢丝网的电磁屏蔽效能的理论测算得出：总体上,金属网的屏蔽效能随着电磁波频率的升高而降低;金属网趋肤深度δ 对总体屏蔽效能的影响不大;孔宽W 对铁丝网屏蔽效能的影响呈现先降低后增高的趋势,而对于小网孔（W≤4.8cm）的铁丝网,孔宽W 越小屏蔽效果越好;铁丝网丝径t 越大,屏蔽效果越好.

一种低频探地雷达天线屏蔽装置实验研究

低频探地雷达系统多配置无屏蔽天线,抗干扰能力差。针对中心频率15 MHz的低频探地雷达天线,以铁丝网作为屏蔽材料,设计制作了3种尺寸(长×宽×高分别为:12 m×12 m×5 m、11 m×11 m×5 m、9.6 m×9.6 m×5 m)的屏蔽装置,对接收天线和发射天线分别进行了屏蔽干扰实验研究。结果表明:网孔为1 cm×1 cm,丝径t为0.15 cm铁丝网是制作屏蔽装置的有效材料;对接收天线单独进行电磁屏蔽时,三种尺寸的屏蔽装置均显示出较好的屏蔽效果,其中最佳尺寸为11 m×11 m×5 m;对发射天线单独进行电磁屏蔽时,只有11 m×11 m×5 m尺寸的屏蔽装置最有效,另外两种尺寸的装置屏蔽效果相对较差;相对而言,给接收天线单独增加屏蔽装置要比单独给发射天线增加屏蔽装置好。实验结果为下一步研发实用化的低频探地雷达屏蔽装置打下了良好基础。

井下隐伏构造灾害源低频探地雷达CT探测研究

通过理论分析并对比多种井下物探方法,阐述了应用低频探地雷达开展CT透射式井下隐伏构造灾害源探测的可行性与优势,并对其进行了应用实践分析。在唐山沟煤矿42201工作面跳采回撤通道至切眼区域,应用中心频率为12.5 MHz的雷达天线进行实际探测。结果表明,12.5 MHz天线有效CT透射探测深度可达320 m,可识别断距在1.2 m以上的断层。该方法弥补了常规反射式探地雷达井下探测深度和精度的不足。

高频时域电磁场模拟

根据不同时域电磁场的频率特性,从频率域到时间域的转换一般有二种方法,即线性滤波算法(余弦变换)和快速傅氏变换(FFT)。利用高密度采样的线性滤波算法计算余弦变换,对层状介质的甚早期瞬变电磁进行模拟,并与均匀半空间的闭合解析式结果进行对比,证明了该方法的有效性。另外,从层状介质的高频电磁场响应出发,利用FFT算法,有效地模拟了不同频率和地电参数的GPR射线,以及层状介质的剖面图。甚早期瞬变电磁和低频GPR的频率,都跨越了传统电磁法中所忽略的中间频率。这里的主要目的就是通过对比选择有效的模拟方法,利用模拟结果来分析该频段时域电磁场的特征。