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。

探地雷达及红外热成像在渠道混凝土衬砌脱空检测中的应用

为减少渠道渗漏损失,提高输水配水能力,增加渠坡的稳定性,赵口二期工程渠道采用现浇混凝土衬砌。为了解衬砌与渠坡土体之间的结合程度,首先采用探地雷达方法对总干及主要干渠、分干渠和支渠的渠道的混凝土衬砌进行抽样探测,结果依据脱空程度不同主要包括胶结紧密、接触不密实、轻微脱空等3种情况;在此基础上,对轻微脱空的重点部位采用探地雷达和红外热成像相结合的方法进行综合探测,对同一混凝土衬砌上的不同脱空严重程度进行划分,可极大地提高工程养护及补强等工作的针对性,保证工程安全、高效的运行。

高聚物注浆修复的面板堤坝探地雷达波场特征分析

针对高聚物注浆修复堤坝面板脱空病害的修复效果问题,依据实际堤坝面板层间结构和材料介电参数,基于时域有限差分法和完全匹配层边界条件建立了高聚物注浆修复面板脱空堤坝的探地雷达电磁波计算模型,分析了雷达中心频率、面板脱空修复程度及脱空区域大小、面板厚度及配筋等因素对高聚物注浆修复面板脱空堤坝探地雷达波场特征的影响。结果表明:随着激励源中心频率增大,探地雷达剖面图分辨率逐渐增加;随着脱空区域长度增加,探地雷达剖面图中产生的水平状界面反射波增长;随着脱空区域深度增加,探地雷达剖面图水平状反射线之间时间间隔逐渐增大;随着堤坝面板厚度增加,在面板脱空修复区域绕射波和衍射波幅值减小;探地雷达发射的电磁波遇到钢筋时将产生能量较强的绕射波,强绕射波将脱空区域上下分界面的反射波分割开,难以判断反射波的水平长度。根据高聚物注浆修复面板脱空堤坝的探地雷达波场特征,能有效判断堤坝面板脱空区域的高聚物注浆修复效果,有助于解释实际堤坝面板高聚物注浆修复效果的探地雷达图像。

矩形空洞探地雷达成像曲线厚度变化规律研究

由于城市基础建设不断地翻新改造,引发城市地下空洞滋生问题。通过探地雷达扫描技术,对地下矩形空洞整个探测过程进行研究,将探测过程划分为四个阶段,研究了成像曲线厚度变化规律。对探地雷达水平运行时矩形空洞的成像曲线厚度变化规律进行分析,对不同大小下的矩形空洞点测时曲线厚度进行研究,并通过实际探测案例来解释矩形空洞成像曲线厚度变化规律,结果表明探地雷达探测矩形空洞时其成像曲线厚度为先增加后减小的对称曲线,其曲线厚度最大处在图像上为水平弧段两端,位于实际矩形空洞对角线附近;雷达点测时成像曲线厚度随矩形空洞变大而增加,在图像上表现为空洞越大线条越粗。

改进YOLOv5的探地雷达常见地下管线识别

针对当前探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)图像识别准确率低,且小目标识别困难等问题,本文将YOLOv5(You Only Look Once)和ConvNeXt网络相结合,提出一种适用于GPR图像的常见地下管线识别网络ConvNeXt-YOLOv5,显著提高了雷达图像中小目标的识别精度.同时,为了解决因地下管线原始信息不足而导致的模型训练精度低的问题,使用实测GPR图像、时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)与混类增强算法Mixup模拟图像构建数据集.然后,在此数据集上验证了本文所提方法对常见地下管线的识别效果,并用识别后的二维GPR B-scan图像还原出地下管线的三维图像.实验结果表明,对镀锌输水钢管、PVC管、电缆线和含水塑料瓶等常见地下管线进行识别时,ConvNeXt-YOLOv5表现出优良的识别性能.尤其是对PVC管的识别精度提升明显.与YOLOv4、YOLOv5、YOLOv7和Faster R-CNN模型相比,其平均精度均值分别提高了3.83%、2.82%、1.9%和3.72%.同时,三维探地雷达图像更直观的还原了地下管线信息.

探地雷达在白洋淀湖底地层结构探测中的技术攻关与实践

白洋淀湖底地层调查对于白洋淀生态地质调查、湖底生态清淤及湿地生态保护具有非常重要的现实意义。为系统探明白洋淀湖底地层结构,从区域尺度对湖底地层实现完整刻画,为钻探调查提供精确的靶区数据支撑,创新了探地雷达应用范围,采用船载方式,透过水体开展了湖底地层勘查。剖析白洋淀湖底结构探地雷达勘探技术难点,分析了含底泥和不含底泥2种情形下水上勘探电磁波的传播特征和湖底原生地层的地球物理响应条件,建立了淀水+淤泥层+湖底原生地层的湖底简化结构模型。通过对比国内外主流探地雷达系统不同硬件设备的勘探能力与适应条件,优选出双皮划艇搭载50 MHz低频组合天线的工作模式,结合适用于水下电磁波弱信号提取的数据处理技术,获得了白洋淀湖底15 m深度范围的地层结构数据。结果表明,此种工作模式适用于湖区水深小于5 m的水域,原生地层电磁波整体呈现弱反射特征,湖底15 m深度范围内存在2~3组砂层反射界面。淤泥层会大大削弱湖底原生地层的电磁波反射强度。存在厚砂层的水域,电磁波会形成强反射波组,砂层展布形态刻画清晰,砂层厚度变化在0~3 m之间。本项研究实现了湖底地层结构建模分析、天线勘探模式优选、数据处理过程优化等技术集成。该技术成果为白洋淀淀区地下水与地表水三维地质建模提供了基础依据,为湖底地层钻探勘查提供了靶区支撑,有力推动了白洋淀湿地水-陆一体化探测技术方法体系的构建。

矿井煤岩界面节点式雷达快速动态探测系统及实验研究

煤岩界面识别技术是煤矿智能化开采的关键技术之一。基于高频雷达波探测技术可实现煤岩界面的随采高精度探测,但仍存在矿井超大采高(≥6 m)片帮垮落带来设备的安全风险及采高突变(采高≤2 m)时空间限制设备通过的问题。在前期工作基础上提出了一种矿井煤岩界面节点式雷达快速动态探测系统并进行了煤岩界面探测实验研究,主要内容包括:①阐述矿井节点式雷达观测系统原理,根据矿井工作面实际环境设计煤岩界面识别观测系统方案及雷达传感单元安装方式;②研究并提出节点式采集控制系统和信息交互传输设计方案,实现数据动态采集控制及存储;③针对节点式采集方式及煤岩界面雷达反射回波特征,研究提出了节点探测数据增强处理方法、煤岩界面识别算法,可有效的实现煤岩界面智能识别与追踪、煤层厚度及空间坐标解算。为验证该方法的可行性,采用多个中心频率为1.5 GHz的探地雷达传感单元进行物理模型验证实验,并对节点式数据采集和连续数据采集结果进行了对比分析,实验结果表明:节点式采集方法与连续采集方法均可有效识别出煤岩界面,与连续采集方法相比,本文提出的节点式探测方法可实现数据的快速动态重复性采集,单次采集时长控制在10 s以内,煤层厚度探测结果平均误差为1.07 cm,最大误差为1.47 cm,平均误差百分比为7.64%。本方法为矿井智能化开采中煤岩界面的动态高精度探测提供技术支撑。

基于极限梯度提升和探地雷达时频特征的水泥路面脱空识别

针对探地雷达(GPR)数据解译依赖于人工经验,存在费时费力和主观偏差的问题,提出了基于极限梯度提升(XGBoost)和GPR时频特征的水泥路面脱空识别方法。采用正演模拟、室内试验和现场试验获得了脱空病害数据源,建立含有标签的脱空GPR数据集;通过重采样方法统一GPR数据采样频率,并对预处理后的GPR数据进行时频域特征提取,建立了包含18个时域和12个频域特征的数据集。以时频域特征为输入,是否存在脱空病害为输出,采用XGBoost算法构建脱空识别模型,并与随机森林(RF)和人工神经网络(ANN)算法进行对比。结果表明,模型的识别准确率排序为XGBoost(98.10%)>ANN(95.10%)>RF(93.17%),XGBoost模型识别精度最高,并能在实际路面上准确定位脱空区域。

探地雷达正演的间断伽辽金法影响因素分析

时域间断伽辽金(discontinuous Galerkin time-domain, DGTD)算法具有守恒性、稳定性、高精度性和间断性等优点,现已成为一种有效的探地雷达(Ground penetrating radar, GPR)正演方法.为了提高DGTD算法的计算效率和精度,作者详细分析了数值通量、时间离散格式、单元大小与局部基函数阶次、网格剖分方式等影响因素.数值实验表明,局部Lax-Friedrichs中τ=1/2的补偿数值通量既可以消除伪解,又可以提高计算精度;在精度相同的情况下,低存储显式Runge-Kutta方案(low-storage explicit Runge-Kutta, LSERK)的稳定性条件和低存储优势要明显优于其它两种时间离散格式,尤其是在大型复杂模型和三维正演模拟中更有优势.而提高基函数的阶次或增大网格数,均可以提高其误差的收敛性,局部基函数阶次N和单元大小d与电磁波波长λ的适用关系为d/N约等于λ/15;当单元数目大致相等时,网格剖分方式对于高阶DGTD算法的影响较小,说明DGTD算法对网格具有较好的适应性.最后,采用DGTD算法对火星乌托邦平原模型进行正演,验证了基于最优参数的DGTD算法模拟精度高,可为火星乌托邦平原GPR实测数据的解译奠定理论基础.

探地雷达对天体熔岩管探测技术类比研究

熔岩管是建立地外天体基地首选地之一。为验证探地雷达对地外天体熔岩管探测的可行性,使用400MHz探地雷达对海南海口石山火山群中的七十二洞和卧龙洞进行熔岩管探测技术类比研究。结果显示:管道上壁距离地面小于等于2m时,雷达可清晰显示上界面;当熔岩管上、下界面高度小于3m时,雷达图可观察到上、下分界面所在位置。使用遗传算法进行雷达数据反演,获得管壁介电常数,并与深度法和样品测量结果对比验证了该反演算法的可靠性。通过分析发现,样品孔隙度与介电常数存在关联性。探地雷达可有效测量地下熔岩管的内部空间信息,并用于未来月球基地建设的准备工作。

矿井探地雷达背景杂波抑制方法综述

随着中国煤炭安全高效智能开采需求的不断提升,矿井探地雷达(ground-penetrating radar, GPR)作为一种高精度物探方法,在煤矿井下探测中有广阔的应用前景。由于探地雷达目标回波信号受系统内部噪声、外部电磁干扰、巷道回波、地下介质不均匀等干扰影响,虚警率较高。尤其对于小尺寸目标,其回波信号为弱信号,容易淹没在强烈的背景杂波中,成为目前制约探地雷达探测性能的主要因素之一,进一步实现井下煤层、构造探测、提高探测精度的关键在于对背景杂波的抑制。从对消法、滤波法、分解法和网络法出发,综述这些杂波抑制方法的基本原理、优缺点及其在探地雷达干扰抑制领域的研究进展,并探讨各种方法的适用范围和发展潜力。杂波抑制技术的不断创新将进一步提高探地雷达的信噪比与灵敏度,使其在煤矿井下探测中发挥更大的应用价值。

高频探地雷达在古城墙修复效果评价中的应用

在长期环境污染、自然因素和人为因素的共同影响和作用下,明长城得胜堡墙体结构出现了裂隙、空鼓开裂、墙体基础掏蚀、酥碱、植物根系等病害。研究利用探地雷达技术分别对得胜堡三个代表性城墙区域进行检测,探地雷达剖面图显示修缮后的城墙体状况有明显的改观,特别是经过传统逐层夯筑法修缮后的古城墙体,每层夯筑层连续性好,无明显异常,清晰可获得均匀的夯筑层厚度为0.02 m,可有效防治裂隙、空鼓、毛细现象及动植物等病害。采用土坯砖垒砌法修缮的城墙虽然在一定程度上起到了保护的作用,但由于土坯砖间连接的不密实,容易为毛细水、自然降水、动植物等提供产生裂隙、空鼓、生物等病害的条件,对于城墙的长久保存效果仍不够理想。采用探地雷达可快速了解古城墙的保存现状和修复性能,适宜开展大面积古城墙调查。

基于探地雷达时频特征的水泥路面脱空识别

脱空病害在水泥路面中不可避免,危害路面结构安全性,迫切需要建立脱空病害区域的准确定位方法。采用探地雷达(GPR)为无损检测工具,通过GPR信号时频特征的提取和正反演实验构建了脱空病害的特征数据集,将特征集进行PCA降维,以PCA主元为输入、正常和脱空为输出分别建立SVM和ANN脱空识别模型;在获得脱空的GPR信号上提出窗口能量法判断脱空区域的深度,在实际路面上对脱空识别进行验证。结果表明:时频特征可表征脱空病害,包含病害的部分数据集更适合用于建模识别;ANN的识别准确度优于SVM,窗口能量法可有效定位脱空区域的深度,并对噪声具有一定的鲁棒性,在室内模型中定位精度平均误差1.51%。研究结果可为路面精准养护提供科学依据。

探地雷达在华阳一矿隐伏断层构造探测中的应用

断层构造破坏煤系地层、降低煤炭资源储量,采煤工作面通过断层,增加采煤成本,带来突水、瓦斯积聚风险,有必要在采煤工作面开展隐伏断层构造探测。目前,采煤工作面的主要物探方法有地震波法和电磁法两类,作为精细地质勘探方法,探地雷达技术可以在隐伏断层构造探测中发挥重要作用。本文针对华阳一矿地质特点分析了断层类型及其成因,采用有限时域差分法模拟了不同走向断层构造的探地雷达探测数据,分析了不同构造的数据特征,提出了基于电磁波反射路径的断层走向推断方法。通过100 MHz探地雷达对矿区内隐伏断层构造进行了探测,探测结果表明:通过结合目标反射波振幅、层位变化等信息,可以估计断层构造在回采区内的走向和范围,结合已揭露的倾角、落差等信息,为预先调整回采工作面提供依据。

探地雷达在堤防隐患无损检测中的应用研究

简要介绍绍探地雷达的工工作原理及数据据采集流程,在在崇州羊马河部分堤防段开开展实践,使用用加拿大pulse EKKKOPRO探地地雷达对羊马河河堤岸进行无损损探查,探讨利利用探地雷达探探测各类堤防隐隐患的设备选择择与参数设置,结合堤防材料料和地下介质的的地质雷达影像像特征,对地质质雷达影像进行行解译分析。根根据试验资料,总结应用探地雷达探查堤防防隐患工作中雷雷达波传播规律律、工作参数、资料分析方法法,为探地雷达达探测提供了科科学的依据。

探地雷达技术在挤压边墙混凝土脱空检测中的应用

挤压边墙作为面板与垫层料之间的过渡层,在面板混凝土施工之前,需要对挤压边墙与垫层料之间进行脱空检测。本文结合工程实例阐述了利用地质雷达技术对挤压边墙脱空检测的基本原理、图像特征、工作布置、参数选取等,并用开挖验证方式证明了地质雷达法在该领域的有效性与可靠性。

利用探地雷达测定东北黑土层厚度在坡面的空间变化

准确掌握黑土层厚度分布信息对于黑土资源评价和保护具有重要意义。然而,传统土层厚度测定方法包括土壤剖面法、插钎法和钻孔法等对于大范围的土壤厚度测定效率较低且连续性较差。本研究利用探地雷达探测了东北黑土区直型、凸型和凹型3种坡型坡面的黑土层厚度。室内模拟试验对黑土及黄土母质土壤分别设置不同的容重和含水量,探究土壤含水量和容重对土壤介电常数的影响以及探地雷达测定黑土厚度的可行性。野外试验通过开挖剖面和预埋标识物,验证了探地雷达测量黑土厚度的准确性。结果表明:土壤介电常数随容重的增大而增大,随土壤含水量的增加而减小;黑土和黄土母质层土壤含水量、容重和介电常数之间的关系可以用两个对数方程来描述,其精确度为95.26%~99.66%。探地雷达测量黑土厚度与剖面实测厚度相比,精确度为87.05%~95.58%。3个坡面的黑土厚度空间分布不同,且坡脚发生沉积处的黑土厚度较大,坡肩和坡背土壤侵蚀较严重处的黑土厚度较薄。本研究可为进一步探明和保护黑土资源提供一种高效、准确的土壤厚度调查方法。

探地雷达探测路床结构的正演模拟研究

土体的相对介电常数是表征土体介电特性和极化能力的重要参数。探地雷达发射的电磁波在道路各结构层的传播规律与层间介质的介电性质紧密相关。因此,从时域有限元法原理出发,利用正演模拟软件开展了针对路床层间电磁波回波特征的正演模拟研究。研究结果表明:面层的相对介电常数对探地雷达电磁波在路床层振幅衰减的影响较小;当路床层相对介电常数为20.0、24.0,面层相对介电常数由5.0增加至6.5时,路床层振幅衰减值分别增加了0.04、0.09 V/m;当路床层相对介电常数为20.0、22.0,基层相对介电常数由7.0增加至9.0时,路床层振幅衰减值分别减少了0.85、0.81 V/m;当基层相对介电常数为7.0、7.5、8.5,路床层相对介电常数由12.0增加至30.0时,路床层振幅衰减值分别增加了1.44、1.47、1.44 V/m。

基于探地雷达的隧道衬砌空洞检测方法

隧道衬砌内部空洞等病害检测已经成为隧道检修人员的主要工作之一。本文提出一种将探地雷达与深度学习相结合的隧道衬砌空洞检测方法,通过雷达探测和仿真模拟,得到大量衬砌雷达图像,并对图像进行标注和制作数据集。基于YOLOv5(You Only Look Once version 5)目标检测模型,结合数据集目标特征,提出一种检测衬砌空洞的算法,引入特征融合模块提高网络感受野,并采用K-means聚类算法提高检测准确率。通过现场检测,本文的检测方法准确率达到了97.7%,准确可靠,可在工程中进行应用。

三维探地雷达在道路检测中的研究与应用

近年来,城市建设的发展及地下空间的开发利用在为群众生活带来便利的同时,一定程度上也导致了城市道路病害的发生,道路塌陷事故频发促使需要对城市道路进行一次全面的体检。本文基于三维时域有限差分方法原理的GprMax,对地质雷达在充气型管道、方涵、空洞等的传播特性进行了数值模拟,初步建立了雷达图像的正演特征模型,并以三维探地雷达在天津地区的道路检测工作为例,对雷达数据体的图像特征进行分析,同时介绍了城市道路地下病害体检测中的相关经验和应用,为道路检测提供了技术方法和指导。