第二講 國內(nèi)外地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展狀況

第二講國內(nèi)外地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展狀況第二講國內(nèi)外地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展狀況第二講國內(nèi)外地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展狀況xxx公司第二講國內(nèi)外地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展狀況文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設(shè)計，管理制度第二講國內(nèi)外地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展狀況（歷史與現(xiàn)狀）探地雷達的歷史最早可追溯到20世紀初，1904年，德國人Hulsmeyer首次將電磁波信號應(yīng)用與地下金屬體的探測。1910年Leimback和Lowy以專利形式在1910年的專利，他們用埋設(shè)在一組鉆孔里的偶極子天線探測地下相對高的導電性質(zhì)的區(qū)域，并正式提出了探地雷達的概念。1926年Hulsenbeck第一個提出應(yīng)用脈沖技術(shù)確定地下結(jié)構(gòu)的思路，指出只要介電常數(shù)發(fā)生變化就會在交界面會產(chǎn)生電磁波反射，而且該方法易于實現(xiàn)，優(yōu)于地震方法[1,2]。但由于地下介質(zhì)具有比空氣強得多的電磁衰減特性，加之地下介質(zhì)情況的多樣性，電磁波在地下的傳播比空氣中復(fù)雜的多，使得探地雷達技術(shù)和應(yīng)用受到了很多的限制，初期的探測僅限于對波吸收很弱的冰層厚度（1951，，1963，）和巖石和煤礦的調(diào)查（）等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，直到70探地雷達技術(shù)才重新得到人們的重視，同時美國阿波羅月球表面探測實驗的需要，更加速了對探地雷達技術(shù)的發(fā)展，其發(fā)展過程大體可分為三個階段：第一階段，稱為試驗階段，從20世紀70年代初期到70年代中期，在此期間美國，日本、加拿大等國都在大力研究，英國、德國也相繼發(fā)表了論文和研究報告，首家生產(chǎn)和銷售商用GPR的公司問世，即RexMorey和ArtDrake成立的美國地球物理測量系統(tǒng)公司（GSSI），日本電器設(shè)備大學也研制出小功率的基帶脈沖雷達系統(tǒng)。此期間探地雷達的進展主要表現(xiàn)在，人們對地表附近偶極天線的輻射場以及電磁波與各種地質(zhì)材料相互作用的關(guān)系有了深刻的認識，但這些設(shè)備的探測精度、地下雜亂回波中目標體的識別、分別率等方面依然存在許多問題。第二階段，也稱為實用化階段，從20世紀70年代中后其到80年代，在次期間技術(shù)不段發(fā)展，美國、日本、加拿大等國相繼推出定型的探地雷達系統(tǒng)，在國際市場，主要有美國的地球物理探測設(shè)備公司（GSSI）的SIR系統(tǒng)，日本應(yīng)用地質(zhì)株式社會（OYO）的YL－R2地質(zhì)雷達，英國的煤氣公司的GP管道公司雷達，在70年代末，加拿大A－Cube公司的Annan和Davis等人于1998年創(chuàng)建了探頭及軟件公司（SSI），針對SIR系統(tǒng)的局限性以及野外實際探測的具體要求，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和探測方式上做了重大的改進，大膽采用了微型計算機控制、數(shù)字信號處理以及光纜傳輸高新技術(shù)，發(fā)展成了EKKOGroundPenetratingRadar系列產(chǎn)品，簡稱EKKOGPR系列。瑞典地質(zhì)公司（SGAB）也生產(chǎn)出RAMAC鉆孔雷達系統(tǒng)，此外，英國ERA公司、SPPSCAN公司，意大利IDS公司、瑞典及丹麥也都在生產(chǎn)和研制各種不同型號的雷達。80年代全數(shù)字化的GPR問世，具有劃時代的意義，數(shù)字化GPR不僅提供了大量數(shù)據(jù)存儲的解決方案，增強了實時和現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理的能力，為數(shù)據(jù)的深層次后處理帶來方便，更重要的是GPR因此顯露出更大的潛力，應(yīng)用領(lǐng)域得以向縱身拓展。第三階段，從上個世紀80年代至今，可稱為完善和提高階段。在此期間，GPR技術(shù)突飛猛進，更多的國家開始關(guān)注探地雷達技術(shù)，出現(xiàn)了很多探地雷達的研究機構(gòu)，如荷蘭的應(yīng)用科學研究組織和代爾夫大學，法國_德國的Saint-Louis研究所（ISL），英國的DERA，瑞典的FOA，娜威科技大學和地質(zhì)研究所，比利時的RMA，南非的開普敦大學，澳大利亞昆士蘭大學，美國的林肯實驗室和LawrenceLivermore國家實驗室以及日本的一些研究機構(gòu)等等。同時，探地雷達也得到了地球物理和電子工程界的更多關(guān)注，對天線的改進、信號的處理、地下目標的成像等方面提出了許多新的見解。GSSI公司在商業(yè)上取得了極大的成功，并在1990年被OYO公司收購，PulseRadar公司、Panetradar公司以及加拿大的SSI公司也在此時迅速發(fā)展壯大。進入21世紀以后，探地雷達逐漸的象更多的領(lǐng)域拓展，在礦產(chǎn)調(diào)查、考古、地質(zhì)勘探、鐵路、公路、水文、農(nóng)業(yè)、環(huán)境工程、土木工程、市政設(shè)施維護以及刑事勘察等各領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，用以解決地質(zhì)構(gòu)造、場地勘察、線路選擇、工程質(zhì)量檢測、病害診斷、超前預(yù)報、垃圾填埋場環(huán)境污染研究等問題。我國探地雷達的研制工作起步較晚，于上個世紀70年代中期，由煤炭科學研究總院重慶分院高克德教授為首的探地雷達專題小組，針對煤礦生產(chǎn)特點研制開發(fā)出了一套探地雷達系列產(chǎn)品——KDL系列礦井防爆雷達儀，開創(chuàng)了我國自主研制地質(zhì)雷達的先河。直到80年代末90年代初，隨著國內(nèi)探地雷達儀器研制水平的提高及國外先進的儀器引進，國內(nèi)不少高校和科研單位開展過地下目標探測方面的工作，其中電子科技大學、西安交通大學、二十二所、五十所、長春物理所、北京遙感設(shè)備研究所、北京理工大學、清華大學、西南交通大學、北京愛迪爾公司等單位先后研制過探地雷達試驗系統(tǒng)，并在其中某些技術(shù)上取得一些成果。90年代末和本世紀初，中國礦業(yè)大學（北京）彭蘇萍教授根據(jù)國內(nèi)煤炭發(fā)展需要，成立儀器項目開發(fā)項目組，開始著手地質(zhì)雷達的研制與開發(fā)，并于2004年開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地質(zhì)雷達產(chǎn)品。近幾年來，探地雷達在硬件方面的發(fā)展已趨于平穩(wěn)，儀器生產(chǎn)廠家把重點放在了數(shù)據(jù)采集速率和信噪比的提高，以及數(shù)據(jù)處理和解釋軟件的智能化方面。探地雷達信號處理與解釋的發(fā)展現(xiàn)狀雷達波在地下的傳播過程十分復(fù)雜，各種噪聲和雜波的干擾非常嚴重，正確識別各種雜波和噪聲，提取有用信息是探地雷達記錄解釋的重要環(huán)節(jié)，關(guān)鍵技術(shù)是對雷達記錄進行各種數(shù)據(jù)處理。由于電磁波在地下的傳播形式與地震波十分相似，而且探地雷達數(shù)據(jù)剖面也類似于反射地震數(shù)據(jù)剖面，因此反射地震數(shù)據(jù)處理的許多有效技術(shù)均可用于探地雷達數(shù)據(jù)處理，但由于雷達波和地震波存在著動力學差異如強衰減性，所以單一地移植、借鑒地震資料處理技術(shù)是不夠的，文獻[20]對反射地震與探地雷達進行了詳細的比較，指出雷達波在濕的地層中衰減比在干的情況下要大，而地震波卻恰好相反，探地雷達的穿透深度比地震波要淺得多。雷達信號常規(guī)的處理方法主要有：多次疊加來壓制隨即噪聲；單道測量記錄減去各道平均值來壓制相干噪聲；時變增益來校正由波前擴展及介質(zhì)吸收引起的信號損失；低頻、高通、帶通等頻率域濾波消除不必要的干擾頻率；反褶積處理把雷達記錄變成反射系數(shù)序列以達到消除大地干擾、分辨薄層的目的；偏移處理則是把雷達記錄中的每個反射點移到其本來位置，從而獲得反映地下介質(zhì)的真實圖像，偏移處理對消除直立體的繞射、散射產(chǎn)生的相干干擾能起到很大的作用。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，又產(chǎn)生了許多新的雷達信號處理方法，如利用小波變換的調(diào)焦功能和頻域－時域雙重局部性來壓制噪聲；將小波和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合實現(xiàn)雷達信號去噪目的；根據(jù)雷達有效信號和干擾信號在視速度上的差異，在頻率－波數(shù)域上進行二維濾波達到去噪目的；通過分形技術(shù)、Hilbert變換等方法來提取雷達波的有效信息來提高分辨率；利用水平預(yù)測技術(shù)實現(xiàn)雷達信號水平噪聲的干擾；利用雷達信號的統(tǒng)計學特征來實現(xiàn)去噪的目的等等。總之，雷達信號處理的方法類型很多，不同的方法用在不同的實際情況又不同的應(yīng)用效果。探地雷達解釋模型主要包括正演模型和反演模型。在數(shù)值模擬正演技術(shù)方面，眾多的研究成果在上世紀九十年代得到詳盡地報道。其中有代表性的文獻有：BurkeandMiller(1984)和Turner(1994)分別采用磁矩法模擬了半空間的線狀物體的響應(yīng)和在地球表面不同高度上偶極天線的近區(qū)和遠區(qū)場特征和天線輸入阻抗隨大地電學性質(zhì)的變化。CarcioneJ.M.(1996，1998)闡述了有耗各向異性介質(zhì)中探地雷達波理論和二維TM及TE模式波場的數(shù)值模擬技術(shù)，以及雷達天線的輻射模式研究。Cai(1995)應(yīng)用射線追蹤法進行了二維介質(zhì)中雷達波的傳播與模擬研究。隨著計算電磁學技術(shù)的發(fā)展，時間域有限差分法成為探地雷達模擬計算的首選方法。在此后一段時間內(nèi)，發(fā)表了大量文章描述該技術(shù)在探地雷達天線輻射正演模擬方面的應(yīng)用。其中典型代表作有：Maloneyetal.,(1990),TirkasandBalanis(1992),Roberts,R.L.和Daniels,J.J.(1997)等等。我國學者在這方面也進行許多探索，沈飚等于1997年以實際發(fā)射的脈沖子波為基礎(chǔ)，利用正演模擬技術(shù)，模擬了雷達波在層狀鋪墊介質(zhì)中的反射曲線，分析、解釋了與之對應(yīng)的公路路面下的鋪墊結(jié)構(gòu)。西安電子科技大學的詹毅利用FDTD方法研究了脈沖探地雷達在有耗、色散、不均勻土壤中的應(yīng)用；何兵壽、岳建華、鄧世坤、馮德山等也利用FDTD方法對探地雷達進行了數(shù)值模擬研究不同地電模型雷達波德響應(yīng)特征，F(xiàn)DTD方法的應(yīng)用使探地雷達的理論研究達到了一個新的高峰。在反演方面，德國Makky等人提出了一種改進的反演模型，并用測試數(shù)據(jù)成功地反演出埋藏在混凝土中鋼筋的圖像。文海玉采用全局優(yōu)化反演算法，毅探地雷達資料的觀測數(shù)據(jù)與正演合成數(shù)據(jù)之差的平方合作為目標函數(shù)，反演除地下介質(zhì)的參數(shù)；王兆磊利用地質(zhì)雷達二維數(shù)據(jù)資料反演了地下介質(zhì)的參數(shù)；但總體說來與實際應(yīng)用相差較遠，因而目前能用于探地雷達數(shù)據(jù)解釋或反演的成果并不多見。國外地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展狀況國外地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展概況美國的地質(zhì)雷達技術(shù)美國有三個地質(zhì)雷達廠家，GSSI是規(guī)模較大的一家（勞累代理），此外有PLUSRODAR（鄭州大學張培代理）和PENETRADAR（歐美大地代理）。GSSI公司成立與1970年，1990年加入OYO集團，推出SIR-10型雷達，銷售了150套，1994年推出SIR-2型雷達，4個月內(nèi)銷售25套。上世紀末本世紀初推出了SIR2000,最近網(wǎng)上又推出SIR3000。美國PLUSRODAR公司的PLUSRODARⅤ型路用雷達，采用空氣耦合雙及型天線，有250MHz，500MHz，1GHz，2GHz多種型號。同時可安裝4個不同頻率的天線，測量速度可達110km/h。美國PENETRADAR公司創(chuàng)建于1974年，一直從事高精度路面雷達系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，該公司的IRIS/IRIS-L型路面雷達已作為美國路橋檢測的工業(yè)標準。在中國有十幾家用戶。英國ERA公司SPRSCAN雷達英國有有兩家雷達生產(chǎn)商，分別是ERA公司和SEARCHWELL公司。目前對于他們產(chǎn)品的詳情了解甚少。意大利IDS公司RIS-2K/MF雷達意大利意銳（IDS）公司生產(chǎn)的RIS-2K/MF雷達（北京博態(tài)克公司代理），多通道雷達。IDS公司具有多年國防及衛(wèi)星雷達經(jīng)驗，民用始于于20年前，意大利電信在安裝前光纖前需探測地下目標，提出了及其嚴格的要求，IDS公司為此研制出RIS-2K/MF雷達系統(tǒng)。目前配置的天線的頻率有80，100，150，20，400，600，1200，1600MHZ。加拿大EKKOⅣ天線輸入電壓400V，光纖1000V，重復(fù)頻率30KHZ。瑞典及丹麥的雷達瑞典在生產(chǎn)地質(zhì)雷達較早，上世紀80年代中期，ABEM公司就生產(chǎn)井下透射雷達，到現(xiàn)在工程探測及檢測雷達及各類天齊全。瑞典的MALAGEOSCIENCE公司，丹麥的依可-丹公司，也都生產(chǎn)談地雷達。加拿大探頭與軟件公司PLUSE-EKKO雷達加拿大的Sensors&Software公司生產(chǎn)的PulseEKKO系列地質(zhì)雷達在上世紀初就進入了中國(雷迪公司代理)，早期產(chǎn)品為PulseEKKOⅣ，接著有功能改進的PulseEKKO100。該儀器的特點是接收與數(shù)字采樣都放在天線中，通用光纖與筆記本電腦通訊，筆記本電腦作為記錄器，抗干擾性強。但聯(lián)線太多，野外使用不太方便。日本OYO雷達日本的OYO生產(chǎn)地質(zhì)雷達較早，上世紀80年代末就有產(chǎn)品進入我國，進入90年代后它將地質(zhì)雷達的生產(chǎn)轉(zhuǎn)給了GSSI。國內(nèi)的地質(zhì)雷達技術(shù)發(fā)展國內(nèi)在上世紀80年代就開始地質(zhì)雷達的研究工作，主要是為了煤礦安全，重慶煤研所在和多煤礦進行了試驗，采用模擬信號、屏幕顯示技術(shù)，不是數(shù)字雷達。90年代初外國雷達進入中國后，電子部22所和航天部愛迪爾公司也先后開始數(shù)字化雷達的研制，分別推出了自己的產(chǎn)品。90年代末和本世紀初驕鵬公司與礦大研究生院也分別研制出自己的產(chǎn)品。愛迪爾道路雷達愛迪爾公司推出的CIDRC道路檢測雷達，天線中心頻率750MHz、1000MHZ、2000MHz,并配有層位追蹤軟件，適合公路路面測量。后有開發(fā)出CBS-900探地雷達一體化機，配有高頻、中頻和低頻天線，10MHz—2GHz系列。用于混凝土結(jié)構(gòu)、路面、工程場地等各種測量。電子部青島22所LTD-3型探地雷達上世紀90年代中期，電子部青島22所原在河南新鄉(xiāng)時就研制出LTD