钻孔雷达辐射场正演问题的研究

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1、原创性声明本人声明: 所成交的硕士学位论文， 是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学 位 论 文 作 者 签 名 : 霭 卞 万 翅日期:2 0 0 3 年 5 月2 0日关于论文使用授权的说明本人同意学校有权保留并向国家有关部门送交学位论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。同意学校及国家有关机关有权公布论文的全部或部分内容，并采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文 作 者

2、 签 名 : 郭伙 日期:2 0 0 3 年 5 月2 0日指 导 教 师 签 名 : 式 I日期:2 0 0 3 年5 月2 5日提要钻孔雷达具有探测深、体积小、 分辨率高、 抗干扰、无损害等优点， 是目 前较 为主流的 地下探测方法。 钻孔雷达一般使用偶极天线， 所以 对偶极天线辐射场正反 演问题的研究是目前的当务之急， 它直接影响着对钻孔雷达资料的正确解释， 对进 一步研究钻孔雷达天线的有关特性及钻孔雷达的设计起着非常关键的作用。 另外天 线的特性对辐射场也有很大影响， 所以 对天线特性阻抗的分析和研究对辐射场的研 究也是极其重要的。本文对钻孔雷达进行了综述， 包括钻孔雷达的发展历程、

3、优点、工 作原理、 发 展现状等。 有耗介质的基本电磁参数对研究地下 电磁波的传播规律非常重要， 本文 在文献 4 1 的 基 础上， 对无限 均匀各向 异性介 质中的 波参数 神一 一 缩短系 数和各向 异 性系数进行了数值计算， 对其影响规律进行了较为详细的讨论。 另外， 对更一般的 情况， 即在钻孔倾斜或地质层面倾斜的 情况下， 无限 均匀各向同、 异性的电偶极子 辐射场进行了数值计算和讨论。 在实际情况下， 有很多 地质构造更接近于该地电 模 型。 文献 4 1 1 主要从介质的角度对偶极子场的 特性进行了 研究， 本文在此基础上着 重从天线的 特性方面对其影响进行较深入的 研究， 这

4、主要包括对跨孔雷达偶极天线 特性阻抗的 数值计算及分析。 在研究过程中， 涉及到复宗量贝塞尔函 数的 数值计算， 由于它对本文的结果影响较大， 且各种数学手册无虚宗量贝塞尔函数值可查， 所以 对其进行了 较为详细的 研究。为了 使程序具有更大的应用价值， 本文在文献 4 1 1 的 基 础上， 编制了 适宜于 任意阶复宗 量贝 塞尔函 数的 应用 程序， 并与 文献 4 1 1 进行了 对比， 结果 与文献 4 1 和 3 1 的 结果 完全吻合。 应用本文程序对跨孔雷达偶极天线 特性阻抗进行了数值计算，并对不同介质、 频率 情况下的影响规律做了详细分析， 以上研究均得到了较为满意的结果， 相

5、信这些结论会对偶极子场、 偶极天线场的反 演及偶极天线的设计提供一定的帮助和借鉴。吉林大学硕士学位论文绪论一、钻孔雷达发展历程地面雷达是一种高精度、 连续无损的检测手段， 它已 经广泛应用于1 : 程、 环境 领域的场地探测， 但其探测深度有限， 一般不超过6 0 m ， 钻孔雷达可以 通过钻孔直 接到达地下深部， 针对所关心的岩层进行研究， 从而探明地下深部的岩层特性。 国 外已有最大探测深度达 2 0 0 0 m钻孔雷达，并在许多深部S程领域得到应用，而我 国在这方面研究尚属空白。1 9 9 8 年 1 2 月， 我国首次利用钻孔雷 达， 运用钻孔层析成像技术探测地下深部 的 灰岩岩层 特

6、性， 填补了 国内 钻孔雷达层 析成像技术 研究的 空白 16 1从大量资料分析我们发现， 地面和钻孔雷达用于 地质构造填图， 水文地质调查， 地基和道路下空洞及裂缝调查， 埋设物探测， 水坝、 隧道、 堤岸、古墓遗迹探查等 是在 1 9 8 2 年至 1 9 8 7 年完成的，也就是说， 钻孔雷达用于实际探测的历史不过2 0 年， 而我国 在此领域的 研究历史则更短。目 前我国主要是引 进国 外的仪器， 从事钻 孔雷达的应用和理论研究。 二、钻孔雷达的优点钻孔雷达以 其独特的 优点占 据了 地质勘探领域的 主导 地位， 其优点主要表现在 以下几个方面: ( 1 ) 钻孔雷达是一种非破坏性的地

7、球物理探测技术， 可以安全地用 于城市 和正 在建设中的施工现场。 ( 2 ) 随着微电 子技术的日 新月异， 雷达设备逐渐 趋于轻便小型化，另外， 抗干扰能力强， 适宜于城市中各种噪声环境下_ 仁 作。( 3 ) 钻孔雷达可以 达到工程地质勘测方面较满意的探测深度， 适宜于 井间 层析成像并具 有较高的分辨率。 另外，一些设备还提供全数字化原始数据采集， 记录， 存储， 处 理， 二维坐标的实时剖面记录显示和图件，图 像清晰直观，工作效率极高。 三、钻孔雷达的缺点每一种物探方法都有其局限性.对于钻孔雷达主要表现在以 下儿个方面:( 1 ) 由于钻孔雷达采用了高频信号， 介质对信号的吸收较强，

8、 影响了它的探测范围， 对 于电阻率比 较大的介质便失去它的优势。 但天线变长导致偶极天线的 方向图 复杂， 图虽然简单， 但发射功率却受到影响。 探测手段， 但由于理论解释的相对滞后( 2 ) 理论上采用长 天线可以 增大发射功率， 不利于实测资料的分析。 而短天线的方向 ( 3 ) 科技的发展己 给我们提供了 相当 完各的 ， 使得很多探测资 料得不到正确、 及时、 合 理的 解释。 正因如此， 钻孔雷达图像的正确判读和解释始终是钻孔雷达1 二 作者的一 项较重要和复杂的工作。 四、钻孔雷达的现状在理论研究方面，目前仍相对焦中存对信县朴TM 卜 . 仗4田 , .E 3 1 . ; * 6

9、 K 1 3 d t r 的信号十分复杂。 脉冲在通过地下介质的 过程中， 由于 介质的 物性和儿何性质的不 均匀， 波形和波幅将发生较大的 变化， 而脉冲余振， 天线方向图， 天线的 地表祸合 程度，系统内部的干扰， 地下介质的不均匀， 反射面不光滑引起的辐射效率，散射 的变化以 及剖面旁侧的绕射等干扰， 均使实时记录图像复杂化。 针对这方面的研究， 包括雷达探测的正反演课题正在进行中。 五、研究目的及惫义钻孔雷达以 其独特的 优势必将成为地下勘探的热点， 为了更好地解释钻孔雷达吉林大学硕士学位论文的图像， 我们有必要加强钻孔雷达理论方面的研究， 包括雷达探测止反演问 题的研、研究内容本文对

10、钻孔雷达进行了 综述， 包括钻孔雷达的发展历程、 优点、 工作原理、 发究六展现状等。另 外， 对 传输线的 理论 和发 展现状进行了 概述。 在文献4 1 的 基 础上， 对更一般的 情况， 即 在钻孔倾斜或地质层面倾斜的情况下， 无限均匀各向同、 异性 的电偶极子辐射场进行了 数值计算和讨论。 在实际 情况下， 有很多地质构造更接近 于 该 地电 模型。 文 献 4 1 主 要 从 介 质的 角 度对 偶 极子 场的 特性 进行了 研 究， 本 文 在 此基础上着重从天线的特性方面 对其影响进行较深入的研究， 这主要包括对钻孔雷 达偶极天线特性阻抗的数值计算及分析。 在研究过程中， 涉及到

11、复宗量贝塞尔函数 的数值计算，为了 程序具有更大的 应用价值， 本文在文献 4 1 1 的基础上， 编制了 适 宜于任意阶复宗量贝塞尔函 数的 应用程序，并与文献 4 1 进行了对比，由于 它对本 文的结果影响较大， 且各种数学手册无虚宗量贝塞尔函数值可查， 所以 对其进行了 较为详细的 研究，结果也证实了 文献 4 1 结果的正确。 应用本文 程序程序对钻孔雷 达偶极天线特性阻抗进行了 数值计算， 以 上研究均得到了 较为满意的结果， 相信这 些结论会对偶极子场的反演及偶极天线的设计提供一定的帮助和借鉴。 七、实用价值本文对各向异性介质偶极子辐射场的数值计算的 研究以 及各向异性介质波参 数

12、的数值计算的研究目 前还没有文献系统介绍， 但这些内 容对进一步研究钻孔雷达 辐射场的 规律是必不可少的， 尤其是天线的 特性阻抗， 它在钻孔雷达的研究中是一 个非常重要的公式， 对其的深入研究有利于 对钻孔雷达辐射场的研究及钻孔雷达资 料的正确解释。同时， 本文的最大优点在于 编制了 大量具有实用价值的 应用程序， 这包括各向 异性介质中的 波参数、 倾斜钻孔情况下的 偶极子场、 任意阶复宗量贝塞 尔函数数值计算的应用程序等， 这些程序在钻孔雷达应用研究中经常会用到。 比如 在进行钻孔雷达偶极天线设 计中， 就涉及到天线阻抗的 计算， 而这一计算往往就要 涉及到复宗量贝塞尔函数的数值计算。虽

13、然这些工作属于钻孔雷达的基础研究工 作， 但这对进一步的研究工作是非常有意义的。 另外， 本文对各向异性偶极天线辐 射场的数值计算，揭示了许多有价值的辐射规律。关于钻孔雷达辐射场的正演研究目 前所见的文献并不多见， 尤其是国内， 这说 明 我国 在这一领域的 研究 还很薄弱。 本文在文献 4 1 的 基础上针对天线特性阻抗做 了 进一步 分析， 这是因为 文献 4 1 在整个研究 过程中 没有对天线的 特性阻 抗的 影响 规律做讨论， 且采用了 较特殊的地下介质参数， 而这一 特殊情况对于实际应用是有 相当差距的， 故本文对一般情况做了 讨论， 这对理论的实际应用起到一定的积极作 用。 总之，

14、 本文的研究工作是具有一定实用价值的， 这一点也是作者所期盼并为之 努力的。吉林大学硕士学位论文第一篇 钻孔雷达辐射场正演问题研究综述第一章 钻孔雷达应用研究概况互 1 . 1 钻孔雷达的发展历史【 1 1 2 5 1 4 2 1 4 1 5 1地面雷达是一种高 精度、 连续无损的 检测手段， 它已 经广泛应用于工 程、 环境 领域的 场地探测， 但其探9 111 深度有限， 一般不超过6 0 m ， 钻孔雷达可以 通过钻孔直 接到达地下深部， 针对所关心的岩层进行研究。 从而探明地下深部的岩层特性。国 外己 有最大探测深度达 2 0 0 0 m钻孔雷达，并在许多深部工程领域得到应用，而我 国

15、在这方面研究尚属空白。1 9 9 8 年1 2 月， 我国 首次利用钻孔雷达， 运用钻孔层析成像技术探测地下深部 的灰岩岩层特性， 填补了国内 钻孔雷达层析成像技术研究的空白 回 。从大量资料分析我们发现， 地面和钻孔雷达用于 地质构造填图， 水文地质调查， 地基和道路下空洞及裂缝调查， 埋设物探测， 水坝、 隧道、 堤岸、 古墓遗迹探查等 是在 1 9 8 2 年至 1 9 8 7 年完成的，也就是说， 钻孔雷达用于实际探测的历史不过2 0 年， 而我国 在此领域的 研究历史则更短。目 前我国主要是引 进国外的仪器， 从事钻 孔雷达的应用和理论研究。 而在这方面的 研究也主要集中于地面雷达，

16、 钻孔雷达的 应用和理论研究几乎是空白。妇. 2 钻孔，达的工作原理( 5 )钻孔雷达工作方式一般为单孔反射式和钻孔透射式。 其工作原理如卜 、单孔反射雷达工作原理来自面状反射体(挑到)佑喇来自点状体反射图 1 - 1 单孔反射测量原理单孔反射雷达工作原理见图 1 - 1 。 发射天线和接收天线同 在一个钻孔中并固定 间距沿钻孔上下移动，以固定间距触发，一般采用间隔为 0 . 5 - I m 。 钻孔地质雷达吉林大学硕士学位论文介质中的反射波形成雷达剖面， 通过异常体反射波的走时， 振幅 和相位特征来识别 目 标体， 判明 其位置， 岩性及几何形态。 从凡何形态来看， 地下异常体可概括为点 状体和面状体2 类， 前者如洞穴、 巷道等， 后者如裂隙、 层面、 矿脉等， 它们在雷 达图象上各有特征 图1 - 1 ) ，其中点状体反射呈现双曲线，面状体反射呈现 “ V “ 字型。异常体的位置可通过反射波的走时确定，岩性则可通过反射波振幅来判断。 二、钻孔留达层析成像工作原理钻孔雷达层析成像