双通道跨孔雷达CT原理与应用_蒋辉.pdf

2023 年第 38 卷 第2期2023，38(2):0814-0822地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P蒋辉，赵晓鹏，赵永贵 2023 双通道跨孔雷达 CT 原理与应用 地球物理学进展，38(2):0814-0822，doi:106038/pg2023GG0294JIANG Hui，ZHAO XiaoPeng，ZHAO YongGui2023 Principle and application of dual-channel cross-bore radar CT Progress in Geophysics(in Chinese)，38(2):0814-0822，doi:106038/pg2023GG0294双通道跨孔雷达 CT 原理与应用Principle and application of dual-channel cross-bore radar CT蒋辉1，赵晓鹏1*，赵永贵2JIANG Hui1，ZHAO XiaoPeng1*，ZHAO YongGui2收稿日期2022-08-23;修回日期2022-12-18投稿网址http:/www progeophys cn第一作者简介蒋辉，男，1973 年生，博士，工程物探专业高级工程师，主要从事物探方法研究与软件开发工作 E-mail:jianghui bjtdeg com*通讯作者赵晓鹏，女，1974 年生，工程物探专业高级工程师，主要从事地球科学信息化工作 E-mail:zhaoxp bjtdeg com1 北京同度工程物探技术有限公司，北京1021002 中国科学院地质与地球物理研究所，北京1000291 BeiJing TongDu Engineering Geophysics Technology Co，Ltd，Beijing 102100，China2 Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China摘要单通道雷达只记录接收信号，无法消除发射功率变化对幅值的影响，导致衰减 CT 的结果不可靠雷达走时读取存在系统误差，波速 CT 结果也不准确;针对上述问题开发出双通道跨孔雷达，同时记录发射信号和接收信号 通过两个信号的走时差计算波速CT，通过两个信号的幅值比计算衰减 CT，为 CT 结果的准确性提供了技术保障 选定 40 MHz 作为工作频率，对岩体的含水性具有较高的敏感度 应用双通道雷达在贵州地铁岩溶场地进行了跨孔 CT 勘查试验，并与地震波 CT 进行了对比 理论和实践证明，双通道雷达跨孔 CT 的结果更为可靠，在工程与资源勘查中具有广泛的应用前景关键词双通道雷达;跨孔 CT;衰减 CT;波速 CT;电磁波 CT中图分类号P631文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0294AbstractSingle-channel radar only takes the receivesignal It is not able accurately to determine the wavetravel time，and to eliminate the influence of powervariation by impedance of rocks from the calculation ofcross-hole CT It is difficulty to implement velocity CT andto give the reliability to attenuation CT Aiming at theaboveproblem，adual-channelcross-holeradarisdeveloped，which records both the transmitted signal andthe received signal at the same time，which guarantees theaccuracy of wave velocity CT and attenuation CT Based onthe research on the relationship of the radiation power，wave impedance，skin depth，velocity with the frequency，40 MHz is selected as the main working frequency for thisdual-channel cross-hole radarIt is sensitive to waterbearing quantities of rock mass The dual-channel cross-hole radar is applied to subway site Karst survey inGuizhou，and its results are compared with seismic wavecross-hole CT Theory and practice proved the accuracyand reliability of this machine，and It can be widelyapplied to engineering and resource explorationKeywordsDual-channelradar;Cross-holeCT;AttenuationCT;VelocityCT;Electromagneticwavetomography0引言孔中雷达方法的研究最早始于欧洲的核废料处理项目 瑞典 Mala 公司 1980 年代中期最早推出频率 1 MHz 的孔中雷达用于在花岗岩中寻找裂隙带(Olsson et al，1988)，之后更多的应用研究是在坝体安全评价(Carlsten et al，1995)和与场地及结构导水构造的研究方面(Olsson et al，1992;Sandberg2023，38(2)蒋辉，等:双通道跨孔雷达 CT 原理与应用(www progeophys cn)et al，1989)国内的跨孔雷达 CT 技术应用研究开始的较晚，进展较慢，在岩溶勘查工作中逐渐受到重视 这些研究最初使用无线电波法，如梁潮和黄鹤尤(2010)使用 5 25 MHz 频率，功率 10 W 的发射机研究坝基的岩溶，指导坝体的安全处理(梁潮和黄鹤尤，2010)MALA 雷达在中国的应用推动了跨孔雷达 CT 工作的开展 黄家会等(1999)使用 Mala 雷达配备 60 MHz 天线，在开滦矿务局范各庄煤矿开展波速 CT 和衰减 CT 研究，探测岩溶陷落柱(黄家会等，1999);姚先国(2013)用跨孔雷达 CT 在贵州高速公路开展岩溶勘查，完成了 8 个 CT 剖面(姚先国，2013)在方法研究方面，王飞(2014)在他的博士论文中详细地研究了波速 CT 和衰减 CT 的算法，特别是对走时读取和幅值读取提出了 3 种方法(王飞，2014);吴俊军等(2014)将全波形反演方法引用到跨孔雷达 CT 反演中，避免了走时和幅值读取(吴俊军等，2014)刘四新和倪建福(2020)对跨孔电磁波技术做过综述(刘四新和倪建福，2020)在工程物探领域，跨孔雷达 CT 的应用远不及地震波跨孔 CT 那样广泛 除了缺少设备的原因外，根本原因还在于跨孔雷达 CT 方法本身存在问题，其结果的可信度不高 跨孔雷达 CT 目前存在的主要问题可归结为如下 4 个方面:(1)衰减 CT 的结果不可靠钻孔中雷达天线的发射功率受介质的波阻抗的影响 国内外的跨孔雷达目前都是单通道的，只记录接收信号 在衰减 CT 计算中难以消除发射功率变化的影响，因此，衰减 CT 结果的可靠性存在问题(2)波速 CT 存在系统误差波速 CT 依赖于电磁波走时的测量 雷达信号的走时中包含触发和电缆中信号的延时，单通道雷达的走时读取中无法消除这个延时 信号走时读取的系统误差将传递到波速 CT 的结果中(3)探测距离短目前使用的 100 MHz 天线的跨孔雷达，其探测的孔间距不超过 15 m，在地下水丰富地区甚至不超过 10 m，这就大大地限制了它的应用范围 李华等(2010)在跨孔雷达 CT 研究中就指出，雷达的探测距离只有十几米，不能满足多数工程的需要(李华等，2010)，这是一个普遍的问题(4)存在虚假异常区目前的跨孔雷达 CT 观测，忽略了 adon 由投影重建图像理论的基本要求，即全方位的投影才能保证重建图像的可靠性 跨孔雷达数据采集的传统做法是仅在钻孔中移动发射与接收 这样的采集方式在剖面的上部和下部缺少交叉射线，与全方位投影的要求相差甚远 剖面的上部和下部的半圆弧的范围内存在虚假异常 在孔距与孔深接近的剖面内，上下虚假异常甚至覆盖了绝大部分图像区间，使结果失去客观性本篇文章针对跨孔雷达 CT 目前存在的上述问题，进行了长期认真地研究，自主地开发出了双通道跨孔雷达，同时记录发射信号和接收信号，为波速和衰减 CT 图像的可靠性提供了技术保障;通过加大发射功率增大了探测距离;为了避免虚假异常，提出了改进方案 通过在贵州地铁岩溶探测的实践，证明了双通道雷达技术的有效性1岩土介质中电磁波传播的基本特性地球表面的岩土介质是具有一定的电导率和电容率(介电常数)的导电介质 在无限均匀导电媒质中电磁波的传播满足麦克斯维尔方程(1)(Guru andHiziroglu，2004)，其电场解的形式如式(2):2E=Et+2Et2，(1)E(r，t)=Eirerej(t rv)，(2)=1secsin(/2)v=1seccos(/2)，(3)式中 E 为电场强度，Ei为初始值;为磁导率，为电导率，为电容率，为角频率，为趋肤深度，v 为电磁波速，为损耗角波动方程(1)是岩体内电磁波传播中电荷的守恒方程 式(1)的左端是单位时间体积内电荷密度的变化率;右端第一项是传导电流的时间变化率，第二项是位移电流的时间变化率 其物理含义是电磁波传播过程中单位体积内电荷密度的变化等于传导电流和位移电流的时间变化率的之合波动方程的解(式(2)给出一个包含几何扩散和介质耗损衰减的波动场 其中波速、趋肤深度和频率是影响传播特性的 3 个重要参量岩体中传导电流的大小与介质的电导率成正比，它的相位与电压相同，传播中生热引起能量损耗 位移电流与电容率和频率的乘积成正比，相位落后电压/2，传播中没有损耗 传导电流、位移电流和电518地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)场电压的关系，可以用复平面表达成图 1，图中:Jd=jE，Jc=E，J=(j)E，p=tan，(4)式中 p 为介质损耗比，定义为传导电流与位移电流的比值，是决定岩土介质电磁波传播特性的最重要的物理量工程实践中遇到的岩石种类繁多，但干燥岩石的电导率分布在 104103S/m 的范围内，其代表值可取 3.3 104 电容率(相对介电常数)在 2 9的范围内，代表值取 6;岩体含水后电导率有两个数量级的增大，代表值取 3.3 102;电容率有数倍的增加，变化在 20 40 之间，代表值取 30 根据这些岩土介质的典型代表值，可计算出 p 值随频率的变化，将 p=1 对应的频率称为岩体的特征频率 干燥岩体和含水岩体的损耗比 p 随频率的变化表达在双对数坐标图 2 中 结果显示，干燥岩体的特征频率为1 MHz，含水岩体的特征频率为 20 MHz 以 p 值为指标，岩土介质电磁波的传播特性划分为 3 种类型:第 1 类，损耗比 p1，岩土的特性表现为良导体 实际应用中取 p10，对应频段 f100 kHz，即为低频段 此频段内电磁场不以波动方式传播，而是以扩散场的方式传播 电磁波速 v、趋肤深