Radar de penetración terrestre
Hace ya 90 años, los países extranjeros utilizaban esta tecnología para detectar objetivos invisibles. Sin embargo, no fue hasta la década de 1970 que la American Geophysical Exploration Equipment Company (GSSI) desarrolló con éxito el radar de penetración terrestre SIR. serie por primera vez, y se han logrado varios resultados prácticos. La tecnología de radar de penetración terrestre ha logrado grandes avances en los últimos 20 años debido a su poca profundidad, alta resolución y otras características incomparables de otros métodos geofísicos. Los instrumentos se actualizan constantemente, los métodos de recopilación, procesamiento, visualización e interpretación de datos se innovan constantemente y los campos de aplicación se amplían constantemente. En la actualidad, la tecnología de radar de penetración terrestre se ha convertido en una tecnología importante en los estudios geológicos.
1. Introducción a los principios básicos
La tecnología de radar de penetración terrestre es una tecnología electromagnética de alta frecuencia (10 ~ 1000 MHz). Sin embargo, funciona de manera muy parecida a un terremoto. Las señales de pulsos cortos se transmiten al cuerpo geológico a través de la antena GPR. La propagación de señales en cuerpos geológicos depende principalmente de las propiedades eléctricas de los materiales geológicos. Cuando esta propiedad eléctrica cambia, las señales GPR se reflejan y refractan. Se utilizan receptores colocados en las ubicaciones correspondientes para recibir la señal, que se amplifica, digitaliza y muestra para proporcionar los datos e imágenes necesarios para su interpretación. Además del conocido modo de trabajo de reflexión, el radar de penetración terrestre también tiene varios modos de trabajo, como punto central, reflexión de gran angular, refracción y transmisión. Se pueden utilizar varios métodos para detectar la velocidad de propagación y la atenuación de energía de las señales subterráneas. Los principales factores que afectan la profundidad de detección del radar de penetración terrestre son el rendimiento del sistema de radar (como la frecuencia y la energía) y las características físicas del material detectado.
En segundo lugar, el desarrollo de instrumentos
1. Importantes avances en el extranjero
(1) A mediados de la década de 1970, la serie de radares de penetración terrestre SIR de GSSI representaba uno de los primeros sistemas de instrumentos comerciales. La empresa japonesa OYO lanzó la serie GeoRadar Microwave Company lanzó la serie de radares de penetración terrestre MK. A mediados de la década de 1980, A-Cubed colaboró con el Servicio Geológico de Canadá (GSC) para lanzar el radar digital de pulsos de alto rendimiento EKKO. Las empresas geológicas suecas y las empresas japonesas también han desarrollado una serie de radares de perspectiva dentro del pozo que se pueden utilizar para mediciones transversales.
(2) Desde la década de 1990, los instrumentos de radar de penetración terrestre han experimentado nuevos desarrollos, incluidos sistemas de radar multiestado y sistemas de radar de imágenes tomográficas. La tecnología de radar tridimensional puede mejorar significativamente la capacidad de resolver problemas geológicos poco profundos, pero requiere mucho tiempo y mano de obra y no se utiliza ampliamente. Por lo tanto, Frank Lehman et al. desarrollaron un sistema de teodolito láser totalmente automático para georadar combinado. Con este sistema, una persona puede completar la recopilación de datos tridimensionales dentro de un rango de 25 x 25 m en 2 horas. La precisión de posicionamiento en tres direcciones es de 2,5 cm y el procesamiento de datos y el mapeo se pueden completar en 1 hora, lo que es de 5 a 10 veces más eficiente que los métodos tradicionales.
(3) Los instrumentos portátiles, resistentes y versátiles son uno de los objetivos que persiguen los fabricantes y usuarios de instrumentos. Para lograr este objetivo, SSI Canadá introdujo los instrumentos GPR NogGin 250 y 500 en 1998 y 1999 respectivamente, que comprimieron todas las capacidades de radar del sistema Pulse EKKO de la compañía en una simple caja de instrumentos portátil NogGin. Sin embargo, este instrumento no es sólo una simple compresión del instrumento original, sino también una mejora de los principios básicos de diseño. Al combinar NogGin con el software "SPIView" desarrollado por la empresa, los usuarios pueden ver datos e imágenes en mapas de volumen ilimitado con operaciones sencillas.
2. Progreso interno
En la década de 1990, China introdujo una serie de instrumentos de radar geológico y los utilizó para estudios geológicos de desastres y de ingeniería. En los últimos años, el desarrollo de instrumentos de radar geológicos nacionales ha logrado grandes avances. El Instituto de Exploración Geofísica de la sucursal de Xi'an del Instituto de Investigación Científica del Carbón ha desarrollado con éxito el radar minero a prueba de explosiones de la serie DVL que cumple con los requisitos a prueba de explosiones de las minas. LT-1, 2, 3 GPR ha sido investigado con éxito por el 22º Instituto de Investigación del antiguo Ministerio de Industria Electrónica. La empresa del grupo de la industria aeroespacial Adil International Exploration Technology Co., Ltd. ha lanzado una serie de productos comerciales de radar de penetración terrestre. Varios tipos de instrumentos de radar de penetración terrestre producidos en el país y en el extranjero generalmente tienen un buen rendimiento y pueden usarse para diferentes objetivos de detección.
En tercer lugar, el progreso en la tecnología de recopilación, procesamiento y visualización de datos
(1) A principios de la década de 1990, los datos de los radares de penetración terrestre pasaron de la recopilación de un solo punto a la recopilación continua, lo que hizo que el terreno -radar de penetración La aplicación de la tecnología ha dado un gran paso adelante.
(2) El método de procesamiento de datos sísmicos es básicamente adecuado para el procesamiento de datos de radar de penetración terrestre. Para introducir mejor la tecnología avanzada de sísmica petrolera en el campo de los radares de penetración terrestre, algunas empresas han cooperado. Por ejemplo, después de 1990, la empresa SSI celebró un acuerdo con SISL. SSI Company diseñó el sistema de radar de penetración terrestre EKKO de pulso basado en el formato de salida de datos sísmicos y utilizó el software de procesamiento de datos sísmicos desarrollado por SISL Company para procesar los datos del radar de penetración terrestre. Este software incluye varios filtros, deconvolución y visualización de datos.
(3) En los últimos años, expertos nacionales y extranjeros han estudiado varios métodos de simulación. Por ejemplo, Hao-Chen Wei et al. utilizaron el método numérico de diferencias finitas de la cuadrícula cruzada en el dominio del tiempo para estudiar, probar y complementar la simulación de la propagación numérica de ondas de radar de penetración terrestre en medios bidimensionales. Han surgido algunos métodos de atenuación de la tomografía utilizando la energía de señales de radar que penetran el suelo, como la tomografía de atenuación de ondas electromagnéticas utilizando el método de deriva de frecuencia, la tomografía de atenuación de radar utilizando el desplazamiento de frecuencia del centro de masa, etc.
(4) Según la divulgación de SSI a finales de 1998, la compañía está a punto de lanzar un software mejorado: el software EKKO 3D 2. Al utilizar el software 3D Tipo 2, los usuarios pueden experimentar con el siguiente procesamiento combinado de diferentes software en condiciones convenientes para mejorar las características tridimensionales de los datos. El software 3D incluye eliminación de rebotes, filtrado de ruido, limpieza de fondo, envolventes y compensaciones. En términos de visualización de datos, algunos académicos han propuesto aplicar la tecnología de cuatro dimensiones de la industria petrolera a los datos de radar de penetración terrestre recopilados en el dominio temporal y espacial, haciendo posible crear imágenes cinematográficas de fluidos (como columnas de contaminantes). extendiéndose bajo tierra.
(5) Los datos obtenidos mediante el método de transmisión deben procesarse antes de que puedan mostrarse como datos necesarios para la interpretación. En 1997, SSI Corporation desarrolló un software que podría usarse para convertir datos de transmisión GPR en imágenes que podrían usarse para interpretar las imágenes. Los pasos de implementación incluyen: edición y clasificación de datos originales, recopilación, procesamiento de datos utilizando el software de tomografía sísmica de la Oficina de Minas de EE. UU., dibujo de diagramas de velocidad, atenuación y dispersión, y procesamiento de imágenes.
(6) En respuesta a la investigación de aplicaciones actuales sobre la tecnología de radar de penetración terrestre, que solo enfatiza las pruebas de capacidad de detección y la investigación de simulación digital, y la investigación insuficiente sobre la interpretación de datos de radar de penetración terrestre, Lei propuso el radar de penetración terrestre. Interpretación de datos Teorías y métodos básicos relevantes, así como soluciones a algunos problemas básicos. Las cuestiones básicas planteadas incluyen la impedancia de las ondas electromagnéticas que se propagan en la formación; los coeficientes de reflexión y transmisión de la intensidad del campo de las ondas electromagnéticas en la interfaz de la formación, la fase de las ondas reflejadas y la profundidad de detección; radar de penetración terrestre, etc.
4. Aplicaciones y ejemplos de investigación de aplicaciones
Después de años de desarrollo, se ha demostrado que la tecnología de radar de penetración terrestre tiene muchos usos. Las publicaciones nacionales describen algunas aplicaciones comunes. Estas aplicaciones incluyen: en hidrogeología, se puede utilizar para investigar entornos subterráneos poco profundos, detectar superficies de suelo y lecho rocoso y determinar juntas, fisuras y lechos de lecho rocoso; en estudios geológicos de ingeniería, se puede utilizar para investigar entierros subterráneos, evaluar túneles, karst, construir cimientos, detectar carreteras, puentes, presas y realizar pruebas no destructivas de calidad; puede usarse para detectar deslizamientos de tierra, cuevas ocultas y con fines arqueológicos en exploraciones geológicas peligrosas; Este artículo presenta brevemente los ejemplos de aplicación del radar geológico en la contaminación ambiental geológica, la agricultura y el ejército.
1. Investigación de la contaminación del entorno geológico
(1) Se construyeron fábricas de nitrocelulosa en zonas de piedra caliza y el entorno geológico quedó contaminado con nitrocelulosa debido a fugas de aguas residuales. Para detectar nitrocelulosa que pueda quedar atrapada en estructuras kársticas desde la superficie hasta el nivel freático (aproximadamente 60 m), se llevaron a cabo sondeos por radar en 18 pozos de 30 m de profundidad y 7 pozos de 50 m de profundidad. Después del procesamiento rutinario de los datos recopilados, se utilizó el método de superposición de Huygens-Kirchhoff (HK) para dibujar mapas de radar tridimensionales. En la imagen reconstruida a una profundidad de 10 m, podemos ver varios lugares contaminados por nitrocelulosa. Durante las excavaciones posteriores se confirmaron los resultados de la detección del radar de penetración terrestre.
(2) Ensayo para la detección de contaminantes de hidrocarburos. Años de trabajo de campo y experimentos han demostrado que los radares de penetración terrestre tienen la capacidad de investigar la contaminación ambiental geológica. Expertos extranjeros realizaron experimentos detallados en una caja de 1m×0,4m×0,5m en un intento de verificar una vez más la capacidad del radar de penetración terrestre para detectar contaminación, y utilizaron modelos relevantes para explicar la relación entre la respuesta del radar y algunos parámetros hidrológicos.
A través de experimentos y procesamiento e interpretación de datos de radar de penetración terrestre, se concluye que cuando los contaminantes alcanzan la saturación, el radar de penetración terrestre no puede detectar el nivel del agua subterránea, cuando el nivel del agua subterránea se puede detectar en áreas no contaminadas cercanas, se puede utilizar el radar de penetración terrestre. nivel freático para contaminantes. Los experimentos a pequeña escala pueden ayudar a detectar o verificar parámetros hidrogeológicos de las arenas, como las cabezas capilares y la velocidad de propagación de las columnas de contaminantes. El radar de penetración terrestre puede detectar con éxito la contaminación por petróleo.
2. Aplicaciones agrícolas
(1) Las dunas de arena y los mantos de arena en los desiertos son buenos reservorios de agua de lluvia y pueden usarse como fuentes de agua para riego. Se utilizó un radar de penetración terrestre para la detección en las zonas desérticas del este de Arabia Saudita. Los resultados de la detección han dibujado la interfaz entre las capas de sal superior e inferior, el lecho cruzado y la zona húmeda en la duna y también señalaron que la duna del domo puede ser el resultado de la evolución de la duna de barchan; Los hallazgos en otro sitio desértico apuntan a dos posibles formas en que el flujo de agua se propaga en las dunas.
(2) Pruebe el contenido de humedad del suelo. El contenido de agua en el suelo natural es el principal factor que afecta el cambio de la constante dieléctrica. A. Chanzy et al. utilizaron pruebas de radar de penetración terrestre y aéreas para demostrar una fuerte conexión entre los datos de medición del radar de penetración terrestre y el contenido de humedad del suelo. La tecnología de radar de penetración terrestre se puede utilizar para detectar el contenido de agua en el suelo.
(3) La producción agrícola moderna se está formando en los Estados Unidos, y la tecnología de radar de penetración terrestre se utiliza para detectar capas de suelo, agua estancada superior, suelo quebradizo, canales de flujo de prioridad hidrológica, suelo compactado, etc. en sitios agrícolas especiales relacionados con la información del suelo de la agricultura moderna.
3. Detección de antiguas cuevas de ceniza volcánica
En los últimos años, ha habido algunos artículos sobre el uso de tecnología de radar de penetración terrestre para detectar cuevas en general, pero ninguno sobre la detección de antiguas cuevas de ceniza. e informes de sus características de colapso. Para cooperar con el aprovechamiento de las aguas subterráneas en Old Grey Cave en Texas, EE. UU., se llevó a cabo un estudio detallado del sistema de cuevas de la zona. Los datos de GPR muestran la distribución de rocas hospedantes no perturbadas, estructuras de transición (como fisuras de tracción, paredes y techos de cuevas antiguas) y brechas de varios tamaños. El resultado de esta exploración demuestra que la tecnología de radar de penetración terrestre es un método eficaz para investigar las características relacionadas con los sistemas de piedra caliza cercanos a la superficie y los colapsos de cuevas antiguas.
4. Inspección de seguridad de sitios de suelo congelado antártico
En un sitio planificado para investigaciones científicas antárticas, se encontró algo de agua derretida en la capa de hielo a 0,3 ~ 0,5 m bajo tierra (según un estudio). Según un informe de CCTV a principios de 2000, el equipo de expedición científica de nuestro país a la Antártida también descubrió un lago glaciar similar), lo que tendrá un impacto negativo en el uso del sitio. Por lo tanto, el sitio fue inspeccionado utilizando un radar de penetración terrestre. Según el análisis de la estructura de ondas de difracción registrada y otra información, se encontraron algunas franjas de hielo con una longitud de 40 m dispersas en agua a una profundidad de aproximadamente 3,5 m, pero con menos contenido de agua. Además, según los datos del radar de penetración terrestre, no hay anomalías en las amplitudes en todos los niveles por encima de la capa de agua salada, lo que indica que es poco probable que haya otros charcos de fusión debajo del sitio. Después de extensas pruebas de carga con vehículos pesados y aviones, no se produjeron accidentes relacionados con la densidad del hielo en el lugar. Se puede observar que el radar de penetración terrestre se puede utilizar como herramienta para la inspección de seguridad de los sitios de las capas de hielo de la Antártida.
5. Uso militar
Los científicos suizos están desarrollando un sistema de detección por radar de penetración terrestre que puede utilizarse para limpiar minas terrestres. El sistema se basa en un radar de penetración terrestre y detectores de metales para obtener imágenes. El detector puede distinguir objetivos con señales GPR similares pero con diferentes contenidos de metal (como minas terrestres y rocas del mismo tamaño). El GPR puede distinguir resultados similares proporcionados por el detector (como minas terrestres y basura metálica); Además, según SSI Corporation 1999 10, se pueden encontrar minerales plásticos mediante mapas de energía de dispersión por radar de penetración terrestre.
6. Estudio hidrogeológico regional
El diagrama de fases del radar se define como la suma de las características de la imagen de reflexión del radar producida por una formación específica, que se refiere a la diferencia de ondas reflejadas visibles para a simple vista la combinación de datos del perfil del radar. En la observación de datos de radar, la estructura y las características estructurales de los cuerpos geológicos afectarán la respuesta del radar y producirán efectos característicos. Estos efectos característicos se denominan elementos del diagrama de fase del radar. Desde 1990, el Instituto TNO de Geociencias Aplicadas de los Países Bajos ha llevado a cabo mediciones en más de 30 puntos adecuados para estudios y experimentos GPR para evaluar la posibilidad de obtener imágenes GPR y caracterizar diferentes objetivos hidrogeológicos. Los resultados de la exploración revelaron las características de los elementos del diagrama de facies de radar en diferentes ambientes de depósito en los Países Bajos, y las imágenes de reflexión representativas se compilaron en un "atlas de facies de radar" conciso, que es útil para determinar la ubicación de secuencias hidrogeológicas subterráneas. Según los informes, Estados Unidos también está utilizando radares de penetración terrestre para realizar estudios similares en varios estados.