探地雷达应用于盾构前向探测的图像研究与现场探测实验

摘要

本文基于上海地铁盾构设备工程有限公司的“智能信息化盾构施工辅助系统技术研究”项目,以将探地雷达应用到盾构前向在线探测为创新点和着眼点,围绕探地雷达图像的识别和盾构开挖施工现场的探测做了较为系统的研究。 文中介绍了智能信息化盾构施工辅助系统,并分析了探地雷达应用于盾构前向探测在该系统中的作用,同时在充分了解当前探地雷达图像处理技术的基础上,确立了现阶段研究的目标。对探地雷达图像处理进行了以下几个问题研究： 1.以上海典型地质为研究对象,使用同轴探头法对上海地区典型的淤泥软土进行介电常数的测定和分析,得到了电磁波在这些不同介电常数的介质中的传播速度。在测定结果的基础上,结合探地雷达应用于盾构前向探测的特点,利用时域有限差分方法建立了一个三层均匀模型,对电磁波在该三层均匀介质中的传播其进行了数值模拟,并用预测反褶积方法消除了多次波,得到了探地雷达图像。 2.为了更好的了解探地雷达图像的成像特征,利用GprMax2D和MATLAB模拟了一些典型形状障碍物的雷达图像,得到了不同形状障碍物的成像规律。 3.在项目前两年研究成果的基础上,文章总结了现阶段探地雷达图像处理的基本方法,并创新性的总结出了利用MATLAB对探地雷达图像进行自主处理的基本方法。 最后,将探地雷达应用于盾构施工中,对改造后安装探地雷达的盾构刀盘进行强度校核,对雷达图像传输的走线图进行了设计,包括电源的走线、各仪器装置的固定和安装、管路的布置等。考虑到实验安全性,先用红外摄像头替代了探地雷达,进行预备实验。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2盾构施工技术发展现状

1.2.1盾构机简介

1.2.2盾构施工技术的特点

1.3盾构开挖面的地质和障碍物探测

1.3.1盾构开挖面的地质探测研究现状

1.3.2探地雷达(GPR)在盾构前向在线探测中的应用情况

1.4探地雷达系统组成及其原理

1.4.1探地雷达系统组成

1.4.2探地雷达的工作原理

1.5本课题意义和主要内容

第2章盾构施工中探地雷达探测的应用

2.1盾构施工智能信息化系统组成

2.1.1自动测理系统

2.1.2探地雷达超前探测系统

2.1.3智能控制系统

2.1.4数据网络化传输系统

2.2探地雷达在盾构实时探测中的应用

第3章土样介电常数的测定及土层的正演数值模拟和分析

3.1土样介电常数的测定

3.1.1同轴探测法的简介及样本材料

3.1.2土样介电常数的分析

3.2土层的探地雷达数值模拟

3.2.1探地雷达数值模拟方法概述

3.2.2时域有限差分法的优点

3.2.3时域有限差分法(FDTD)的原理

3.3多次波产生的机理

3.3.1多次波的产生

3.3.2多次波的类型

3.4消除多次波的方法

3.4.1基于滤波的多次波消除方法

3.4.2基于波场理论的多次波消除方法

3.4.3预测反褶积消除多次波

3.5三层均匀介质模型多次波压制的正演模拟

3.5.1建立模型

3.5.2正演

3.5.3产生多次波

3.5.4预测反褶积消除多次波

3.5.5通过自相关验证多次波消除的效果

3.6本章小结

第4章探地雷达典型障碍物探测图像的正演数值模拟

4.1 GprMax2D

4.1.1 GprMax2D基本理论

4.1.2GprMax2D的坐标系统及一些说明

4.1.3模拟过程中的一些假设条件

4.2 GprMaX2D的输入文件命令

4.2.1输入文件中的规定及说明

4.2.2GprMax2D的输入文件命令

4.3 GprMax2D典型形状障碍物正演举例

4.3.1圆筒型障碍物在媒质中的模拟

4.3.2三角形障碍物在媒质中的模拟

4.3.3方形障碍物在媒质中的模拟

4.3.4复杂障碍物在媒质中的模拟

4.4本章小结

第5章探地雷达图像的处理及探测数据的研究

5.1探地雷达图像的处理

5.1.1去除空气层

5.1.2去除背景噪声

5.1.3数字滤波

5.1.4增益

5.2探地雷达图像的数据化处理

5.2.1 IDS雷达数据结构分析

5.2.2探地雷达数据的读取

5.2.3探地雷达数据的MATLAB处理

5.3本章小结

第6章盾构施工的现场探测实验

6.1FCB盾构机的改造和校核

6.1.1雷达保护盒的设计

6.1.2FCB盾构刀盘改造校核　

6.2无线信息系统的设计和布置

6.2.1雷达与无线信号接收与发射模块

6.2.2信息传输系统和布线

6.3利用红外摄像头替代探地雷达的实验

6.4本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2存在的问题和展望

致谢

参考文献

附录

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果