探测范围

关键词： 南东 构造 标高 矿区

探测范围（精选四篇）

探测范围 篇1

某煤矿位于准葛尔盆地南缘,矿区分布在七道湾背斜南冀、八道湾向斜北翼,呈向南倾斜的单斜构造。地层走向北东67°,倾向南东157°,倾角40°~51°。全区地面标高平均800 m左右,地表植被稀少。以成因类型划分,主要为构造剥蚀地形。

矿区矿井主要开采42#、43#和45#煤层。煤层之间含矸5~8层,其中大部分单层矸石厚度小于0.3 m;矸石岩性主要为粉砂岩、炭质泥岩以及泥质粉砂岩。43#煤层北巷局部揭露煤层底板泥岩,煤层底板节理、层理较发育,其中的泥质胶结遇水后可能造成巷道底鼓、帮鼓、片帮,影响巷道围岩稳定性,需加强底板处的超前支护,防止底鼓、片帮事故发生。矿井煤层顶底板的地质特征如表1所示。

2 探测目的

由于该巷道出现了顶板下沉、两帮鼓出收敛等问题,地质雷达为揭示43#煤层北采区巷道围岩裂隙的发育程度,以便为该处巷道支护设计提供科学依据,针对巷道围岩地质构造和采掘布局特点,借助地质雷达探测技术在该煤矿北采区+600水平东翼43#煤层北巷进行探测。

3 探测仪器

探测设备采用SIR-20型地质雷达光谱电磁仪。地质雷达(GPR)技术由发射部分、一体化主机、接收部分以及配套软件等组成[1,2],是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。该技术的原理是通过发射天线以一定角度的波束角向地下发射高频电磁脉冲波。当电磁脉冲波在传播途中遇到分界面时,由于两侧介电常数的差异而产生反射。反射的电磁波被接收天线接收后,经过转换处理为电信号传到主机,再经滤波、增益恢复等处理后,形成可视化的雷达探测图像,如图1所示。

地质雷达探测仪根据反射所形成的电磁波图像剖面的振幅与频率、旅行时间及同相轴形态,可以推断出介质的大小、埋藏深度及形状等特征参数。当发射和接收天线沿介质表面逐点同步移动时,就能不断得到各介质内部的剖面图像。

由于不同的介质具有不同的物理特性,也具有不同的介电常数,所以当雷达发射的电磁脉冲波经过介质界面时,因介质的介电常数不同而发生方向改变,即反射被接收天线所接收[3,4]。公式(1)反映了介电常数与反射系数之间的关系:

式中:Ri为反射系数;ε1、ε2分别为反射界面两侧的相对介电常数。

该探测技术所发射的高频短脉冲电磁波在介质传播中遇到采空区等目标体时,因目标体与周围岩体存在电性差异而产生反射波,并且被接收形成雷达探测图像。通过对图像剖面的同相轴追踪,就可以测定出目标体反射波的旅行时间T,同时可根据电磁波在介质中的传播速度,推算出目标体所在的埋藏深度。电磁脉冲波在地下岩层中的传播速度可近似用代替,则:

式中:h为地层底界面深度,m;c为电磁波在空气中的传播速度,0.3 m/ns;εr为材料的相对介电常数;T为电磁波传播往返的时间,ns。

4 探测巷道目前的支护方案

根据《北采区+600水平东翼43#煤层巷道布置设计图》,+600水平43#煤层东翼北巷为回风巷。巷道断面设计为圆弧拱形,断面净高3 000 mm(掘进高度3 100 mm)、净宽4 000 mm(掘进宽度4 200 mm),净断面积10.6 m2(掘断面积11.13 m2),其断面支护设计方案如图2所示。

具体支护方案:巷道施工采用锚网+钢带+锚索联合支护,锚杆规格为ø20×25 000 mm等强金属锚杆,预紧力为100 N·m。顶部锚杆间排距为800 mm×800 mm,帮部锚杆间排距为700 mm×800 mm,锚固方式为端头锚固。采用120 mm×120 mm×8 mm铁托盘。沿巷道中间布置2排ø17.8×10 000 mm钢绞线锚索,锚索排距为3 m。

巷道设计总长3 192 m,其中吊装硐室长16 m、超前支架硐室长14 m、材料硐室长10 m。吊装硐室采用11#矿用工字钢支架支护,支护设计方案如图3所示。

5 探测结果与分析

5.1 距1#煤门850~900 m断面顶板探测结果

该煤矿北采区+600水平东翼43#煤层北巷距1#煤门850~900 m断面顶板地质雷达探测结果如图4~6所示。

由图4可知,在所探测深度区域内存在明显的地质分层,垂向2.5 m及5.0 m处分别出现了较为明显的分层界面,在垂向测程7.5 m以下部分主要为同种岩层。由图5可知,在2.5 m和5.0 m处反射波发生突跃,且该处波形极性为负,其中反射波从高速转入低速,而相对介电常数则由小逐渐变大并且振幅(能量)较强,预示着该区域内可能存在软弱结构。因此判定该处围岩的松动圈范围为2.5 m,塑性区范围为垂深2.5~5.0 m。由图6可知,在沿走向整个探测区域内垂向0~5.0 m范围内,反射波形出现了几条线性同相轴并且其振幅(能量)偏大,预示着该区域内存在地质结构分层;在垂向5.0~7.5 m范围内岩体相对较为稳定,判定为弹性区;在垂向测程7.5 m以下反射波形没有出现大的波动变化,较为均匀稳定,说明该处岩层结构较完整。

5.2 距1#煤门850~900 m断面南帮探测分析

用同样方法对该段巷道南帮进行地质雷达探测,其结果如图7~9所示。

从图7可知,在垂向2.5 m和4.5 m范围处线扫描图颜色发生变化,反射率相对较强,说明此处存在岩性不同,在所探测深度区域内存在明显的地质分层界面。从图8可知,在2.5 m和4.5 m处反射波发生突跃,且该处波形极性为负。由反射波的频谱特性分析表明,入射波形与反射波形极性正好相反,波速从高速介质进入低速介质,振幅(能量)较强,岩层介电常数则由小向大穿透,推断该处岩层处于整体破碎状态,预示着该处区域内可能存在岩体软弱面。因此判定该处围岩的松动圈范围为2.5 m,塑性区垂深范围为2.5~4.5 m。由图9可知,在垂向4.5~7.5 m区间内,沿走向测程范围内的波形总体分布呈现黑色区域,反射波形很均匀,但振幅(能量)较大,总体平稳,判定该处岩层结构的弹性区范围为垂深4.5~7.5 m。但在走向0~15 m和40~48 m、垂向测程7.5~17.5 m范围呈黑色区域,反射波的密集程度很高,频率较高,且同相轴不连续,振幅(能量)偏移较大,说明此范围内岩体结构比较破碎,存在分层界面。

5.3 距1#煤门850~900 m断面北帮探测分析

该巷道北帮地质雷达探测结果如图10~12所示。

由图10可知,在所探测深度区域内存在明显的地质分层以及岩层结构面,将探测范围内的整个地层划为3层,其中沿垂向1.2 m及4.5 m处分别出现较大的同色反射分层界面,垂向测程8.0 m及以下主要为同种颜色部分,未出现明显变化。由图11可知,在1.2 m和4.5 m处反射波发生突跃且波形极性为负,反射波相对介电常数从小到大,从高速转入低速,振幅(能量)较强,预示着该处区域内存在岩体软弱面。因此判定该处围岩的松动圈范围为1.2 m,塑性区范围为垂深1.2~4.5 m。由图12可知,在沿整个探测区域内垂向8.0 m处反射波波形总体分布呈现出线性同相轴并且波形振幅(能量)较大,预示着该区域内在垂向测程4.5~8.0 m范围为巷道岩体破碎的弹性区。此外,在8.0 m以下部分,反射波形未出现高振幅的瞬时变化点,说明该区域岩层完整。

5.4+600水平东翼43#煤层北巷探测小结

+600水平东翼43#煤层北巷距1#煤门850~900 m断面顶板地质雷达探测结果:顶板松动圈为2.5 m,垂深2.5~5.0 m范围为塑性区,垂深5.0~7.5 m范围为弹性区,7.5 m以下范围为原岩应力区;断面南帮松动圈为2.5 m,垂深2.5~4.5 m范围为塑性区,测深4.5~7.5 m为弹性区,7.5 m以下范围为原岩应力区;断面北帮松动圈为1.2 m,垂深1.2~4.5 m范围为塑性区,4.5~8.0 m范围为巷道岩体破碎弹性区,在8.0 m以下部分原岩应力区。

6 结论

通过对该矿北采区巷道的松动圈测试和地质雷达探测,得出了该巷道的围岩裂隙发育情况和松动范围。从探测结果可知,+600水平东翼43#煤层北巷断面松动圈范围平均值为2.3 m,塑性区范围为2.3~4.5 m,弹性区范围为4.5~8.5 m,8.0 m以下部分为原岩应力区。

综合以上分析认为,在巷道当前承载结构条件下,目前的支护设计方案基本满足该煤矿北采区巷道围岩裂隙发育程度和松动圈分布范围对支护的要求,可以保持巷道的稳定。但由于巷道长度及地质条件的复杂多变,建议对探测出的松动圈范围较大区域加强支护。

摘要：借助松动圈测试仪和地质雷达对某煤矿北采区+600水平东翼43#煤层北巷的扰动范围进行探测,基本确定了巷道围岩松动范围和支护范围,总结出不同巷道中的裂隙发育程度、围岩松动范围和破碎程度,为巷道稳定性评价及支护设计提供了依据。

关键词：地质雷达,围岩扰动探测,巷道稳定性评价,支护设计

参考文献

[1]孟庆彬,门燕青,杨以明,等.巷道围岩松动圈支护理论及测试技术[J].中国矿山工程,2010,39(3):47-51.

[2]宋宏伟,王闯,贾颖绚.用地质雷达测试围岩松动圈的原理与实践[J].中国矿业大学学报,2002,31(4):370-373.

[3]孟庆彬,乔卫国,林登阁,等.地质雷达测试巷道围岩松动圈的原理及应用[J].矿业安全与环保,2011,38(2):37-39.

复杂地形对雷达探测范围的影响 篇2

关键词：曲线拟合,射线追踪,矫正因子

0 引言

雷达通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息[1]。雷达的探测范围会受到地形的影响,一般的雷达参数只给出雷达在各方向角的探测距离,或者经过水平地面反射后的辐射威力图。然而在复杂地形如山地、丘陵等地区,地形因素会对雷达探测产生较大的影响。

本文采用射线追踪法[2,3,4],给出了复杂地形下雷达探测范围矫正的快速计算方法。

1 数据转换

1.1 坐标变换

本文的数据源采用的是USGS DEM文件格式。USGS 是美国地质调查局(U.S. Geological Survey)的英文缩写,USGS负责管理美国全国的数字地图数据的采集与分发。USGS DEM主要采用两种类型的格网,这里采用的是以秒为单位的格网数据结构。DEM数据的四个角点坐标记录在逻辑记录 A中。每一个断面的起始点坐标记录在逻辑记录 B中。这些坐标描述了DEM数据的矩形形状和每个断面的起始点坐标。

为了方便后续计算,首先把 DEM 数据转换到以雷达-地心连线为对称轴的极坐标(R,Z)格式,如图1所示。

设原始数据中第i点的精度为φi,纬度为$\tilde{\theta }$i,则俯仰角为$\theta =\frac{\text{π}}{2}-\tilde{\theta }$,球坐标为$\left(r{}_i,\theta {}_i,\phi {}_i\right)$。地球半径为Re,高程为hi。雷达位置在$\left(r{}_0,\theta {}_0,\phi {}_0\right)$。建立新坐标,其z轴在地球球心与雷达连线上。在新坐标系中的球坐标为$\left(r{}_i,{\theta }^{″}{}_i,{\phi }^{″}{}_i\right)$,新坐标系中φ″=0的方位对应于雷达在原坐标中的方位。为了在新坐标系中以均匀间隔的经度和纬度网格数据,需要把新坐标系中的坐标$\left(r{}_i,{\theta }^{″}{}_i,{\phi }^{″}{}_i\right)$用原坐标系中坐标表示出来,转换公式如下:

$\{\begin{array}{cc}\cos {\theta }^{″}=\sin \theta \cos \left(\phi -\phi {}_0\right)\sin \theta {}_0+\cos \theta \cos \theta {}_0& \\ \sin {\phi }^{″}=\frac{\sin \theta \sin \left(\phi -\phi {}_0\right)}{\sin {\theta }^{″}}& \end{array}$

新坐标中θ″是与新z轴(雷达与地球球心连线)的夹角。若需要可以改为新坐标系中的纬度角,即$\frac{\text{π}}{2}-{\theta }^{″}$。

1.2 高程插值

因为DEM数据只给出格网上的高程值,如果所要求的新坐标下对应格网点没落在原先的格网点上,那么新坐标下的高程值需要通过差值的方法来求得,如图2所示。

假设新坐标下所要求的是E点的高程值,可以判断出其周围存在的点分别是A、B、C、D,而这四个点因为相邻,故格网的行数或列数相差1,再假设点E与A的行数和列数分别相差b和a,并定义:

$\{\begin{array}{cc}S{}_A=\left(1-a\right)\cdot \left(1-b\right)& \\ S{}_B=\left(1-a\right)\cdot b& \\ S{}_C=a\cdot b& \\ S{}_D=a\cdot \left(1-b\right)& \end{array}$

如果用H表示点的高程值,那么点E的高程值为:

HE=HA·SA+HB·SB+HC·SC+HD·SD若是二维线性插值,令a=0即可。

2 曲线拟合

经过坐标转换及插值计算,在每个方向的垂直切面上都罗列了相同采样间隔的数据点。为了确定反射线方向,对每个垂直切面的采样点进行三次样条曲线拟合,曲线上每一点的斜率和曲率半径都可以通过公式计算出来。

给定离散采样点:

a=x0<x1<…<xn=b,f(xi)=yi,i=0,1,…,n

通过分段多项式插值得到光滑连续函数。在每个子区间用低阶多项式插值,多项式间光滑连接。

设离散点之间曲线满足三次分段多项式:

$S{}_i\left(x\right)=a{}_i+b{}_i\left(x-x{}_i\right)+c{}_i\left(x-x{}_i\right){}^2+d{}_i\left(x-x{}_i\right){}^3$

根据光滑连续条件推导出:

$\begin{array}{l}a{}_i=f\left(x{}_i\right)=y{}_i\\ c{}_i=\frac{m{}_i}{2}\\ d{}_i=\frac{m{}_{i+1}-m{}_i}{6h{}_i}\\ b{}_i=\frac{y{}_{i+1}-y{}_i}{h{}_i}-\frac{h{}_i}{2}m{}_i-\frac{h{}_i}{6}\left(m{}_{i+1}-m{}_i\right)\end{array}$

mi为各点二阶导数,一般令m0=m1=0满足方程:

$\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& \cdots & 0& 0& \\ h{}_0& 2(h{}_0+h{}_1)& h{}_1& \cdots & 0& \\ & h{}_1& 2(h{}_1+h{}_2)& h{}_2& 0& \\ ⋮& ⋮& ⋮& ⋮& ⋮& \\ 0& \cdots & h{}_{n-2}& 2(h{}_{n-2}+h{}_{n-1})& h{}_{n-1}& \\ 0& \cdots & 0& 0& 1& \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}m{}_0\\ m{}_1\\ m{}_2\\ ⋮\\ m{}_{n-1}\\ m{}_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ \frac{y{}_2-y{}_1}{h{}_1}-\frac{y{}_1-y{}_0}{h{}_0}\\ ⋮\\ ⋮\\ \frac{y{}_n-y{}_{n-1}}{h{}_{n-1}}-\frac{y{}_{n-1}-y{}_{n-2}}{h{}_{n-2}}\\ 0\end{array}\right]$

称Si(x)为f(x)关于部分a=x0<x1<…<xn=b的三次样条插值函数,x0,x1,…,xn为样条节点。求解方程可以得到mi,从中计算出所有其它样条系数,如图3所示。

3 射线追踪方法

3.1 有效反射区域

通过确定遮挡区域,即入射线不能到达、或者反射线被遮挡的地面节点,可以确定二维地形上的有效反射区域。

如图4所示,1为遮蔽区域,2为有效反射点。但是, 通过上述方法判断出的可探测点的雷达反射线仍然可能受到地面阻挡而无法直接到达目标。考虑到多次反射的衰减较大,因此,凡是经过两次以上反射到达目标的反射线都忽略不及。所以,反射线受到阻挡的点也同样都判为不可探测点。

3.2 反射点搜索

每一地形采样数据点的反射线方向都可以通过三次样条曲线拟合参数确定。当目标坐标确定后,根据相邻两采样点上的反射线与目标的相对关系可以确定其间是否有反射点。如果目标位于相邻两点的反射线的中间,则两点间有反射点,否则,没有反射点。

3.3 场强计算[5]

采用射线追踪方法[5],最终反射波末场场强与自由空间下的目标处场强(源点均匀向空间发出波的场强)分成水平极化和垂直极化的两个方向可表示为:

$\begin{array}{l}\left[\begin{array}{c}E{}_{\perp }^r\left({\rm O}\right)\\ E{}_{\parallel }^r\left({\rm O}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}E{}_{\perp }^i\left(S\right)R{}_{\perp }\\ E{}_{\parallel }^i\left(S\right)R{}_{\parallel }\end{array}\right]\cdot \frac{1}{4\text{π}\left(s{}_1+s{}_2\right)}\cdot \\ \exp \left(-jk\left(s{}_1+s{}_2\right)\right)\cdot \sqrt{\frac{\rho {}_1^r\rho {}_2^r}{\left(\rho {}_1^r+s{}_2\right)\left(\rho {}_2^r+s{}_2\right)}}\end{array}$

其中,s1 表示源点S和反射点R的距离,s2表示反射点R到目标点O的距离。

只考虑给定方位角截面内的反射情况。假设源点到目标点共有N条反射路径,则总反射场为:

$E{}_{\perp }^r={\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}}E}{}_{\perp i}^r‚E{}_{\parallel }^r={\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}}E}{}_{\parallel i}^r$

有反射时总场与没有反射时的总场之比为:

$\begin{array}{l}\eta {}_{\perp }\left(\theta \right)=\frac{\left(\frac{e{}^{-jkd{}_0}}{4\text{π}d{}_0}+E{}_{\perp }^r\right)}{\frac{e{}^{-jkd{}_0}}{4\text{π}d{}_0}}\\ \eta {}_{\parallel }\left(\theta \right)=\frac{\left(\frac{e{}^{-jkd{}_0}}{4\text{π}d{}_0}+E{}_{\parallel }^r\right)}{\frac{e{}^{-jkd{}_0}}{4\text{π}d{}_0}}\end{array}$

式中,d0为雷达与目标之间的直射线的路径长。$\eta {}_{\perp }\left(\theta \right)‚\eta {}_{\parallel }\left(\theta \right)$为矫正因子。

4 数值算例

电场为水平极化,只考虑等方位角平面内的反射时:

利用校正因子η(θ)判断能否探测到目标,接收功率:

S(θ)∝[η(θ)/r]4

若当前检测距离与原探测距离的比超过η(θ),则继续增加检测距离,否则判定为探测不到。

在近地面处,由于反射场强和直射场强的相消与相涨,导致探测范围的变化。而在仰角较大的区域,由于雷达射向地面的场强本身比较小,因此对于探测范围影响相对较小。取一块实际地形计算后结果如图5-6所示。

可以看到,在雷达原探测范围的边缘附近由于反射场和直射场的干涉产生了不规则的边界及探测盲区。

5 结束语

本文介绍了通过雷达参数及地形数据快速判断雷达在复杂地形下探测范围的计算方法。将标准DEM数据转换成方便计算的极坐标数据,对于每个方向的二维地形分别计算受到地形影响的雷达探测范围。通过三次样条插值法拟合出地形的光滑曲线图,采用这种拟合方法准确性比较高,也便于处理大的采样数据量。确定地形的遮蔽区域和有效探测点,减少数据处理量。利用射线追踪法,快速计算反射场强,并通过矫正因子判断新的探测范围。

参考文献

[1]Bassem R Mahafza.Radar Systems Analysis and Design Using MAT-LAB[M].Boca Raton:Chapman&Hall/CRC,2000.

[2]H Ling,R C Chou,S W Lee.Shooting and bouncing Rays:Calcu-lating the RCS of an Arbitrarily Shaped Cavity[J].IEEE Trans.Antennas Propagat,Feb.1989,37(2):194-205.

[3] Lee S W, Sheshadri M S, V Jamnejad,et al.Refraction at a Curved Dielectric Interface: Geometrical Optics Solution[J].IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,Jan.1982,MTT-30:12-19.

[4] Deschamps G A.Ray techniques in Electromagnetics[J]. Proc. IEEE, Sept. 1972,60:1022-1035.

探测范围 篇3

光电探测电路是光信号与电信号之间的桥梁,在军事、工业、农业、宇宙、环境科学、医疗卫生和通信等诸多领域有广泛应用[1]。在光通信领域中,光电探测电路可以监测损伤、为补偿和重路由提供进一步信息[2]。以目前Oplink公司的一款OPM(OpticalPerformanceMonitoring)模块为例,该模块能够对-10~-40dBm的光进行探测,考虑到头尾各两个dB的余量,每级之间1~2dB的重合范围以及3dB以上的信噪比,所以该模块的实际探测光范围至少为-8~-47dBm。由于应用在光通信网络中的光探测模块对响应速度、探测精度等有较高要求,因此常采用PD+TIA+两级电压放大器一起组成三级采样电路来检测光信号。这种线性采样电路探测精度和响应速度均能满足要求,但其探测范围较小。在有的应用中需要更大的探测范围,即能够探测10~-50dBm甚至更弱的光,在原有电路上再增加一级放大电路可以增大探测范围,但它所引入的噪声是我们所不能承受的。因此,本文提出了一种双TIAPD探测电路,在保证成本和精度的情况下,增大探测范围。

1模型说明

光电二极管是将光信号变成电信号的一种半导体器件,与普通二极管一样,是由一个PN结组成。与普通二极管不同的是,它的结面在受到光照的情况下会产生电子-空穴对,从而产生电流。光电二极管通常用工作在反向偏压下,没有光照时,反向电流极其微弱,称为暗电流;有光照时,反向电流迅速增大到几十微安,称为光电流。光的强度越大,反向电流也越大。跨阻放大器(TIA)是一种将流过跨阻的电流信号转换为电压信号的放大器,将光电二极管后接上跨阻放大器及多级电压放大,就是组成了常见的PD探测器,如图1所示。

本文所提出的双TIAPD探测电路采用PD环路各处电流相等的原理,在原有的零偏PD电路的基础上增加PD另外一极的TIA电路,如图2所示。

假设跨阻放大器(TIA)和电压放大器(AMP)的输出最大电压均为5V,TIA输出的噪声为10mV,可接受的信噪比不小于3dB。对于图1所示的PD探测电路,考虑到3dB的最小信噪比,TIA的输出LOW级信号最小电压需达到20mV,那么第一级所覆盖的采样范围从20mV至5000mV,即为10×lg(5000/20)=24dB;调节比例电阻使电压放大器对信号放大250倍,考虑滤波电路的作用,暂设放大器对噪声放大10倍,那么第二级的噪声电压达到100mV,同样考虑3dB最小信噪比,第二级的采样范围为200mV至5000mV,即14dB;同理,对于第三级而言,噪声已经达到1000mV,其采样范围仅4dB,那么理论上这种探测电路总的采样范围为三级采样范围之和,即42dB。

对于图2所示的双TIAPD探测电路而言,因电路特点 (详见章节2.1)所致,两个跨阻放大器均不能达到满幅输出,根据设计不同,两TIA输出分别可达1.25V和2.5V。以第一级输出最大1.25V为例,第二级采样范围从20mV至1250mV,即18dB;第二级输出不受电路影响,考虑最小信噪比,第二级采样范围从200mV至5000mV,即14dB;PD另一端的TIA输出可达2.5V,那么第三级采样范围从20mV至2500mV,即21dB;同理第四级采样范围从200mV至5000mV,即14dB,那么理论上双TIAPD探测电路总的采样范围为四级采样范围之和,共67dB。当然,以上计算仅为理论计算,实际应用的效果会因跨阻引入热噪声不同,多级之间的范围重合等原因而有一些差异。

2电路仿真分析

双TIADP电路仿真图如图3所示,图中左边方框内部分为砷化镓光电二极管模型[3~4],以一个电流源的输出模拟光生电流,1GΩ的电阻R3模拟其nA级别的暗电流,1pF电容C3模拟其等效电容,50Ω电阻R4模拟其等效串联电阻。运放U1与U2 均外接5V供电,U1正向输入端外接2.5V参考源,反向输入端接PD-端;U2正向输入端外接1.25V参考源,反向输入端接PD-端。U1跨导电阻R1 为10M,U2跨导电阻R2为10K,为了重点观察双TIA电路的工作情况,在仿真中暂不考虑MID级和TOP级。图中两个电压表VM1和VM2分别测量U1与U2的输出,电流表AM1检测流过PD的电流,AM2与AM3分别串联在U1与U2的反向输入端。

2.1U1 未饱和状态分析

由于PD-端连接U1反向输入端,根据放大器“虚短”原则,PD-端电压与U1正向输入端相同,为2.5V;PD+端连接U2反相输入端,同理它的电压与U2同相输入端相同,为1.25V。那么Vpd+Vpd-=-1.25V,即PD受到1.25V反向的偏压,使得PD能够正常工作。

当无光照时,即IG2电流为0A,受到1.25V反向偏压的影响,PD模型存在1nA左右的暗电流。此时U1输出约为2.5V,U2输出约为1.25V。假设入光光强随时间逐渐增大,相应的仿真模型逐渐增大电流源IG2的电流,电流流向如图3中虚线所示。随着电流的逐渐增大,U1的输出逐渐从2.5V增大,U2的输出则从1.25V缓慢减小。而由于U1跨阻为10M,远大于U2跨阻10K,故当电流增大到(5V-2.5V)/10M=0.25μA时,U1的输出率先达到饱和。

2.2U1 饱和后状态分析

当U1进入饱和后,由于PD电流需要继续上升,而U1输出端电压已经饱和,故U1反向输入端电压从2.5V开始下降。这里根据U1的型号选择不同,会出现两种不同的情况。有一部分运放在作为U1时,PD电流可以持续上升,保证了整个电路正常工作,而当选用另一部分运放时,在U1饱和后不久,PD无法正常工作。

引起这两种不同情况的原因就是运放的一个参数———最大差分额定电压值。因为实际放大器输出不能对输入端的变化瞬间做出相应,而输出不能跟踪输入意味着差分对基射结可能受到具有潜在危害的反向偏置过压条件的影响。因此一般运放都会在运放输入端放置背对背二极管作为保护,不同的运算放大器在输入端提供的保护等级不同,从零点几伏到几十伏不等[5]。

到此便可以解释为什么有些运放可以在U1饱和以后继续使用,另外一些却不行。以最大差分电压为0.8V的运放为例,当U1饱和后,PD-会下降到(U1_IN+)-0.8V=1.7V,此时PD+为1.25V。此时(PD+)-(PD-)=-0.55V,PD依然反偏,可以正常工作。

而对于另一类最大差分电压比较大的运放,例如最大差分电压为3V,则当U1饱和后,PD-会下降到(U1_In+)-3V=-0.5V,当然不可能下降到负压,所以此时PD-约为0V,此时PD+为1.25V,则(PD+)-(PD-)=1.25V,PD正偏且大于二极管内部偏置电压0.7V,PD正向导通,不能正常工作。

2.3电路改进

由于受到最大差分电压的制约,在选择运放的时候就受到了限制,为了解除这一限制,选择其它性能更好的运放,可以在U1的输入端正向放置一个二极管为过载时的电路提供一个电流回路,二极管正极与U1正输入相接,负极与U1负输入相接,其作用是在U1饱和后为PD提供电流,电流从U1正向输入端的参考源通过二极管流入PD,使PD的电流在U1进入饱和后能够继续增大。

3实际电路测试

通过仿真软件对电路进行仿真,发现双TIAPD电路在理论上可行。在已有的PD探测电路的基础上,搭建完整双TIAPD探测电路,调整入光从-6dBm每次减少1dB逐渐变化至-62dBm,共57种不同功率的光,每种光由ADC重复采样8750次,这8750次采样值的平均值取十为底的对数得到探测值P,该值的线性度反映了探测电路的精准度;再由这8750次采样值中的最大值与最小值的差取十为底的对数得到该点的最大误差值M,该值的大小反映了探测电路的重复性。

4结论

探测光强与入射光强的关系如图4所示:

双TIAPD探测电路共分4级,如图4所示,包括第一、第二、第三、第四四级。由于第一级与第三由TIA直接输出得到,噪声较小;第二级与第四级由TIA输出经放大得到,故噪声较大。由图4可以看出,四级分管-8dBm到-62dBm的光,取每一级线性度最好的一段作为最终结果。

根据实验数据,取第一、第二、第三、第四四级中线性度与重复性最好的部分,将这4段整合为一条曲线,则如图5所示。由图中可以看出,如果用直线来拟合这条曲线,得到的趋势线拟合指标R2=0.99997,即合成曲线线性度非常好。在这四段范围内,第一、第二、第三、第四四级的最大误差分别为±0.03dB、±0.2dB、±0.06dB、±0.3dB。大于-7dBm的光会使第一级饱和,无法探测。而在-57dBm~61dBm范围内,第四级的探测值线性度依然不错,但是由于最大误差已经较大,在±0.3dB到±0.8dB之间,即重复性已经较差。

探测范围 篇4

1 探地雷达探测结构空洞的原理

因为含水和干枯是电磁波传播的两种极端情况, 因此无论空洞是否含水, 洞内物性与周围介质都存在着明显的差异。如空洞保存完好且未被地下水充盈, 则表现为高电阻率特征, 反之则表现为低电阻率特征。当空洞坍塌后, 在洞内形成破碎、疏松的堆积物, 与围岩的导电和介电性质同样具有差异, 具有利用雷达进行识别的物性基础。地质雷达问世至今在地基基岩面探测、岩溶地面沉陷、地下洞穴的工程地质调查中得到了广泛应用。

2 工程实例

对浙江省某疑似存在问题的桥梁桥面进行了地质雷达探测。勘察所用仪器为意大利IDS公司生产的RIS_K2-0型雷达, 根据现场情况, 选用900MHz天线工作, 具体测试参数见表1。

2.1 测线布置与工作量完成情况

沿车辆通行方向布置测线7条, 测线号分别为:01线、02线、03线、04线、05线、06线、07线, 测线长7m;沿垂直车辆通行方向布置测线8条, 侧线号分别为:08线、09线、10线、11线、12线、13线、14线、15线, 测线长为6m。测线布置示意图见图1。

2.2 勘察结果分析

所有结果均在普通模式下查找存在缺陷的位置。并将结构层用Layer模式进行分析。其中红线表示水泥砂浆抹面与水泥砂浆找平层之间的界面, 绿线表示水泥砂浆找平层与下部结构之间的界面, 黄点表示下部结构内的钢筋。从图中可以看出水泥砂浆抹面和水泥砂浆找平层颜色接近, 且分界面不是非常明显, 这种现象的产生是由于面层与找平层材料接近, 介电常数差异较小。找平层与下部结构之间的介电常数差异相对较大, 因此分界面明显, 颜色差异也较大。本文选取了若干典型缺陷界面进行分析。

03线:03线位置如图1所示。从图2中可见, 从距起始点0.5m至4.0m存在混凝土松散、脱空。在距离起始测量点4.0m~4.8m, 抹面以下, 存在疑似松散, 结构层同性轴中断。03线其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

04线:04线位置如图1所示。从图3中可见, 04线从起始点至0.8m处存在地面积水, 在雷达图上反应明显。从距起始点1m至3.1m, 存在混凝土塌陷、脱空, 具体表现为结构层下陷, 找平层与抹面脱离, 雷达波在空洞中反射强烈。与01、02线相同的位置, 在距离起始测量点4.3m~4.8m, 抹面以下, 存在疑似松散, 结构层同性轴中断。04线其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

10线:10线位置如图1所示。从图4中可见, 从距起始点1.8m至4.8m, 存在混凝土塌陷、脱空, 具体表现为结构层下陷, 找平层与抹面脱离, 雷达波在空洞中反射强烈。积水面积缩小从起始点4.9m至5.8m处。10线其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

14线:14线位置如图1所示。从图5中可见, 从距起始点2.5m至5.2m, 存在混凝土松散、脱空。从起始点至1.2m处存在疑似塌陷。14线其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

15线:15线位置如图1所示。从图6中可见, 从距起始点2.5m~4.5m, 存在轻度塌陷、脱空。15线其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

探测结论:根据雷达探测显示, 水泥砂浆抹面和水泥砂浆找平层颜色接近, 且分界面不是非常明显, 这种现象的产生是由于面层与找平层材料接近, 介电常数差异较小。找平层与下部结构之间的介电常数差异相对较大, 因此分界面明显, 颜色差异也较大。地面下存在面积较大的混凝土松散、塌陷、脱空区域。其位置, 形状如图7所示。具体表现为结构层下陷, 找平层与抹面脱离, 雷达波在空洞中反射强烈。建议立即对缺陷区域进行打孔, 注浆处理, 以免产生事故。其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

3 结语

形成钢筋混凝土缺陷的原因是多方面的, 施工控制不严、材料选择及其它综合因素的作用导致了结构内部空洞和塌陷的产生和发展。本次使用雷达天线频率为900MHz勘察有效深度在1.5m以内, 因此精度较高。根据以上的雷达探测图像分析:存在面积较大的混凝土松散、塌陷、空洞, 找平层与抹面脱离, 结构层下陷等问题。

在利用探地雷达进行结构空洞范围确定时, 网格的划分是一个重要步骤。网格划分如果过疏, 则在探测时容易错过结构空洞, 使探测失去效果。网格划分如果过密, 则大大增加探测工作量。因此, 建议在进行探测前, 先制定探测计划, 对场地用粗网格进行预探测, 确定可能存在空洞的大概位置。然后对该位置用细网格进行详细探测, 以便最终确定结构空洞的形状和具体位置。

参考文献

[1]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社, 1994.

[2]赵建三, 郭云开, 唐平英, 等.探地雷达在公路路基质量检测中的应用研究[J].长沙交通学院学报, 2003.

[3]范国新, 等.探地雷达原理、设计思想及其实现[J].电波科学学报, 1992 (3) .