探测方法

2024-05-14

探测方法（精选十篇）

探测方法篇1

随着社会的进步和经济的发展, 人们出于各自不同的目的, 对洞穴了解的需求越来越多;比如考古界, 需要了解墓穴的空间位置达到考古发掘的目的;对水利建设而言, 通过对病害坝体的空洞探查了解坝体质量情况和病害程度以制定合理的处理措施, 达到加固坝体、安全运行的目的;在现代城市建设中, 在复杂地区进行地基处理时, 也需要了解洞穴的空间位置以确保地基处理工程的进行等等;总之, 随着对洞穴探测的需求的增多, 也给物探技术一显身手提供了机会。

技术方法及例证

视电阻率法

地下岩土层的电阻率值的大小基本上是由其结构密度及孔隙裂隙中的含水量所决定。电阻率法就是在确定某一区域内岩土背景电阻率值状态下, 利用地下洞穴充填物与其周围岩石或土层在电阻率值上的差异性, 通过观测和研究人工电流场的空间分布及电性特征, 推测地下空洞的形态及电性参数, 从而间接达到探测地下洞穴的目的。

一般来说, 含水及充填淤泥的洞穴的电阻率较其周围岩石或土层的低, 没有充填物的空洞的电阻率较其周围岩石或土层的高。

在地下洞穴电阻率法探测的方法大致可归属为二大类, 即电阻率测深法和电阻率剖面法。前者研究的是地面某一点的电阻率随着深度变化情况, 研究和判断地下空洞在地下的深度位置, 后者观测沿地面某一深度的水平方向电阻率分布状况, 研究和判断地下介质的水平位置。

近年来发展起来的高密度电法就具有上述两种方法的技术结合, 采集的野外数据经计算机处理后, 可以把在水平位置上地下某一深度位置的电阻率值有序排列起来, 显示出地下二维的电阻率值分布断面图, 有效地勾画出地下空洞的规模和形状。高密度电法的引入, 使电法对地下空洞探测的能力大大提高。

相对于常规电法而言, 高密度电法具有以下特点。

1.电极布置一次完成, 减少了因电极布置引起的故障和干扰, 为数据的快速采集和自动测量奠定了基础;

2.能进行多种电极排列方式的测量, 可获得丰富的关于地电断面结构特征的地质信息;

3.与常规电法相比, 成本低, 效率高, 信息量大, 解释方便。

图1为广西防城港某水库病害坝体的一个高密度电阻率排列剖面图, 采用α排列测量方式, 电极距4m, 可以看出在116~124m有一个高阻异常体赋存, 其视电阻率值比其周围的介质高得多, 根据地质资料和物探结果综合分析研究, 推断高阻体为一个地下空洞, 按物探建议进行了钎探验证, 验证结果是在7.34m遇到土洞.洞高约3.67m, 洞底为淤泥充填, 和高密度推断的相吻合。

在常规电阻率勘探中, 根据电极排列方式的不同, 在洞穴探测应用较多的有三极测深法, 对称四极剖面法, 联合剖面等视电阻率法。最常用的为三极法和四极法。如图1~3即是三极法的电极排列, B (-I) 布置在垂直于剖面方向的无穷远处, A, M, N三电极在剖面上移动, 当A, M, N按固定的极距同时移动, 就是剖面测量方式, 也可以采用测深测量方式, 就是以M, N的中心为测量点, AN/MN按比例增大, 一般AN最大为目标体深度的3—5倍, 然后装置移至下一个测量点直至整条剖面测量结束。

图2就是云南蒙自县某矿尾砂库的三极测深电剖面, 从图中可看出, 以600Ωm等值线为范围, 154~170m有一低阻异常反映, 异常体中心埋深约120 m, 其电阻率比围岩低, 物探推断为充水或充淤泥溶洞, 这个推测被随后的钻探所证实。

地质雷达

地质雷达技术是近年来越来越被广泛用于探查近距离目的物的一种物探方法, 其勘探深度视天线频率及介质导电导磁率而定, 一般为数十米, 它的原理是利用一个天线发射高频宽频带短脉冲电磁波, 另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。在电磁波发射的频率一定时, 电磁波在介质中传波路径、电磁波反射系数、振幅、频率等特性主要与介质的介电常数、导电率、磁导率有关。由此从所接收到的波的双程旅行时间t、振幅与波形资料, 来推断解释地下反射体的形状和埋深。

假设地下反射界面为水平状, 则深度D和反射双程波旅行时间t的关系:

其中:D——反射界面深度, m;

t——反射波的双程时, ms;

X——反射天线和接收天线之间的距离 (有的仪器反射天线和接收天线是重叠的, 即X=0)

V——电磁波在介质中的传播速度 (可用宽角方式实地测量, 一般V=0.2~0.3m/ns)

反射信号的强度与界面的波反射系数与被穿透介质对电磁波的吸收程度有关, 而吸收程度又与界面两侧介质的电磁特性有关, 电磁参数差异越大, 反射系数也越大, 反射信号也就越强, 因此, 对地下洞穴探测而言, 地质雷达的应用是有地球物理前提的。

若有空洞存在, 则在彩色地质雷达图上表现为同相轴崎变, 扭曲, 颜色加深;若介质均匀, 彩色地质雷达图同相轴连续, 平滑, 水平方向颜色均一。

上图4为不含水的地下空洞地质雷达波形剖面, 因空气的电导率为0, 介电常数为1, 电磁波传播速度为0.3m/ns, 大大超过周围介质的电磁波传播速度, 而且电磁波在空气中传播衰减近乎为0, 与周围介质的物性差异大, 反射系数大, 使得在空洞区域内反射的电磁波能量强, 相同深度的反射波旅行时间小, 在地质雷达时间剖面上形象的表现为“凸型区”;

地下空洞内充填水, 使得空洞区域相对于周围介质, 电阻率减小, 介电常数增加, 从而使得反射的电磁波相应的频率减小, 能量衰减增大, 界面的反射系数增大, 使得反射的电磁波相应的波速降低, 相同深度的反射波旅行时间长, 在地质雷达时间剖面上形象的表现为“凹陷区”;

上图5则是采用连续拖拽测量方式获取的一张高速公路路系的地质雷达剖面图, 工作天线主频100MHZ, 点距为1m, 在这张剖面图上, A点附近发生了同相轴的崎变和错断, 判为有水空洞, 经开挖验证, 溶洞中有大量的水和淤泥。

浅层地震等偏移反射法

浅震反射波法。是采用人工激发震源, 使震源附近的质点产生震动, 形成地震波在地下介质中传播, 当遇到两种不同弹性介质界面时, 便产生反射, 利用反射波的强度、频谱、相位、波长和反射波的传播时间和空间的关系 (反射波的走时规律) 来判断不同的介质, 从而解决相关的地质问题。

单道共偏移距反射法是一种简单的浅层地震勘探。根据最佳时窗原理, 选择合适的偏移距, 一般采用铁锤锤击作为其震源方式。当地下存在的空洞时, 根据弹性波惠更斯原理, 在空洞的位置产生绕射波。因此可根据反射时间剖面图, 判断是否存在空洞。

图6的上图是经过影象技术处理的单道共偏移距反射时间剖面图, 工作地点在云南昆明, 从映像图看, 波形层状清晰, 剖面中部同相轴错断明显, 可能溶洞或裂隙的反映, 下图则是根据影像图推断的地质剖面图, 最后验证的结果和推断结果比较吻合, 仅推测溶洞底部深度相差0.3m (比推断的浅) 。

瞬变电磁法 (TEM)

瞬变电磁法由于具有勘探深度大, 分辨能力高, 受旁测影响或体积效应小等优点成为工程勘察的新方法, 具有广阔的发展前景, 用于洞穴探测, 不管是高阻或是低阻, 异常都表现明显, 易于识别。其异常特征表现为, 对于空气充填型洞穴其视电阻率拟断面呈现高阻, 异常感应电压响应表现为低电压;而对充填地下水和淤泥的洞穴来说, 视电阻率拟断面呈现低阻异常, 感应电压响应则是高电压, 图7就是在高速公路隧道试验剖面的视电阻率拟断面图, 该遂道为双行遂道, 在电阻率断面图上能够清楚的反映出来。

结语

城市地下管网探测方法研究篇2

城市地下管网探测方法研究

笔者基于多年从事城市勘测工作的相关经验,以城市地下管网探测为研究对象,研究探讨了地下管网探测的方法,典型探测方法的应用等一系列问题,在对整个行业的发胀现状较为明晰的基础上,笔者给出了具体的建议,全文是基于笔者长期工作实践基础上的.理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义.

作者：胡和发邵军作者单位：大连市勘察测绘研究院有限公司,辽宁大连,16021刊名：科技资讯英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：“”(9)分类号：P2关键词：地下管网城市探测法探地雷达法

探测行星新方法等4则篇3

迄今为止发现的外太阳系行星大约有200颗，其中绝大多数是在受其主恒星的引力影响而“颤动”时被探测到的。但是最近，经纬仪测量正在探测新行星上日益成功地发挥作用。经纬仪测量是一种基于亮度减弱的探测，而亮度减弱则由现出黑色影像的行星在地球和其主恒星之间反复经过引起。

现在，用哈勃太空望远镜调查了180，000颗接近银河系中心的恒星后又发现了16颗新的候选行星，它们的轨道运行周期为0．4到4．2天。其中有5颗的轨道运行周期不到一天。这些行星仅出现在重量小于0．9个太阳质量的恒星周围，表明它们从未在更高质量的恒星周围形成过，或者说如果这样它们就会毁灭。

摘自《自然》

2006年10月5日

让噬菌细胞保持运动

哺乳动物有两个对长尾“不规则外形”阻凝蛋白le和阻凝蛋白lf编码的基因。现在，美国耶鲁大学医学院的基姆等人发现阻凝蛋白lf负面地调节了中性白细胞(一种噬菌细胞)的活动。

阻凝蛋白lf并不直接影响噬菌细胞的行为，或者说是噬菌细胞突然出现细胞内氧化而最终杀死细菌的。然而，研究发现中性白细胞受刺激后，缺乏阻凝蛋白lf的老鼠细胞的运动减少，而含粘合素颗粒的胞外分泌引起的粘连增加。缺乏阻凝蛋白lf还导致细菌感染的易感性增加。这样，通过调节依赖粘合素的粘连使得噬菌细胞保持运动，阻凝蛋白lf就调节了寄主对感染的响应。

摘自《科学》

2006年10月6日

海洋变冷了吗?

地球的海洋能蕴含1000倍于大气的热量，而且在过去的50年里，海洋温度的攀升几乎没有停止过。这和认为海洋吸收了大量的热量、减轻了大气升温的气候模型一致。现在，美国西雅图的国家海洋和大气管理局的约翰·莱曼及其同事的测量对这种理论提出了异议。

研究者使用的数据来自3000个自由浮筒组成的名叫“阿尔戈”的网络，后者用以监控全球海洋。他们发现在2003年到2005年之间，750米的海洋上层损失了充足的热量，明显变冷。虽然这可能仅仅是海洋自然变化的一部分，气候学家们还是为这些大量的、无法解释的热量损失而困惑。

摘自《新科学家》

2006年10月7日

辐射致癌会死多少人?

虽然乌克兰的切尔诺贝利核电站爆炸发生在20年前，但是灾难还将以癌症引起缓慢死亡的形式再持续60年。这次事故释放的污染放射性粒子遍及整个北半球。估计辐射致癌的死亡人数范围从数千到上万，这暴露了死亡数字应如何计算和当前对辐射损伤知识的局限方面存在分歧。

报道得最普遍的估计死亡人数是4000，源自一份2005年的联合国新闻稿。奇怪的是，它称4000是“100名以上科学家的国际团队”的研究所得的“新”数字。然而，这个研究是1996年进行的，而且作者仅有7名科学家。因此，对癌症死亡人数的估算引发了有关专家的争议。

摘自《科学美国人》

PHILIPSDR探测器校正方法篇4

1 概述

我院PHILIPS DR为直接式平板探测器, 主要由光导材料非晶硒层加薄膜晶体管阵列构成。这种平板探测器是将X线直接转换成电信号, 并产生数字信号。它信号损耗小、转换质量较高、无须光电转换、避免了可见光的散射和漫射, 因此图像的对比度和分辨率较高, 对影像细节的显示也较好。

根据说明书的质量保证要求, 必须对平板探测器做QA calibration (质量保证校正) 。机器默认的时间是28 d, 校正时间超过28 d后机器会提示:“A detec-tor calibration is due now.Please starts a calibration as soon as possible!”

2 探测器校正环境

探测器的校正对环境也有着一定的要求, 室内的温度保持在18~30℃, 湿度为20%~75%, 探测器内部的温度控制在35~50℃。由于对探测器内部温度有要求, 因此不能在开机时做校正, 机器在长期工作后也不应立刻做校正。正确的方法是:在机器工作一定时间后, 20~30 min做探测器的校正。

3 探测器校正前的准备工作

(1) 确保X线球管发出的光照在探测器的中心。

(2) 移动X线球管, 确保X线球管到探测器的距离是1.5 m。

(3) 取出滤线栅。

(4) 打开调光器, 调到45 cm×45 cm, 确保探测器的每个边缘都被光束覆盖。

(5) 把21 mm厚的铝板插在球管出光口的外侧, 确保球管射出的X线都能穿过铝板照到探测器上。

(6) 确保X线球管到探测器之间的空间内没有任何东西, 尤其是探测器上不能有粘贴的“左”、“右”等字。

(7) 登陆到超级用户, 选择System→General→Modality Mode:Quality assurance, 点击“Patient list”开始探测器的校正。

4 校正方法

4.1 offset calibration wall探测器的偏移校正

点击“offset calibration wall”, 选择“Examination”, 弹出一个对话框“Offse calibration may take about 4 minutes Press OK to start”。点击“OK”后, 大约4 min探测器的偏移校正结束, 弹出一个对话框“Offset calibration successfully finished”。点击“OK”和“Complete”后, 结束探测器的偏移校正。

4.2 gain calibration wall探测器的增益校正

点击“gain calibration wall”, 选择“Examination”, 进入探测器增益校正的界面。增益校正需要曝光10次, 每次发生器调节的参数都是“-s-70kV_Q2.8”, 见表1。连续曝光10次后, 点击“OK”和“Complete”后, 结束探测器的增益校正。

4.3 pixel calibration wall探测器的像素校正

点击“pixel calibration wall”, 选择“Examination”, 进入探测器像素校正的界面。像素校正需要曝光12次, 每次发生器调节的参数不一样, 见表2。连续曝光12次后, 点击“OK”和“Complete”后, 结束探测器的像素校正。

5 校正结束

选择System→General→Modality Mode:Diagnostic, 退出超级用户, 装好滤线栅, 取出21 mm铝板, 结束探测器的校正。

总之, 探测器是DR中最核心的设备, 我们必须及时做好日常保养工作, 使其在实际工作中发挥最大作用。

参考文献

[1]杨凯.常规X线图像数字化成像技术CR与DR的比较[J].中国临床医学影像杂志, 2003, 14 (3) :219-220.

海底大地电磁探测仪的测试方法篇5

海底大地电磁探测仪的测试方法

根据海底大地电磁仪的特点,利用随机信号和线性系统理论,提出了快速可靠地测试仪器各通道幅谱特性、相频特性、噪声、信噪比等参数的方法.对于仪器的中高频段,采用一定带宽的正弦扫描信号作为测试的激励信号;在仪器的`低频段和超低频率,商用信号发生器无法产生相应的正弦扫描信号,采用带宽的2n系列伪随机信号作为测试的激励信号,通过几次测量就能完成仪器在整个工作频率范围内的测试工作.此外,开发了相应的测试软件,能自动计算电道和磁道在一定频率范围内的测试参数,使用方便、简单、快捷.

作者：陈儒军白宜诚崔燕丽邓明作者单位：陈儒军,白宜诚,崔燕丽(中南大学,资源环境与建筑工程学院,湖南,长沙,410083)

邓明(中国地质大学,应用地球物理系,北京,100083)

刊名：中南工业大学学报(自然科学版) ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF CENTRAL SOUTH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE) 年，卷(期)： 33(4) 分类号：P319.3 关键词：随机信号线性系统海底大地电磁探测仪频谱分析

煤矿采空区的探测方法与处治技术篇6

关键词:煤矿生产系统施工强夯法处理采空区

中图分类号：TD82文献标识码：A文章编号：1674-098X(2012)01(a)-0081-02

硫磺沟矿区煤层开采历史悠久，9～15号煤层厚度大，煤质好，各煤矿及小煤窑主要开采该煤层，开采管理混乱，硫磺沟煤矿位于准南煤田头屯河中游西侧硫磺沟矿区中部，行政区划隶属新疆维吾尔自治区昌吉市硫磺沟镇管辖。硫磺沟煤矿是在原昌吉市联合厂煤矿基础上由原新疆哈密煤业(集团)有限责任公司硫磺沟分公司兼并后扩建而成。2007年10月，兖矿集团对原新疆哈密煤业(集团)有限责任公司硫磺沟分公司进行了控股重组后，2008年硫磺沟煤矿开始进行年产90万吨改扩建，在施工过程中因多方面因素的影响，施工难度较大。其中，本矿井浅部小煤矿数量多，形成的采空区较多，采空区的存在影响矿井地面工程和井巷工程的布置。由于工业广场面积有效，乌鲁木齐市—庙尔沟沥青公路又从工业广场中部通过，因此，煤矿地面生产系统污水沉淀池需要从小型的煤窑采空区穿过。

地下矿层采空后,其上方覆盖的岩层失去支撑,使上方岩层产生移动变形,有可能导致各类建筑物变形破坏,甚至倒塌。如果在建筑物下存在采空区,危险性更大,必须采用综合勘探手段,查明采空区的规模、分布、填充情况,并对采空区做出科学的稳定性评价。

1 工程地质概况

地层上部为新生代第四系土层,主要为河谷沉积和残坡积物。下伏古生代二叠系中-薄层煤系地层岩石,主要岩性为砂岩、炭质页岩、泥岩、泥质砂岩,呈互层分布,中夹三层煤:4～5号、7号和9～15号。煤层的产状和其围岩产状基本一致,在浅层以40°倾角向西(沿5#台方向)延伸,深部产状趋缓。沉淀池及其附近区域的采空区为小煤窑开采形成的采煤巷道,分布浅,多为废弃的矿井,属个体开采的巷道。这类巷道分布没有资料记载,巷道支护简单或没有支护,矿井多已垮塌,被充填或部分充填。沉淀池下的采空区即为该类型。

2 探测方法

因此类采空区的无规律性,采用物探技术,快速、准确地诊断采空区的位置、规模,为地基稳定分析及治理采空区提供科学依据。

采用高密度电法与浅层地震法对采空区进行综合勘察,通过两者的结果相互验证,基本探明了采空区位置与规模。

2.1 测区地质地球物理条件

根据测区地层岩性分析,页岩和泥质砂岩电阻率比较接近,一般为n×10Ω·m～n×102Ω·m,砂岩电阻率一般比页岩和泥质砂岩高,在n×102Ω·m以上,煤层和炭质页岩电阻率一般为n×10Ω·m左右。如巷道或采空区为空洞,则空洞与非采空区完整地层的电性有较大差异,表现为相对高阻异常。因此,具备在区内开展高密度电法工作的前提条件。同时,区内不同地层存在波阻抗差,砂岩波速值较高,页岩、煤层波速值较低,采空区(充填或未充填)边界是强反射界面,测区开展浅层地震勘探的物性前提条件较充分。

2.2 测线布置

根据勘察目的和测区地层分布情况,测线平行沉淀池轴线布置。中间5条线按10m线距布置,两侧两条线间距为20m,点距为5m。地震施测中间3条测线,点距2m;为了与高密度电法对比,在沉淀池两侧,以沉淀池中轴线为中心线,布置了间隔6.5m的2条1m点距浅剖面线和1条1m点距的联络线。

2.3 探测结果

通过物探工作,基本查明了沉淀池下部的采空区情况。资料说明,本区无采空巷道,本区存在的采空区分布较复杂,2#沉淀池下存在冒落带,1#沉淀池下裂隙发育，主要在浅部,其深度在10m左右。深部采空区分布规律不似浅部明显,说明采空区规模较小,这与当地调查了解的情况基本相似。

3 地基稳定性评价

沉淀池区域稳定性评价。

该项目早已作了前期规划,煤层的开采时间为建国前,近期工业广场范围内煤层未开采,沉淀池所在区域无采空引起的沉陷盆地变形及区域性地基失稳现象,因此，沉淀池所在区域是稳定的。工业广场范围内都设计了保护煤柱，故以后的开采活动不会危及沉淀池和地面生产系统的安全。

4 强夯法处理采空区

强夯是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，它通过一般10～40t的重锤和10～40m的落距，对地基土施加很大的冲击能，在地基土中所出现的冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。

4.1 加固机理

强夯法是利用强大的夯击能给地基一冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲击力作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤压。

4.2 设计方案

选用铸钢20t夯锤夯，夯锤的平面为圆形、落距为21m。夯击点布置为三角形。强夯处理范围应大于建筑物基础范围，每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/2～2/3，并不宜小于3m。第一遍夯击点间距(夯距)为夯锤直径的2.5倍，第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间，以后各遍夯击点间距可适当减小。以保证使夯击能量传递到深处和保护夯坑周围所产生的辐射向裂隙。各夯击点的夯击数为9击。每个夯击点夯3遍，最后再以低能量满夯2遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印彼此搭接。

4.3 施工方法

选用70吨履带起重机，使用滑轮组起吊夯锤，利用自动脱钩的装置，使锤形成自由落体。拉动脱钩器的钢丝绳，其一端拴在桩架的盘上，以钢丝绳的长短控制夯锤的落距，夯锤挂在脱钩器的钩上，当吊钩提升到要求的高度时，张紧的钢丝绳将脱钩器的伸臂拉转一个角度，致使夯锤突然下落。

4.4 注意事项

为防止起重臂在较大的仰角下突然释重而有可能发生后倾，应在履带起重机的臂杆端部设置辅助门架，或采取其它安全措施，防止落锤时机架倾覆。自动脱钩装置应具有足够的强度，且施工时要求灵活。

4.5 处理效果

强夯施工结束后,在强夯范围内进行钻孔检验,采用注水、压水试验测定强夯段的渗透系数,各测点均未超过10-4cm/s,表明密实充填程度满足质量要求。从所取岩芯可见,冒落带、裂隙已被充填,达到了加固目的。

5 结语

采空区的加固处理是一个新课题,从沉淀池下采空区处理来看,由于工业广场区域是稳定的,对采空区的处理主要是保证沉淀池基础附加应力对采空区的影响。

总之,在工程建设中要尽可能避绕采空区,当必须穿过采空区时,宜采用物探手段探明采空区的位置、规模,并对采空区的稳定性做出科学的评价,如需处理,工程实践表明，采用强夯法是行之有效的方法之一，强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点，因而被世界各国工程界所重视。对各类土强夯处理都取得了良好的技术经济效果。但对饱和软土的加固效果，必须给予排水的出路。为此，强夯法加袋装砂井(或塑料排水带)是一个在软粘土地基上进行综合处理的加固途径。

提高光电系统白天探测能力方法篇7

随着航天技术的发展,在环绕地球的空间中出现了越来越多的各种用途的人造空间目标,运动在各种各样的轨道上,对其中某些空间目标的观测、跟踪、识别是一项必不可少的、非常有意义的工作.一般来讲,空间目标本身并不发光,而是依靠反射太阳光而发光的,最主要的观测方法是采用光学观测方法.由于空间目标在光学波段光谱特性与太阳光谱相同,但能量较天空背景弱的多,因此白天探测空间目标的最大困难是强背景辐射,目标微弱信号完全淹没在天空背景信号中,如何有效提高目标信号与背景信号的信噪比(SNR),从而提高系统的探测能力,是强背景下探测弱目标的关键技术.

多数文献在光电系统对空间目标白天探测能力进行研究时,从SNR出发,分析了其影响因素,得出了口径、焦距、大气透过率等影响因素与探测能力的关系,但是对于光谱滤波、相机BIN、相机增益3种技术的影响没有具体分析[1,2,3,4].在工程应用中,由于其他需求,光电系统的口径、焦距、大气透过率等参数往往已经基本确定,不能更改.为此,针对在受限情况下的光电系统白天探测能力提高技术进行了研究,提出采取光谱滤波、相机BIN、相机增益3种方法可以提高系统的探测能力,并建立了3种模式下的极限探测能力模型,结合工程设计应用进行了相关的仿真分析.

1 理论分析

1.1 探测能力提高方法

光电系统的探测能力一般用输出信号的信噪比来评定,信噪比定义为输出信号大小比上系统探测噪声的均方根值.考虑目标成像在CCD像面npix个像素上,则系统的信噪比可以表达为[5]

$S / Ν = \frac{S t}{\sqrt{(S + B n_{p i x} + Ι_{d} n_{p i x}) t + Ι_{r}^{2} n_{p i x}}} (1)$

其中,S为目标单位时间内产生的光电数;B为背景单位时间内产生的光电数;t为积分时间;Id为暗电流噪声单位时间内产生的光电数;Ir为读出噪声单位时间内产生的光电数;npix为目标成像光斑覆盖像元数.

考虑系统白天探测,则为背景噪声受限探测,其SNR表达式可近似表达如下

$S / Ν = \frac{S \sqrt{t}}{\sqrt{B n_{p i x}}} (2)$

目标单位时间内光电数S表达式为

S=ϕsaqsτfsGτs=S0fsGτs (3)

其中,ϕs为信号光子通量(光子数/m2·s);a为系统通光口径面积(m2);fs为对目标信号光谱透过率系数;qs为对目标光谱平均量子效率;τ为光学系统对目标信号的透过率,G为相机增益;τs为衰减片透过率;S0为无光谱滤波下的目标信号光电数.

背景单位时间内光电数B表达式为

B=ϕbaqbnpixτα2fbGτs=B0fbGτs (4)

其中,ϕb为背景光子通量(光子数/m2·s·弧秒2);a为系统通光口径面积(m2);fb为对背景光谱透过率系数;qs为对目标光谱平均量子效率;τ为光学系统对目标信号的透过率; α为CCD一个像元对应的空间立体角元(弧秒),G为相机增益;B0为无光谱滤波下的背景信号光电数.

将式(3)、式(4)代入式(2)可得

$\begin{array}{l} S / Ν = \frac{S \sqrt{t}}{\sqrt{B n_{p i x}}} = \frac{ϕ_{s} a q_{s} τ f_{s} G τ_{s} \sqrt{t}}{\sqrt{ϕ_{b} a q_{b} τ α^{2} f_{b} G τ_{s} n_{p i x}^{2}}} = \\ \frac{ϕ_{s} a q_{s} τ}{\sqrt{ϕ_{b} a q_{b} τ n_{p i x} α^{2}}} \cdot \frac{f_{s}}{\sqrt{f_{b}}} \cdot \sqrt{t} \cdot \sqrt{τ_{s}} \cdot \sqrt{G} \cdot \frac{1}{\sqrt{n_{p i x}}} = \\ \frac{S_{0}}{\sqrt{B_{0}}} \cdot \frac{f_{s}}{\sqrt{f_{b}}} \sqrt{t} \cdot \sqrt{τ_{s}} \cdot \sqrt{G} \cdot \frac{1}{\sqrt{n_{p i x}}} (5) \end{array}$

在不考虑系统口径、焦距、量子效率、系统透过率等影响因素,系统的探测能力主要由探测信噪比决定,信噪比越大,系统的探测能力越强.从式(5)可以看出:

(1)信噪比与目标信号光谱滤波透过率系数成正比,与背景光谱滤波透过率系数均方根值成反比;

(2)信噪比与积分时间的均方根值成正比;

(3)信噪比与衰减片透过率的均方根值成正比;

(4)信噪比与相机增益的均方根值成正比;

(5)信噪比与相机BIN模式成正比,如采取2×2,SNR提高2倍.

因此,在积分时间和透过率不变的情况下,通过光谱滤波、BIN模式和相机增益可以提高系统的探测信噪比,从而提高系统的探测能力.

1.2 极限探测能力

在光电系统的工程设计研制过程中,通常需要先根据系统的相关参数对该系统的极限探测能力进行分析.为此,针对光谱滤波、BIN模式和相机增益3种模式下的极限探测能力进行了分析.

设最小可探测信噪比阈值为Tsn,根据式(5)可得

$S_{0} = \sqrt{B_{0}} \cdot c s \cdot Τ_{s n} (6)$

其中, $c s = \frac{\sqrt{f_{b} \cdot n_{p i x}}}{f_{s} \cdot \sqrt{t \cdot G \cdot τ_{s}}} .$

在工程应用上,针对已知口径(D)、目标星等(m)、背景亮度(Bb)等参数可以简便计算S0和B0[6]

$S_{0} = a \cdot q_{s} \cdot (\bar{λ} / h c) \cdot τ \cdot 3.9 \times 10^{- 9} \cdot 2.512^{- m} (7)$

其中, $\bar{λ}$ 为平均波长;h为普郎克常数6.63×10-34;c为光速.

$B_{0} = \frac{π^{2}}{16} d^{2} q_{b} (\bar{λ} / h c) n_{p i x} B_{b} \cdot (1 - ε^{2}) (D / f)^{2} \cdot τ (8)$

其中,D为系统通光口径;f为光学系统焦距;ε为光学系统的遮拦比.

由于大气湍流的影响,通常目标成像都不在单个像素之内,对目标成像光斑覆盖像元数进行计算,长期曝光点光源图像的角半径为

$\begin{array}{l} θ_{1 / 2} = \sqrt{(1.22 λ / D)^{2} + (1.22 λ / r_{0})^{2} + σ_{t i l t}^{2}} (9) \\ σ_{t i l t}^{2} = 0.184 (D / r_{0})^{5 / 3} (λ / D)^{2} (10) \end{array}$

式中,σ2tilt为湍流引起的倾斜方差;D为系统的口径;r0为大气相干长度.则可求得目标成像光斑覆盖像元数npix为

$n_{p i x} \approx (\frac{2 θ_{1 / 2}}{α})^{2} (11)$

最终得到基于光谱滤波、BIN模式和相机增益3种模式下的系统极限探测星等为

$m \approx - 21.03 - 2.5 \lg [\frac{h c}{S_{0} η \bar{λ} t_{0} τ_{0}} \sqrt{B_{0}} \cdot c s \cdot Τ_{s n}] (12)$

2 仿真分析

根据式(5)和式(12),利用MATLAB软件进行了3种模式下的极限探测能力模型的编程实现,以光电望远镜为例,选取了适当的典型参数,对系统在光谱滤波、相机BIN和相机增益3种模式下的极限探测能力进行了仿真分析.

2.1 参数设置

(1)光电系统参数

设光电望远镜系统通光口径为0.5 m,光学透过率大于0.8,CCD平均量子效率大于80%,通光光谱为380～900 nm,具有600～900 nm(0.6 um截止)、700～900 nm(0.7 um截止)、800～900 nm(0.8 um截止)滤波波段.

(2)光谱滤波参数

太阳的色温近似为5 900 K,非自发光空间目标光来自太阳,其光谱特性与太阳辐射的光谱特性近似,目标和背景光谱的光照特性见图1,不同滤光片的光谱透过率见表1[7].

(3)相机增益

相机增益G的取值与相机的满井电荷数有关,采取增益使增益后的光子数不能大于满井电荷数,设满井电荷数为N0,则最大G的表达式可近似为

$G = \frac{Ν_{0}}{Ν_{s} + Ν_{b}} = \frac{Ν_{0} n_{p i x}}{S t + B t} (13)$

从表达式可以看出,当背景和信号光子数达到相机的满井电荷数时,相机的增益将无效,也就是说存在一个临界背景阈值.

(4)BIN

电视相机采用2×2 BIN模式,改变了目标像所占像元数(BIN模式表示像元合并,该模式下单个像元为原始状态下的4个,即npix减小4倍.)根据式(2)可以知道SNR变为原来的2倍.

2.2 仿真分析

系统的探测概率Pd可用下式表示[8]

$Ρ_{d} = \frac{1}{\sqrt{2 π}}$ $\int_{(Τ Ν R - S Ν R)}^{\infty}$ exp(-u2/2)du (14)

其中,TNR为阈值信噪比;SNR为探测信噪比.虚警概率和阈值信噪比TNR之间的关系式为

$\frac{1}{p_{f}} = \sqrt{3} \exp (Τ Ν R^{2} / 2) (15)$

系统的探测概率、信噪比和虚警率之间的关系曲线如图2所示.

从图2可以看出,当SNR取6时,系统的探测概率高,且虚警率低,为此工程应用上通常考虑SNR取6.结合相关参数,根据式(12)对系统探测能力进行了仿真,不同积分时间、不同天空背景下分析结果见图3;针对工程设计中特定天空背景的比对分析结果见表2.

从图3分析结果可以看出,系统的探测能力随着积分时间的增加而增强,随着天空背景亮度的增强而减弱.从表2的结果可以看出,在天空背景为10 W·m-2Sr-1条件下,采用光谱滤波技术(0.6 um以下截止),光电系统的探测能力得到约0.5等星提高;采用相机BIN模式,探测能力得到1.1等星的提高;采用相机增益模式,探测能力再次得到0.9等星的提高;即综合采用光谱滤波、相机BIN和相机增益3种技术,光电系统的探测能力得到2.5等星的提高.

3 结论

文中针对光电系统白天探测技术进行了研究,从探测基本原理出发,给出了光电系统探测模型;从探测模型分析得出;白天对空间目标进行观测时,采用光谱滤波、相机BIN、相机增益3种技术可以提高光电系统的探测能力,提出了基于该3种模式下的极限探测能力模型.同时,利用该模型进行了仿真分析.仿真结果表明,综合采用3种技术,相比与原始状态,光电系统的白天探测能力得到了很大的提高.在实际工程应用中,为提高系统的探测能力,建议光电系统采用600～900 nm、700～900 nm、800～900 nm滤波波段,在图像处理软件中增加相机增益功能和BIN模式功能.该模型可应用于光电系统的设计以及应用分析.

参考文献

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浅谈城市地下管线探测方法篇8

关键词：城市,管线探测,地下管线,方法

1 引言

地下管线是指埋设于地下的地下管道和地下电缆, 主要包括给水、排水、燃气、热力、工业管道以及电力、电信电缆等。地下管线是城市基础设施的重要组成部分, 是城市能量输送、物质传输和信息传递的重要载体, 其空间位置及属性信息是城市赖以生存和发展的物质基础, 被誉为城市的“生命线”。近年来, 随着城市化的不断发展, 敷设的地下管线也在不断增多, 做好地下管线的现状摸查, 可以为城市地下空间的合理开发利用、综合管理、城市数字化、智慧城市建设等奠定坚实的基础。城市地下管线种类多, 涉及给水、排水、燃气、电力、供热、通信、工业等众多领域, 用单一的方法无法完整地探测管线的空间状态;因此, 要做好地下管线的探查工作, 首先要弄清各种专业管线的种类、规格、材质及其设计施工要求等, 以便选择合适的探测仪器和方法, 保证地下管线探查的质量和效率。作者根据自己的工作体会, 结合工程实例谈一下城市地下管线探测方法和原则。

2 工程实例

2.1 测区概况

广州市某小区综合管线探测, 测区内民宅密集、商铺林立, 污染源多以生活污水为主, 此次排水整治将对现有雨污水管道进行改造, 污水进行截污处理, 雨水管道直排进河涌, 实现雨污分流。需查明待整治范围内各类地下管线的平面位置、走向、高程、埋深、管径、材质及权属单位, 绘制综合地下管线图, 为设计、施工及勘察钻孔阶段提供准确可靠的地下管线基础资料。经实地探查, 本测区有给水、排水 (包括污水、雨水) 、煤气、电力、路灯、电信等六大类共八种现状管线分布。

2.2 探测原则

为了保证地下管线摸查全面可靠, 采用以下探测原则:

(1) 首先对测区进行初步勘查, 从而了解管线的大致分布情况, 为以后的系统摸查打下基础。勘查工作由经验丰富、比较熟悉当地情况的测量人员利用地形图到现场通过查看或向管线产权单位、街道询问, 初步标出管线分布, 确立摸查的重点与难点, 以避免摸查的盲目性。

(2) 遵循从简单到复杂、先易后难、先浅后深、从已知到未知的原则。在开展管线摸查时, 首先选择管线少、干扰小、条件比较简单的区域开始, 然后逐步推进到相对条件比较复杂的地区;同时将探测方法在已知地下管线埋设的地方进行试验, 评价其方法的有效性和精度, 然后推广到未知区域开展探查工作。

(3) 遵循“从主干线到次支线”的原则。首先从主干线开始摸查, 然后顺藤摸瓜、追根溯源。

(4) 遵循“方法有效、快捷、轻便”的原则。在相对比较复杂的条件下, 选择用多种方法结合的方式来探查测区的管线, 以提高对管线的分辨率及对探测结果可靠程度。

(5) 地下管线探测的取舍标准应根据各城市的具体情况、管线的疏密程度和委托的要求确定。本项目参考《城市地下管线探测技术规程》 (CJJ61-2003) 中的地下管线普查取舍标准执行 (见表1) 。

2.3 管线探测基本技术要求

2.3.1 基本技术要求

地下管线测前应全面收集、整理和分析测区范围内的已有地下管线资料和有关测绘资料, 资料一般包括已有的各种地下管线图, 各种管线设计图、施工图及其技术资料, 还应收集相应比例尺地形图, 测区及附近测量控制成果等。探查工作开始前, 应在探查区或邻近的已知管线上进行方法试验, 确定方法和仪器的有效性、精度和最佳工作参数。地下管线测量一般采用现行《城市测量规范》和《城市地下管线探测技术规程》作为技术标准。

2.3.2 基本精度指标[6]

地下管线隐蔽管线点的探测精度一般为:平面位置限差为0.1h;埋深限差为0.15h (h为管中心的埋深, 小于1m时按1m计) 。

地下管线点的测量精度为:相对于邻近控制点, 点位中误差不超过±5cm, 高程中误差不超过±3cm。

2.4 管线探测方法

地下管线探测量方法包括明显管线点的实地调查、隐蔽管线点的物探调查和开挖调查3种方法。几种方法往往需要结合进行, 就是利用各种地下管线本身所具有的与其周围介质不同的物理特性及其与周围环境特征的关系来查找埋设在地下的各种管线的空间状态 (位置、埋深、走向) [1]。地下管线种类繁多, 很难用单一的方法完成所有管线的探测工作;针对不同的管线可以采用不同的探查方法[2], 如对电力、电信以及金属质的管线, 用管线探测仪;对非金属管线可采用调查和地质雷达探测相结合的方法, 文献[3]根据城市新型地下管线的特点, 针对非金属管线和非开挖超深管线等新型地下管线的探测难点, 从理论及应用研究着手, 提出了一套有效的探测方法和技术措施。根据本项目特点和实际情况, 采用的探测方法主要是采用隐蔽管线点物探调查法, 隐蔽管线点物探调查法主要有有电磁法、示踪法 (探头追踪法) 和扫描 (盲探) 法。

2.4.1 电磁法探测

电磁法是以地下管线与周围介质的导电性和导磁性差异为主要物性基础, 根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间分布规律, 从而达到寻找地下管线的目的。在工作中, 通过发射线圈提供谐变电流, 在其周围建立谐变磁场, 该场称为一次场, 当发射机发出的电磁信号遇到地下金属管线后, 产生感应电流和感应电磁场, 称为二次场或异常场, 在地面上通过接收机探测二次电磁场异常后, 便可确定地下管线的位置和埋深。

实际工作中, 被查金属管线邻近有较多平行管线或管线分布情况较复杂时, 我们一般采用直连法、夹钳感应法、压线法或选择激发法等方式进行探查。当采用直连法时, 要求把信号施加点上的绝缘层刮干净, 保持良好的电性接触, 而且接地电极合理布设, 保证接地点上有良好的接地条件;当采用夹钳感应法时, 夹钳套在被查管线上, 要求保证夹钳接头通路。压线法[4]是通过改变发射线圈与管线的相对位置, 达到既能抑制干扰信号, 又能增强目标信号的目的, 包括水平压线法、倾斜压线法和垂直压线法。其中, 后二种方法是1996年在广州市地下管线普查过程中研究总结的成果。对于近问距并行的管线, 可以通过改变激发方式或解释方式来进行探测, 不同的方法各有所长, 亦有局限之处, 在操作时应结合现场条件和仪器情况灵活运用。

2.4.2 示踪法探测

示踪法主要是探查有出入口的非金属管道[5], 该方法是将示踪探头伸入管道中, 在地面上通过接收机接收探头的一次场信号, 根据地面接收机的信号强弱判定管线的大致走向和埋深。该方法只能对无压力的管道, 且有出入口, 操作相对比较麻烦, 效率较低, 只有在常规方法无效的情况下才使用, 对查找排水管道的预留口该方法比较有效、适用。该方法可探测的管线包括:无压力的排水预留管道 (主要是确定排水管道的预留口位置) 、过路套管等。

2.4.3 扫描 (盲探) 法探测

根据管线探测的基本要求, 为防止漏掉一些管线分支及不易察觉的管线异常, 我们对测区内部分区域进行了扫描 (盲探) 法探测。本次工作采用英国产的RD8000型管线探测仪进行圆形扫描 (盲探) 工作, 用感应法进行探测。工作时保持发射机位置固定, 接收机在距发射机适当距离的位置上, 以发射机为中心, 沿圆形路线扫测。水平偶极发射时, 扫测要注意发射线圈与接收线圈对准成一条直线。当接收机发现异常时, 利用“70%”测深法进行定位定深;然后两机互换位置, 将该异常追踪到已知属性的管线上。

2.5 地下管线点测量

2.5.1 地下管线控制测量

地下管线控制测量应在城市的等级控制网的基础上布设图根导线点。城市等级控制点密度不足时应按现行的行业标准《城市测量规范》 (CJJ/T8-2011) 的要求加密等级控制点。

2.5.2 地下管线点测量

管线点测量是在地下管线探查工作完成后, 依据管线点地面标志和编号进行管线点测量。管线点的平面位置可以图根控制点上采用极坐标法, 导线串联法或支导线法测定;管线点的高程用图根水准或测距三角高程导线法连测。

3 结束语

城市地下管线埋设错综复杂, 而且管线之间的埋设距离很近, 用单一的技术手段往往不能够准确地判断管线的状态。在管线埋设相对复杂的情况下应采用多种物探方法相结合的方式, 来提高探测准确性。近年来, 随着新材料的发展, 非金属材料管道的使用也越来越多, 地下非金属管道探测技术也越来越引起人们的重视。今后应逐步提高探测技术水平, 以及数据采集和分析能力, 来提高地下管线的探测精度, 促进城市地下管线探测技术更快更好的发展。

所获荣誉及奖励:广州市优秀工程勘察设计奖获工程勘察三等奖。

参考文献

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地空红外探测距离推算方法探讨篇9

文献[1]中提到红外探测系统理想作用距离方程为

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式中, R为红外系统的作用距离;D0为光学系统入射孔径的直径;NA为数值孔径;D*为红外探测器的比探测度;J为目标辐射强度;τa为大气透过率;τ0为传感器的透过率;K为修正因子;ω为系统的瞬时视场;Δf是等效噪声带宽;Vs为探测器上的信号电压;Vn为探测器噪声电压的均方根值. 需要指出的是大气透过率τa应是作用距离R的指数函数, 而在式 (1) 中只采用了某些假定距离上大气透过率平均值, 并且忽略了脉冲通过信号处理系统时的损失等因素.

姜宏滨在文献[2]中用NETD对红外系统作用距离的普遍方程进行了详细表述.采用相同的原理可将红外系统的理想作用距离方程用NETD表述为

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式中, α为大气衰减系数;τa=e-aR0;XT为微分辐射量.

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式中, C2为第二辐射常数;MλT为光谱辐射通量密度.

2 距离推算考虑的主要因素

红外系统一般采用多元线阵探测器, 通过光学或机械方法来扫描整个搜索视场.由红外系统的理想作用距离方程可知, 作用距离主要受到包括红外目标辐射强度、大气透过率、红外探测器的比探测度、瞬时视场、等效噪声带宽、传感器的透过率等因素的影响.考虑到探测对象存在于天空背景之中, 还应满足目标辐射与天空背景辐射在热图像上具有一定的对比度.

综上所述, 讨论红外系统探测距离推算方法需要重点分析红外目标辐射强度、天空背景辐射强度、大气透过率和目标与背景之间的对比度等因素的影响.

2.1红外目标辐射

飞机的3种主要红外辐射源为羽流、热空腔-羽流组合体和蒙皮.

羽流一直是喷气式发动机辐射特性研究的重点和难点.羽流是一种选择性很强的辐射体, 在近、中红外波段内, 它只是在2.7 μm和4.3 μm为中心的2个不宽的波段内有较强的辐射.但是, 就是在这2个波段内大气吸收也较为强烈[3].羽流的计算方法有微观的谱带模型计算法、小哈得逊法和解辐射传输方程法等[4].北京航空航天大学的徐南荣教授提出解辐射传输方程法虽然计算量很大, 但由于计算机技术的发展, 目前解决此计算工作已经不是一个很难的问题了[3].

飞机后半球辐射由热空腔辐射和羽流辐射组合辐射而形成的热空腔-羽流组合体, 其辐射体基本在近、中红外波段内.热空腔的辐射线穿透羽流时会有很大的衰减.徐南荣教授首先提出了热空腔-羽流组合辐射的概念和数学模型[5].组合辐射的光谱特征随观察线与羽流轴线夹角的变化而变化.夹角为0°时, 基本为热空腔的辐射光谱, 只是在2.7 μm和4.3 μm 2个波段内有吸收造成的低谷, 夹角为60°时, 可以明显看到羽流在2.7 μm和4.3 μm波段的辐射, 而热空腔辐射的比例已下降了.

由于气动加热, 飞机的蒙皮温度将经受剧烈的变化, 从而产生相当强的红外辐射, 成为影响飞机红外特征的一个重要方面.飞机的蒙皮辐射在不同的波段具有不同的作用.例如一种装有喷气式发动机的旋翼直升机, 其蒙皮辐射在全机辐射中所占比重在3～5 μm和8～14 μm 2个波段分别为12.36%和86.8%[3].

可通过求驻点温度的方法求得蒙皮的辐射.驻点温度是贴近蒙皮表面的空气气流变为静止点的温度.计算公式为[6]

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式中, Ts为驻点温度 (K) ;T0为周围大气的温度;r为温度恢复系数 (层流为0.82, 紊流为0.87) ;γ为空气定压定容热容量之比 (1.4) ;M为飞机飞行速度与声速之比.

辐射亮度和辐射强度的波段值计算公式为

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式中, ε为蒙皮的发射率;Mλ为黑体的光谱辐出度.

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其中, 普朗克常数h=6.63×10-34J·s;光速c=2.99×108 m/s;玻耳兹曼常数KB=1.38×10-23J/K.由蒙皮的驻点温度及蒙皮的发射率即可利用式 (5) 计算蒙皮的波段辐射亮度.

2.2天空背景辐射

背景辐射是红外系统必然会接收到的辐射, 背景辐射在探测器上形成的辐照度有时会比目标形成的辐照度高好几个数量级, 且其变化复杂.地空红外系统的背景辐射主要来自天空背景.

天空背景可分为晴空和有云2种情况.在晴空条件下天空向下的辐射主要由2部分组成, 即天空中的气体分子及气溶胶粒子对太阳的散射和大气分子的辐射;在有云的条件下, 要考虑云对阳光的散射和云本身的辐射.

实验和理论计算表明, 对阳光的散射和大气的辐射在光谱分布上是有差别的.对阳光的散射主要分布在波长小于3 μm的范围内;而大气辐射由于大气本身温度较低, 其有效温度在200～300 K内, 因此在小于4 μm的波长范围内的辐射量很小.天空辐射可以认为是上述2种辐射的叠加.这种辐射在3～4 μm波段内出现极小值, 在3 μm以下的短波部分以散射为主, 而在4 μm以上以大气辐射为主.

在地平方向, 晴空大气分子辐射可近似地用一个T=300 K的黑体辐射来代表.因而理想化的天空辐射可用阳光散射的天空亮度与大气辐射的亮度叠加而成.

由于和水平面构成的仰角增加时, 光线路径减少, 散射阳光的大气分子数也随之减少, 散射的亮度也减少, 所以散射的亮度随观测的仰角而变化.同时天空的散射亮度也随阳光的高低角而变.

对大气的辐射可以用理论计算的方法进行估算.大气的温度、压力、密度通常随高度而变, 因此可将大气沿高度方向分成n层.假定在每一层的大气是均匀的并且处于热平衡状态, 第i层的仰角为θ角方向的光谱辐射亮度为[7]

Lλi (θ) =[1-τi (λ, θ) ]Lλ, bb (Ti) (7)

式中, Lλ, bb (Ti) 为温度是Ti的黑体的光谱辐射亮度.这层大气向地面的辐射要穿透在它下面的 (i-1) 层大气, 经过 (i-1) 层大气的衰减, 到达地面时的光谱辐射亮度为

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将各层大气对地面的辐射求和, 即可得到地面观测到的仰角为θ角方向的大气辐射造成的天空光谱辐射亮度

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已知各层大气的温度、压力、密度分布及透过率后, 就可求出大气辐射形成的天空辐射亮度的分布.

2.3大气路径的辐射衰减

由辐射源发出的光辐射都需经过大气才能到达红外探测器并被其接收, 而大气的吸收和散射将使辐射在传输过程中受到衰减.由于大气中存在多种微粒子, 如形成云、雾、雨等的复合粒子以及工矿企业向大气排放的其他悬浮微粒, 即气溶胶.这些微粒子的限度主要在15 μm以下且大小分布不均, 并散布于大气中.由于其限度可与红外电磁波的波长相比拟, 对红外波段电磁波的散射、吸收影响极大.大气衰减因素包括大气分子的吸收、散射和气溶胶的吸收、散射4个方面.

2.4目标辐射与天空背景辐射的对比度

入射到红外探测器上的目标光谱辐射功率为[8]

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式中, Jλ为目标的红外光谱辐射强度;τa为大气透过率;α为大气衰减系数;A0为光学系统接收面积;K为光学系统透过率;R为目标距离.

红外系统前端处理单元将探测器上的红外目标辐射转换成灰度值.前端处理单元所采集的目标灰度CM与Pλ的关系可写成

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式中, β为固定的系数;G为增益.

由式 (10) 和式 (11) 可知, 前端处理单元所采集的目标灰度CM与目标的红外光谱辐射强度Jλ和目标距离R之间的关系为

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前端处理单元所采集的天空背景灰度CB为

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目标辐射与天空背景辐射灰度图像的对比度为

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若红外系统的检测阈值对比度为N0, 则目标辐射与天空背景辐射灰度图像的对比度需满足N>N0才能被检测出来.

3 距离推算公式

若由已知某目标的探测距离RG1推算其他目标的探测距离RG2, 通过以上距离推算考虑的主要因素分析, 可由式 (5) 、式 (9) 、式 (14) 分别计算出目标、天空背景的辐射强度和对比度, 在满足对比度N>N0的条件下, 按如下方法进行距离推导.

将红外系统的理想作用距离方程中与系统自身相关的因素用系数ρ来代替, 只保留目标辐射强度、大气透过率等因素的影响, 式 (2) 可简化为

R2eαR=ρJ (15)

由此可得出红外系统的作用距离与目标辐射强度之间的关系曲线如图1所示.从图1可以看出, 红外系统作用距离的大小受红外目标辐射强度的强弱影响变化是缓慢的, 当辐射强度超过一定数值后, 成倍的增加辐射强度也不会对作用距离产生太多影响.

由于自然界中存在着多种红外辐射源, 为避免产生虚警, 信息处理单元需对探测器得到的各种红外目标的灰度值进行信息处理.通常将一段时间内的数据帧进行相关处理, 找出持续出现的运动角速度不大的目标.若目标在固定的飞行高度H沿径向以飞行速度V匀速飞行, 则探测距离应该是

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式中, n为信息处理需要的搜索周期数 (为了保证系统具有较远的作用距离, 一般不会超过3个搜索周期) . 式 (14) 和式 (15) 就是红外探测距离的推算公式.

假设检测阈值对比度为N0, 且已测目标和未测目标辐射与天空背景辐射灰度图像的对比度均满足N>N0, 则可由已测目标的探测距离RG1推算出未测目标的探测距离RG2.计算公式如下

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首先由式 (16) 计算出对应于已测目标的作用距离R1, 然后由式 (4) 计算出已测目标和未测目标的红外辐射强度, 其次通过式 (17) 推算出未测目标的作用距离R2, 最后再由式 (18) 计算出未测目标的探测距离RG2.

4 结束语

由红外系统的理想作用距离方程出发, 重点分析了红外目标辐射强度、天空背景辐射强度、大气透光率和目标与背景的对比度对作用距离的影响, 进而推导出了地空红外探测系统对目标的探测距离.

参考文献

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城市供水管网漏水的探测方法分析篇10

1 城市供水管网的漏水成因分析

1.1 内因分析

1.1.1 供水清水池及高位蓄水池发生漏水。

由于清水池、高位水池多数是由混凝土制成的, 因而使用年限较长, 由于水中所含的氯会导致混凝土劣化, 因此, 在使用一定年限后, 设施表面虽无异常, 但仍存在着漏水的可能性, 因此需定期测定蓄水池的水位, 以确定是否存在漏水情况。

1.1.2 输配水管以及附属设施发生漏水。

输配水管管道的材质包括铸铁、钢、水泥及塑料等多种。其中, 铸铁管道发生漏水多数是由于异常外力及腐蚀造成的。铸铁管材较球墨铸铁而言, 强度与韧性均已落后。在熔融铁中加入镁等即形成了球墨铸铁, 其可以保持连续性, 具有较强的韧性。铸铁管道管壁相对较厚, 管道周围的锈能够形成保护膜, 防止管道进一步腐蚀。只要不接触较强的酸性水, 通常不会由于腐蚀而出现漏水。但若埋设过程中管外防腐层发生损伤, 破损处将会生锈, 并逐渐向里发展, 整个管体发生炭化, 强度大大降低, 最终管道折损而产生漏水;对于钢管而言, 其发生漏水的情况较少见, 但同铸铁管一样, 容易出现接口外漏水的情况。例如, 由于接口外温度变化, 或在地动应力的影响下管体产生伸缩, 从而引起漏水事故。由于钢管比铸铁管更薄, 其在受压时容易出现变形, 并直接造成接口部分出现缝隙, 这也会导致钢管漏水。此外, 钢管接口部分具有较好的导电性, 易受地中电流的腐蚀, 因此, 应针对具体环境, 在铁道及高压电缆附近场所制定有效的防腐措施, 以防漏水;对于塑料管而言, 其由于不耐冲击、不耐热, 易受到汽油等挥发溶液的侵蚀, 在紫外线照射下易产生老化, 因而出现漏水的情况。当然, 也存在连接技术问题所导致的漏水情况, 除此以外, 有些旧管还没来得及拆除, 这样, 在长时间运行后容易出现漏水的情况。

1.2 外因分析

由于近些年各种建设工程的交替开工, 车辆负荷及震动, 地下水位降低等多种原因的影响, 地面变动进一步加剧, 城市供水管网长期受到多种负荷的作用, 极易发生漏水。首先, 供水管道的埋设深度不够, 因此, 在受到土层、路面、车辆及建筑物的动、静荷载的影响下, 埋设较浅的管道极易产生漏水现象;其次, 供水管网同地下设施或构筑物之间的间距过小, 很多地方存在着相互接触的情况, 这也是造成管路漏水的主要原因之一;再次, 管线冻结容易造成供水管网漏水, 因此, 必须做好防冻措施。此外, 工程施工导致地面移动, 地层不堪重负而导致地下水喷出, 此时附近埋设的供水管道会由于地层移动而产生扭曲, 此时, 接头发生脱离而产生漏水;最后, 由于季节温度改变而导致供水管网产生漏水现象。在管体破损前, 若水温上升时只停留于渗水状态的管体在水温降低时会出现收缩现象, 并直接导致管体破损, 这样就发生了漏水。

2 城市供水管网漏水的探测方法

2.1 音听探测检漏法

音听探测检漏法包括阀栓听音与地面听音两种方法, 前者主要用于对漏水线索及范围的查找, 也称预定位法;后者则负责对漏水点的位置进行确定, 也称为漏点精确定位法。其中, 预定位法主要采用的是听漏棒、噪声自动记录仪以及电子听漏仪等仪器对供水管道的漏水范围进行探测的, 不同的使用仪器, 其操作方法也各不相同, 目前为止, 最为有效、实用、经济的预定位技术为阀栓听音法, 此法同GPL99、GPL95等方法类同, 这些方法虽也能使用, 但综合效果较差, 且成本较高。当采用预定位技术对漏水管段进行确定后, 可采用电子放大听漏仪对地下管道的具体漏水点进行精确定位。听测时应沿着漏水管道的走向, 按照一定间距逐点进行听测和比较, 拾音器越接近漏水点, 漏水声越强, 并在漏水点的正上方达到最大, 这样就探测到了精确的漏水位置。

2.2 相关探测检漏法

此法是目前使用最多的一种精确检漏方法, 尤其适合在噪声干扰较大、管道埋设较深以及不能采用地面听漏法的管段。采用相关仪能够将地下管道漏水处的精确位置迅速检测出来。完整的相关仪主要包括一台主机、两台无线电发射机以及两台振动传感器。原理如下:若管道某处发生漏水, 漏口处将会有漏水声波产生, 并沿着管道向上下游传播, 将传感器置于管道及连接件不同的位置时, 主机将会测出漏水声波传到不同传感器之间的时间差Td, 一次, 只要给定两台传感器间的管道长度L, 及管道中声波的传播速度V, 即可按下式求出漏水点的位置Lx:Lx= (L-V×Td) /2。其中, 漏水声波传播速度V主要取决于供水管的管材、管径及相关介质。

2.3 分区探测检漏法

当听测管道的漏水声时, 漏点大所产生的漏水声较漏点小所产生的漏水声更大, 但是, 当大到某种程度后漏水声反而减小了, 因此, 不能单纯的认为漏水声越大, 漏水量就越大。分区探测检漏法能够对漏水点漏水量的大小进行判断, 并对漏水点较大的进行控制和排除, 因而大大提高了检漏的速度。分区探测检漏法主要采用的是流量计进行测漏。先将同该区相连的阀门进行关闭, 将该区同其他区分离, 而后将消防水带的一端连接在被隔离区消火栓上, 将另一端连接在流量计测试装置上。将第二条消防水带以相同的方式连接在其他消火栓上, 而后将消火栓打开, 向被隔离的管网进行供水。采用流量计对该区流量进行测量, 得出某压力下的漏水量。若存在漏水的情况, 可采用依此开、关该区阀门发现管道的漏水处。此法能够快速对较大的漏水点进行排除, 并可对供水管网的状况进行系统测试和分析, 能够发现早期漏水现象, 从而及时采取有效措施进行补漏。

3 结束语

总而言之, 随着我国城市供水事业的进一步发展, 对于供水管网探测方面的要求将会越来越高, 因此, 必须借助于各种现代化先进探测仪器, 采用有效的探测方法对城市供水管网漏水情况进行有效探测, 并借助于探测技术对供水管网的漏水情况进行有效控制, 减少漏损情况的发生, 最终达到节约水资源的目的。

摘要：水是我们赖以生存的基础, 也是城市产业发展不可缺少的基础资源。目前, 随着我国社会的飞速发展, 水资源方面的供需矛盾也越来越突出, 并已经成为我国所面临的重大问题之一。因此, 必须从各个供水环节入手, 防止水资源的浪费。在城市供水中, 供水管网发生漏水的情况屡见不鲜。因此, 必须采取有效的探测手段对城市供水管网的漏水情况进行监测与控制, 以实现节约水资源的目的。鉴于此, 文章重点就城市供水管网漏水的成因及其探测方法进行了探讨。

关键词：城市供水管网,漏水,成因,探测方法

参考文献

[1]刘文伍, 储征伟, 田庆福.武汉市地下管线探测方法技术的应用研究[J].城市勘测, 2010 (1) :63-68.

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