地球化学探测（精选10篇）
地球化学探测 篇1
摘要：对化学生物战剂的危害与杀伤效能、传统侦检方法及战剂激光雷达探测机理、结构、性能、作用机制和相关技术进行了分析。探讨了生化战剂激光雷达技术的特点及优化设计、建立战剂探测技术模块。提出生化战剂激光雷达探测技术主要包括战剂侦察报警、采集检测、距离测定、测角定位、自动跟踪、扫描成像和生物芯片检测技术。指出激光雷达探测技术为生化战剂的侦检提供了有效技术途径,多功能多传感器集成的一体化探测技术将成为今后的发展趋势和研究重点。
关键词：化学/生物战剂,激光雷达,探测技术,侦察报警
1 引言
激光雷达是传统雷达与现代激光技术相结合的产物,是一种从红外到紫外光谱波段工作的雷达系统。激光雷达之所以受到关注,是因为其具有一系列独特的优点:具有极高的角分辨率、距离分辨率和速度分辨率,测速范围广,能获得目标的多种图像,抗干扰能力强,比微波雷达的体积和质量小等。激光问世后不久,科学家就提出了激光雷达的设想,并不断开展深入地研究。40多年来,激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始,逐步发展出了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术,陆续开发出不同用途的激光雷达[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],使激光雷达成为一类具有多种功能的特殊装置和技术系统[11,12,13,14,15,16,17,18],并在许多领域得到广泛应用[19,20,21]。
军用激光雷达的主要作用是精确测量军事目标位置、运动状态和形状,探测、识别、分辨和跟踪目标。近年来,美国、俄罗斯、德国等国家军队已在火控、侦察、导弹制导、靶场测量、导航、电子对抗、超低空突防等方面进行了试验和应用,并在隐身飞机、潜艇、水雷和化学生物战剂方面进行了目标跟踪和探测。国际导弹技术控制法曾明确指出,激光雷达系统将激光用于回波测距、定向,并通过位置、径向速度及物体反射特性识别目标,体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术,激光雷达已成为重要的军事技术之一。本文基于化学生物战剂的危害和激光雷达探测原理,对化学生物战剂激光雷达探测技术进行分析研究,介绍了相关技术特征和国内外研究进展。
2 化学/生物战剂的危害与杀伤效能
大量的文献和研究结果表明,随着高新技术的发展,在未来战争中潜在着使用化学/生物武器的可能性,化学/生物战剂损伤已对人类造成严重威胁。
化学/生物武器是一种大规模杀伤性武器,化学战剂包括多种神经性毒剂、糜烂性毒剂、全身中毒性毒剂、失能性毒剂、窒息性毒剂、刺激性毒剂和植物杀伤剂等。其所含化学毒剂形成毒剂云团或液滴,使空气、地面、物体受到污染,也可污染粮食、水源。人员通过呼吸道、皮肤、伤口、消化道、眼睛等多种途径可直接引起中毒;也可由于人员接触了污染的武器装备、地面、灌木丛、植被、庄稼等间接引起中毒。化学武器使用后所产生的毒剂云团可以随风扩散到一定的空间,使大面积地区染毒,还可对没有防护的地下掩体、工事、战壕、坦克中的人员起到杀伤作用。生物战剂包括多种病毒、细菌、立克次体、衣原体、真菌和毒素等,无色、无味、看不见、摸不着,人们即使在充满战剂气溶胶的环境中也很难察觉,如果没有及时的侦察、警报和有效的防护措施,很容易吸入空气中的战剂颗粒而致病或致死。生化战剂在战场上具有广泛的杀伤效应,美军的一项实验表明,一艘潜艇在海面航行8 km,向陆地喷洒生物战剂的面积可达10 000 km2。
美国中央情报局在1997年的《化学生物威胁》报告称,世界上大约有400家公司生产能用于制造化学和生物战剂的两用设备。美国国会技术评估办公室(OTA)同年发表的《大规模杀伤性武器扩散:危险评估》报告认为,生化武器可能被一些不发达或不稳定地区的国家看成是最经济有效的大规模杀伤性武器,甚至可用于与核武器抗衡。2001年美国发生多次污染炭疽芽孢的邮件,并出现了数例炭疽患者,进一步证实了生化武器的威力。而且,化学/生物战剂在世界范围内的大规模突发事件和恐怖活动中的使用已对公共安全造成了威胁。
3 传统的化学/生物战剂侦检技术
面对生化武器的威胁,许多国家正在采取各种措施加强对生化武器的防御,对化学战剂和生物战剂的侦察报警和快速检测是发现敌方使用生化武器并及时采取防护措施的先决条件和首要解决的问题。
传统的生化战剂侦检技术,如对空气中化学战剂的侦检和未知毒剂毒物的分析判断主要依靠防化兵的检毒装备,或将采集到的样品上送至毒剂分析实验室进行检测,防化兵的装备有化学毒剂侦毒器、化学毒剂自动报警器、毒剂化验箱等,这些装置大多由士兵肩负,一边探测一边前进,探测速度慢且士兵容易中毒。近年来,经各国科学家的不断探索和研究,已研制出多种气溶胶侦察仪、气溶胶镜、比例警报器、粒子颜色警报器、生物荧光法、质谱仪、生物芯片和快速检测装置及方法,并大力发展单克隆抗体技术、基因探针杂交技术、聚合酶链式反应等检验技术,但限于仪器性能和受环境因素的影响,这些技术和设备在使用中仍有一定的局限性。
4 生化战剂激光雷达探测机理
化学/生物战剂激光雷达探测系统的基本结构和工作原理如图1所示。
如图1所示,激光雷达探测系统[22]是以激光器为辐射源,光电探测器为接收器件,以光电望远镜为天线的一种新型雷达系统。由激光雷达发射系统发出激光信号,经战剂目标反射后被接收系统收集,通过测量反射光的运行时间确定目标距离,由反射光的多普勒频移确定目标的径向速度,探测系统也可对2个或多个距离进行测量,由变化率计算出速度,而且每种战剂仅吸收特定波长的激光,对其他波长的激光是透明的,被战剂污染的表面会反射不同波长的激光。基于这种特性,可利用激光雷达对其进行探测和识别,并获取战剂目标的形状范围及相关信息。
5 生化战剂激光雷达探测技术研究进展
为适应未来战场的多样化战争特点和野外作战地域的实际需要,许多国家都在致力于研究和建立能在野战条件下使用的、灵敏度高的、快速响应的化学生物战剂监视与检测的技术条件和装备,以尽快提供化学/生物战剂威胁的报警和应急处理。该系统不同于通常的防空或反潜警戒系统,它必须具有搜索、探测、识别、定量化、监测和诊断等功能,激光雷达具备这些功能特点,并可用于化学生物战剂的遥测。
美国、俄罗斯、德国等国家先后开展了利用激光雷达技术探测化学/生物战剂的研究,取得了很大进展,已研制出多种类型的化学/生物战剂激光雷达探测装置。美军已在20~
1 000 km间演示了激光雷达对导弹和化学战剂远程目标的探测、跟踪和成像能力,其中,用激光雷达技术来探测化学战剂的实验表明它已能有效地探测到20 km远处的相关模拟战场。俄罗斯已开始装备远距离地面毒气激光探测和报警装置,该系统可实施远距离探测化学战剂,记录毒剂感应,确定毒剂气溶胶云的斜率、厚度、离地高度、角坐标及有关毒剂参数,并通过无线和有线通道向控制系统发出报警信号。目前,激光雷达探测化学/生物战剂所用激光源主要是CO2激光器和Nd:YAG激光器。
1994年,美国国防部在考察了激光雷达在战场上探测化学战剂的作用后,为法国研制出了以距离分辨双CO2激光器为基础的差分吸收激光雷达系统,并进行了野外试验。该系统利用可编程伺服电动机驱动的扫描器完成半球扫描,采用高速直接探测接收机,可在1~2 km的距离内探测化学蒸气羽烟,测绘羽烟的移动和扩散,获得了大约20 m的距离分辨率。
美国陆军埃奇伍德研究发展中心与休斯飞机公司合作研制出了可调谐封离频率捷变CO2激光器和先进探测算法的激光雷达系统,其脉冲激光重复频率为200 Hz,占空因数为40%,输入功率接近1 k W,可在包括9P44谱线在内的所有谱线上提供大于100 m J的激光能量,接收孔径达25.4 cm,探测距离达10 km,利用差分吸收和差分散射原理,扫描探测地面和大气中的化学蒸气、液体和颗粒,可舰载和固定设施使用,以地形测绘模式工作,进行大面积侦察探测。如使用重复频率100 Hz、输出激光为1 J、光学孔径为61 cm的半球扫描模式,可在5~7 km实现距离分辨,使用较高的脉冲能量和较大的光学系统时,探测距离可达20 km。
美国空军研制的以CO2激光器为基础的机载远距离化学战剂探测差分吸收激光雷达,工作波段为9~11μm、输出能量为4 J、重复频率为30 Hz、望远镜孔径为35 cm、探测距离为20~50 km,采用光学稳定平台和碲镉汞光伏探测器。
德国Hungrian公司研制出了VTB-1型遥测化学战剂传感器。该传感器使用2台可在9~11μm之间约40个频率上调节的连续波CO2激光器,利用差分吸收原理进行工作。
美国能源部的“通过激光询问扩散物的化学分析”计划的最初目标是探测核武器扩散,但随后扩展到包括探测化学和生物战剂,发展以激光为基础的遥测化学扩散物并确定其特性的系统。按照这项计划,洛斯·阿拉莫斯国家实验室负责差分吸收激光雷达的开发,评估了高重频、低能脉冲激光稳定激光光斑的能力,进行了利用光谱遥感数据识别气体混合物化学成分的化学度量分析。
美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室按照远距离防区外生物战剂探测系统计划,建造了3个系统,该系统通过测量弹性后向散射,可提供生物战剂气溶胶云的浓度、距离信息,并对其进行跟踪。远距离防区外生物战剂探测系统采用脉冲能量为420 m J、脉冲重复频率为20 Hz的Nd:YAG激光器、具有48.3cm抛物面主镜和8.13 cm副镜的卡塞格伦望远镜,用硅雪崩光电二极管探测回波能量,并在机上完成信号处理。整个系统质量为590 kg,体积为3 m3,安装在UH-60直升机上。直升机垂直于风向飞行,激光雷达垂直扫描,可探测并跟踪最远达30 km的模拟线源生物气溶胶云。
按照美国防部高级研究计划局的研究合同,EOO公司正在研制紧凑的红外/紫外混合激光雷达系统。该系统利用二极管泵浦Nd:YAG激光器产生的1.064μm激光进行弹性后向散射测量,可探测生物战剂气溶胶云的位置、形状、大小,并利用多普勒探测边缘滤波技术确定风向和风速;通过将1.064μm红外激光4倍频成0.266μm的紫外激光,进行生物战剂气溶胶云感应荧光的探测。预计样机质量为34 kg,体积为0.042 5 m3,功率需求小于500 W。此外,该公司还在研制高空化学-生物战剂探测系统。它将Nd:YAG激光雷达、10μm外差可调谐差分吸收激光雷达和频率调制-差分吸收激光雷达光谱仪的功能组合在一起,用于监视化学-生物战剂威胁。
美国Fibertek公司利用感应荧光测量原理,研制了包括2台紫外激光器和1台红外激光器的激光雷达系统,波长范围为310~445 nm,探测距离达3 km,美国陆军化学和生物防御司令部已在野外进行了试验。
此外,美国能源部洛斯·阿拉莫斯实验室利用特殊聚合物,研制出一种快速探测和识别生化战剂的新型荧光生物传感器,在激光的激发下,聚合物的电子跃迁到附着于聚合体的电子接收器分子上,跃迁过程结束后,产生的荧光随之熄灭。利用这种效应,研究人员将专门的配位体(quencher tether ligand,QTL)附着于接收器分子上,形成新的分子包,探测时,配位体与对应的生化战剂受体位点将分子包拖离聚合物,使聚合物恢复发光。实际检测时使用样品容器阵列,各容器中分别放进与不同受体相匹配的QTL。样品容器中的水溶性聚合物带负电,它吸引带正电的QTL,处于熄灭状态。当待检验的战剂样品被分别放进阵列的不同容器中后,样品的受体附着在相匹配的QTL上,并将它拉离聚合物,使聚合物恢复发光。光信号通过安装在容器上的光缆,并行传输到手持式分光计,分光计将采集的数据传给便携式计算机,最终在计算机屏幕上显示样品的分析结果,整个检测过程只需数秒钟。该方法可识别出生化物种类,准确检验特定蛋白质、病毒和细菌,并为野外环境生化战剂的便携式快速诊断奠定了基础。
我国激光雷达探测技术[23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]正在迅速发展,近年来中国科学院大气物理研究所、中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国电子科技集团公司第二十七研究所、哈尔滨工业大学等单位先后开展了各类激光雷达的研制和相关技术理论及应用研究,各种成像激光雷达、光纤激光雷达和用于激光雷达的先进光电子技术取得了一定的进展,激光雷达技术已在大气污染监测、高云、大气气溶胶和臭氧探测等领域得到应用。随着反恐和公共安全工作的需要,一些单位开展了生化战剂检测和激光雷达探测相关技术的研究。
6 技术分析
化学/生物战剂激光雷达探测技术研究总体上分为技术软件和硬件设备2个部分:技术软件包括利用激光雷达技术对化学/生物战剂的侦察、报警、采样、检测、信息处理、评价测试的技术方法和分析控制软件;硬件包括完成各项技术性能所建立的功能组件和激光雷达探测系统,如激光发射、信号接收、自动扫描、样本分析、数据处理、控制系统和报警装置等。
6.1 战剂侦察与报警技术
为了提高战剂侦察报警的准确性,利用激光雷达技术对化学生物战剂进行遥测、搜索、监视、目标识别和报警,研究侦察、检测、报警一体化技术,由激光源发射光束扫描战区,分析、提取回波信号,对战剂样本信号进行检验,获取各种参数,确定目标的类别、距离、范围、厚度、浓度、离地高度等,对目标进行定位、识别和监视,通过无线和有线通道向控制系统发出报警信号。
6.2 战剂样本采集检测技术
一定波长的激光与不同物质分子相互作用,产生特定的吸收或荧光特性,据此机理,选用Nd:YAG激光源,输入1 064nm红外激光、2倍频532 nm绿激光、3倍频355 nm紫外激光、4倍频266 nm紫外激光或CO2激光源,输出10.6μm红外激光,利用差分吸收、差分散射、弹性后向散射或感应荧光测量原理,对战剂样本进行采集、提取、检验、分析和信息处理,获取战剂的有关参数。
6.3 战剂目标距离的测定技术
根据激光测距仪原理,由激光器在规定的时序控制下产生激光脉冲,照射被测目标,照射激光被目标反射,部分反射光回到探测点,经光学天线收集进入接收系统,经电路处理,测量出自激光发射到目标反射之间的时间间隔,光速为已知的物理常数,据此测定出目标到探测点的径向距离。
6.4 战剂目标的测角定位技术
由于激光发射波束很窄、角分辨力高,并具有很高的脉冲工作频率,非常有利于远距离目标的搜索、定位,只要光束射中目标并检测到回波信号,则波束的指向即可反映出目标的准确方向,通过雷达基座方位和俯仰轴上的轴角编码器即可分别测得目标的方位角和俯仰角,根据取样反馈的信息,分别确定战剂气溶胶云分布的方位、范围、离地高度、中心角坐标等参数。
6.5 战剂目标的自动跟踪技术
采用单脉冲激光跟踪原理,以四象限光电探测器和分离误差信号的和差比较器为敏感元件,对战剂目标偏离发射光束轴线时产生的方位和俯仰误差信号进行测量,并通过伺服控制转台自动调整望远镜的指向,使光束始终对准战剂目标,实现对战剂目标的自动跟踪。
6.6 战剂目标扫描成像技术
每种战剂仅对某些激光波长具有吸收特性,而对其他波长则成透明状,在接收回波光信息时构成特有的吸收-透射图谱。根据原理,采用二维光学扫描装置,使激光束对战剂目标进行扫描,在战剂空域中不同目标的回波含有目标相应部分的反射光强度信息,以及战剂目标点至激光雷达探测点的距离和速度信息,经过信息处理,可在显示器上得到区别于背景的战剂目标图像,由图像中不同的灰度层次和不同彩色显示出战剂气溶胶云团回波信号的强弱和景深,由此可得到战剂的分布、范围、厚度、浓度和可分辨距离等信息,对战剂进行遥测和识别。如将战剂的强度像与距离像叠加,可得到战剂目标分布特征的三维图像,利用目标速度信息得到速度像,并从静止的背景中检测出运动的战剂目标,从而可对战剂气溶胶云团进行动态测量和实时观察。
6.7 战剂探测技术条件
化学/生物战剂激光雷达探测需要多项技术和保障条件,包括探测系统中的激光源、接收望远镜、扫描跟踪、信息处理、显示、控制和报警装置等,其基本参数包括激光波长、探测距离、可分辨距离、激光能量、重复频率、脉冲宽度、光束发散角、接收孔径等,并力求集成化、模块化和小型化,适于野外环境下使用,便于携带和运输。
6.8 战剂生物芯片检测技术
生物芯片是一种高技术集成的平行化处理生物信息技术,通过探针设计、修饰技术、芯片制备工艺、多样本检测芯片、信号放大、复合探针、多基因突变比例分析及基于表达谱的高精度样本分类软件等检测与分析技术研究,将生物芯片技术与激光雷达探测技术相结合,可实现远程探测、定点采样、现场快速诊断和自动信息处理,对生物战剂及重要病原微生物进行分析和检测。
7 展望
化学生物战剂激光雷达探测技术的进一步发展将会基于最新激光技术和战剂检测技术,研究侦察、采样、检测、扫描、监视、信息处理、探测报警和计算机自动控制的多功能多传感器集成的一体化探测技术,以及车载、舰载、机载和便携式化学生物战剂快速侦检激光雷达系统。
地球化学探测 篇2
海洋油气地球化学探测的理论基础-海底烃类渗漏
海底烃类渗漏是海洋油气地球化学探测的理论基础.在海洋环境,烃类渗漏可形成各种地表显示,包括与烃类组分有关的直接显示以及与烃类运移动力过程和次生效应有关的`间接指示.海底烃类渗漏具有不同的活动性和类型,活动性分为活跃渗漏和惰性渗漏,渗漏类型有宏渗漏和微渗漏.海底烃类渗漏的地表显示是海洋油气地球化学探测工作部署的基础.海底渗漏烃的含量和组成特征能够指示烃类来源和深部油气属性,进而为海洋油气资源勘探和评价提供地球化学依据.
作 者：李双林 LI Shuang-lin 作者单位：青岛海洋地质研究所,青岛,266071刊 名：海洋地质动态 PKU英文刊名：MARINE GEOLOGY LETTERS年，卷(期)：23(11)分类号：P744.4关键词：海底烃类渗漏 渗漏活动性 渗漏类型 油气地球化学探测
美、英购买化学剂探测器等 篇3
▲史密斯公司的化学剂探测器，能识别、区分不同的化学剂，如果探测到化学剂，它可发出一种能看到、听到的信号
2001年1月，英国陆军与史密斯公司签定了一份价值2千万英磅（3100万美元）的合同，购买10000具手掌大小的LCD- S化学剂探测器，2002年12月，这批探测器交到了陆军手中。它们将用于“英国未来士兵技术”（FIST)项目中。
与之相似的是，美军为满足“陆地勇士”的需求，也对“联合化学剂探测器”项目进行评估，候选产品是LCD-3和ChemPro 100。
同时，美国特种作战司令部和美国海军陆战队已购买了 LCD-3，用于装备在中东的部队。另外，澳大利亚、日本、挪威军队及英国的一支警察部队也购买了这种化学剂探测器。 ◆
南非国防军评估单兵电台
▲马可尼移动公司的单兵电台
▲瑞典萨伯公司的SRR班组电台
日前，南非国防军正在对马可尼移动公司的H4855单兵电台及瑞典萨伯公司的SRR 300班组电台进行评估。
前者是2002年年中交付“非洲勇士”项目办公室的。它有256个频道，工作频率2.4~2.483GHz，输出功率500mW。在乡村地带通信距离500m；在城市环境中，无线电信号能穿过 3层地板。它的主要特点是采用基于无线局域网技术的按键通话开关（PTT），使用者可将PTT连接在武器或其他装备上，这样可方便地使用电台通话。
地球化学探测 篇4
该探测器采用了多种检测技术的阵列式设计，核心技术之一是依维公司所特有的开放式离子迁移谱传感器。与传统的封闭式离子迁移谱传感器不同，Chem ProHT探测器无需清洗，也不需要化学加工受检样品，大大提高了检测速度，降低了检测成本，可用于更广泛的化学品的检测、分类与测量。
由于无需耗材，Chem ProHT探测器的运输、贮存及操作简单易行，只需要在累计运转3 000 h后进行一次保养，可由机内的时钟跟踪计时，即使在达到3 000 h之后，如果该检测器仍然能通过现场的自检就可以继续使用。ChemProHT探测器的用户操作界面采用了人体工程学设计，操作非常方便，超大显示屏使数据的读取非常容易，即便穿戴防护服和防护手套，该检测器的超大按键也可灵活操作。
云南省岩溶水地球物理探测实践 篇5
In recent years, the main methods adopted for karst water prospecting in Yunnan province have been resistivity sounding, nuclear magnetic resonance, resistivity imaging, etc.. The achievements and problems of the applications of these methods have been discribed in the paper, with valuable experiences summed up and technical parameters specified. And even more important, an optimized procedure for the karst water prospecting has been proposed. That is to adopt resistivity sounding to quickly cover a large area first to outline preliminarily watery sectors, and lay-out boreholes based on the sounding and geological data; then perform nuclear magnetic resonance soundings around each planned borehole location to map out water abundance of an area unit circled by the antenna frame; finally carry out densely-spaced resistivity soundings within the most prospective units to locate water-bearing bodies. The procedure has made the probability of success of drilling greatly increased.
作 者：王宇 袁道先 杨世瑜 WANG Yu YUAN Dao-xian YANG Shi-yu 作者单位：王宇,WANG Yu(昆明理工大学,云南,昆明,650093;云南省地质调查院,云南,昆明,650051)
袁道先,YUAN Dao-xian(中国地质科学院岩溶地质研究所,广西,桂林,541004)
杨世瑜,YANG Shi-yu(昆明理工大学,云南,昆明,650093)
地球化学探测 篇6
瓦斯存在于地下煤层和岩层裂隙之中,当煤层或岩层受到采动破坏时,就会从贮存瓦斯围岩的薄弱处涌出[1]。探测预测采掘面附近地质条件,从而及时发现瓦斯积聚,可以有效预防瓦斯事故的发生。
煤与瓦斯突出的实质是气-固双相地质体在地应力和瓦斯压力的作用下在空间和时间上表现出的地球物理场[1]。
地球物理探测技术因其无损、快捷、简便、低成本等特点,在探测预测瓦斯聚集工作中被广泛应用,下面对几种应用较多的物探技术做简单介绍。
1 用于瓦斯突出预测的红外探测技术
红外辐射现象是由于物质内部分子、原子热运动而不停向外辐射能量的现象。这种向外辐射的能量的强弱以及分布规律与物质材料和温度相关,并且主要和温度有关。红外辐射广泛地存在与自然界当中,煤层和岩层也无时无刻不在进行红外辐射。
通过煤层和岩层所向外发出的辐射,可以分析其地质体内部信息,这为红外探测技术提供了理论基础。
从能量角度看,瓦斯突出主要包含两个过程:一是煤体的弹性潜能转化为裂隙扩展形成的裂尖区温度场、颗粒摩擦产生的热量、煤体表面能,煤体温度上升;二是煤体破裂后,吸附的瓦斯从中解吸出来,热量转化为瓦斯膨胀能,煤体温度下降。
2 探测断层、煤体内部及瓦斯聚集的震波技术
煤层中震波一般速度Vc=1500~2000m/s,煤层密度约为ρc=1.3g/cm3,顶底板岩层中震波速度范围为Vr=3000~4500m/s,密度ρr=2.4g/cm3左右[2]。
根据波阻抗公式Z=Vρ,Dz=Zr-Zc,D≠0时界面产生折射或反射。
可以计算出煤层和围岩间的界面Dz=4.6~8.85,而反射系数R=Dz/(Zr+Zc),范围为0.34~0.7,属于强反射界面。
因此,可以通过震波技术探测煤岩层中小构造、软硬变化及内部应力的分布,从而分析瓦斯的分布状况及聚集程度。
3 探测掘进面前方及石门的瑞利波探测技术
瑞利波探测技术1987年由日本引进我国,改进后于1992年投入煤矿井下探测工作当中。瑞利波属于弹性波中的偏振波,具有椭圆极化特性,质点运动轨迹为椭圆。
瑞利波在不均匀介质中会发生频散现象,即波速随频率而改变的现象。利用瑞利波这些特性可以探测地层中弹性特征的变化,预测由于不连续产生的地质构造,如断层、破碎带等,从而提早发现瓦斯聚集,采取瓦斯抽放等措施,防止瓦斯突出事故。
该技术对地质异常体的探测准确率已经达到85%以上,在我国瓦斯事故预防工作中被广泛应用。
4 探测工作面地质异常体的无线电磁波透视成像技术
无线电磁波在岩层中传播时,不同岩石电性(电阻率ρ、介质常数ε等)不同,对无线电磁波的吸收程度不同。煤层相对顶底板岩层波阻抗较低,电磁波在煤层中传播的能量更多。但煤层对电磁波损耗较大,要提高频率,增强其辐射特性,以便于分析。
经研究,现在大多采用10KHz~10MHz范围内的电磁波进行探测工作。地层中有瓦斯聚集的地质体的衰减因子与周围岩体有显著差异,通过高频电磁波透射,获得地质体中相位差CT和衰减因子低阻场CT,分析预测出瓦斯聚集分布范围和强度[3]。
5 探测瓦斯突出煤体的超声波探测技术
煤体的结构破坏程度与其物理性质密切相关,瓦斯突出煤体与非瓦斯突出煤体物理性质(如弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度等)差异很大。超声波在两种煤体中传播速度、波谱和时距曲线明显不同[4]。
瓦斯突出煤体中超声波为伪正弦波,波谱非线性,时距曲线连续。非突出煤体中波为矩形波,波谱线性,时距曲线不连续。这就是超声波探测瓦斯突出煤体的理论基础。
该技术适用于实验室煤样、煤壁和钻孔测定,分辨率20m/s,探测煤壁距离350mm,钻孔探测10m以上。
6新技术方法及发展方向
为提高探测预测井下瓦斯聚集地质体范围、精度和准确度,我国正研发的新技术还有VSP探测技术、瞬变电磁场探测技术、瓦斯压力原位探测技术等。
美国、俄罗斯、澳大利亚等国家都在开发无人化开采的相关技术,如地下岩层、煤质实时监测系统,岩体通信技术等。
实现无人开采是煤矿瓦斯探测发展的方向,减少井下工作人员可以有效地减少事故伤亡损失。现有物理探测技术还不成熟,探测范围小、准确度不高,探测结果受地质构造影响存在多解性。所以,目前应进一步明确聚集瓦斯的地质环境,研发更加快速、准确、大范围的探测技术。
参考文献
[1]赵庆珍.红外探测技术用于预测煤与瓦斯突出的试验[J].采矿与安全工程学报,2009,26(4):529-533.
[2]刘盛东,张平松.矿井构造与瓦斯的震波超前探测技术应用分析[J].煤炭科学技术,2005,33(1):39-41.
[3]冯宏.我国防止矿井瓦斯事故的地球物理探测技术进展[J].地球物理学进展,2005,20(4):1171-1175.
地球化学探测 篇7
关键词：地下管线,管线探测,地质雷达法,高密度电阻率法
1 引言
随着社会的发展, 城市的地下管线也越来越复杂, 从解放初期的市政地下管线只有少量的给水、排水, 发展到现有给水、排水、电力、光缆、通讯、信号、煤气、天然气、热力等, 各城市管线密度已经达到非常密集的程度, 同时由于城市中新增的管线埋设施工存在不标准的现象等, 导致城市中施工经常出现挖坏电缆、通讯光缆、国防光缆等事故, 对国家安全有一定的影响, 也对群众的生活造成影响。因此掌握和摸清城市地下管线的现状, 为城市规划、建设和管理提供不可或缺的基础信息资料, 已经成为抗震、防灾、避免管线事故和保证城市人民的正常生产、生活和城市发展的需要。
对地下管线的探测最理想的就是通过非开挖工艺准确地确定出其空间位置, 而利用地球物理勘探方法 (以下简称:物探方法) 能达到经济、快速和准确的达到无损探测的目的。目前国内外用于地下管线探测的常用物探方法主要为金属管线仪探测法、地质雷达法、高密度电阻率法等。
2 物探方法简介
2.1 电磁感应法
电磁感应法可探测地下金属管线 (含一定金属材质的砼管) 、通讯缆。有两种工作方式:一种是被动源方法, 一种是主动源方法。被动源法是利用被探测目标体发出的电磁信号进行探测与追踪。其主要用于探测电力、通讯电缆, 一般情况下, 电力、通讯缆在使用的情况下, 其周围将产电磁波, 采用管线仪测试电磁场来达到追踪地下管线。主动源法是利用电磁发射装置或其它无线电信号源发射电磁波, 通过与地下管线直接连接、加钳感应、电磁感应等方式使地下管线产生感应电磁场, 利用管线仪追踪这种感应电磁场可以确定地下管线。该方法目前得到广泛的使用, 但是对于较深的顶管、非金属道、隐伏管线等存在探测困难。目前常用的为英国雷迪管线仪。
2.2 地质雷达法
地质雷达 (也叫探地雷达或透地雷达) 法利用广谱电磁波技术确定地下介质分布情况。其过程 (见图1) 为:由地质雷达系统中的窄脉冲发射源通过发射天线向地下发射高频宽频域单脉冲, 该地下脉冲在向探测物体内部传播过程中, 遇到不同电性介质界面产生不同强度的反射, 通过接收天线在全时域上的接收后向散射及反射电磁波, 再利用接收到的反射电磁波电磁学特征及发、收天线几何位置关系经过数据图像信号处理, 得出探测体内的反射体空间位置及形态。
脉冲波的行程为:
式中:t为脉冲波走时 (ns, 1ns=10-9s) ;z是反射体深度 (m) ;x为T与R的距离 (m) ;v———雷达脉冲波速 (m/ns) 。其中雷达波在物体或介质中的传播速度v与介质的相对介电常数εr有如下关系:
式中, c为真空中的电磁波传播速度 (c=0.3m/ns) 。
目前常见的地质雷达系统有美国GSSI公司的SIR系列, 加拿大Sensor and Software公司的PULSE EKKO系列, 瑞典MALA公司的RAMAC系列, 意大利生产的RIS系列, 拉脱维亚雷达系统公司Python系列以及我国青岛的LTD系列等。
2.3 高密度电阻率法工作原理
高密度电阻率法是20世纪80年代末日本地球物理学者为适应山地物探提出并实施的一种地球物理探测技术, 该方法的原理是由地面通过供电电极向地下供电, 形成点电极稳定电场, 利用测量电极通过仪器观测电场分布情况, 从而推断和研究地下不同性质介质变化及分布情况。与常规电阻率法相比, 高密度电阻率法具有以下优点: (1) 电极布置一次性完成.不仅减少了因电极设置引起的故障和干扰, 而且提高了效率; (2) 能够选用多种电极排列方式进行测量, 可以获得丰富的有关地电断面的信息; (3) 野外数据采集实现了自动化或半自动化, 提高了数据采集速度, 避免了手工误操作。此外, 随着地球物理反演方法的发展, 高密度电阻率法资料的电阻率成像技术也从一维和二维发展到三维, 极大地提高了地电资料的解释精度。
3 工程实例
3.1 工程实例一
浙江某工地:管线埋深范围底层依次为填土、粉质粘土、粘土, 地下水位约为5米。管线探测采用瑞典MALA公司的RAMAC探地雷达系统, 图2为中心频率为250MHz屏蔽天线所测试的一段雷达剖面图像, 从图像中可以发现在剖面1.5米和6.8米位置有明显的双曲线异常反射信号, 根据现场测试情况和调查表明两处异常为φ400金属管道, 根据雷达波波速确定管顶埋深为3.0米;剖面13.8米和17.3米位置有明显的双曲线异常反射信号, 根据现场测试情况和调查表明两处异常为φ500的砼管道。
3.2工程实例二
浙江宁波某工地:管线埋深范围底层依次为杂填土、粉质粘土、粘土, 地下水位约为0.6米。管线探测采用瑞典MALA公司的RAMAC探地雷达, 图3为中心频率为500MHz屏蔽天线所测试的一段雷达剖面图像, 从图像中可以发现在剖面55米位置有明显的双曲线异常反射信号, 根据现场测试情况通讯缆线管φ200砼管道, 根据雷达波波速确定管顶埋深为0.65米, 同时其他异常也采用管线仪进行测试, 发现不存在电磁感应信号, 推测杂填土中的大块石等反射信号。
3.3工程实例三
河南某工地:场地不平整, 为非金属管道, 在采用电磁感应法探测未达到探测目的时采用高密度电阻率法进行探测, 管线埋深范围底层依次为填土、粉质粘土、粘土。采用重庆地质仪器厂生产的DUK-2A高密度测试系统, 采用温施装置采集数据, 反演得到测试剖面的视电阻率拟断面图 (图4) , 从测试情况来看存在两处异常 (即:一个高阻异常体和一个低阻异常体) , 推测低阻异常体为污水管道, 高阻异常体为自来水管道 (管外面涂有防锈涂料) , 后经过钎探从里程18米处打到2.1米深度碰到混凝土管道。
3.4 工程实例四
江苏某地管线探测:工区位于工业区内, 周边为大量的印染企业, 管线埋深范围内为淤泥质粉质粘土, 地下水位为0.4米, 管线材质为混凝土管道。采用瑞典MALA公司的RAMAC探地雷达, 采用中心频率为100MHz屏蔽天线, 发现在1.5米左右深度后就无雷达波反射信号, 而该地区的地下水位很浅加之地下水位有一定的污染而呈低电阻性, 也就是说该地区的电导率过大, 导致雷达波被地下介质中传播衰减很快, 致使较深部位无雷达波反射信号, 使得探测失败。
4 结束语
地质雷达法是利用电磁波波动理论进行探测的一种新兴物探方法, 具有高分辨率、高精度、高工作效率和无损探测等优点, 但同时也有其局限性, 一般当介质电导率大于10ms/m时, 地质雷达效果将非常不理想, 也不能达到探测地下管线的目的, 因此应客观看待地质地雷达法的应用。
高密度电阻率法作为比较成熟的一种地球物理勘探方法是以地下介质电阻率差异为探测前提条件的, 当介质差异不明显时, 应用效果也不能满足要求。
因此, 在管线探测中对于难度大的地段, 采用电磁感应法和质雷达法或高密度电阻率法相结合的方式能达到较好的探测目的。
参考文献
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[2]王连成.地质雷达在工程地质和煤矿生产中的应用[J].山东矿业学院学报, 1999.
[3]傅良魁.应用地球物理教程—电法放射性地热[M].北京:地质出版社.
地球化学探测 篇8
关键词：地球物理勘测,地下水探测,应用探讨
1 地球物理方概述
目前可以用来实现对地下水勘测的地球物理方法有很多, 其中主要包括的大类有:地面电法、电测井法、热测井、磁法。同时这些勘测的方法也可以分为主动源法和被动源法。下面就具体的方式方法进行简要的介绍:
1) 地面电法
这是一类涉及范围较为广泛的勘测方法, 按照被动源和主动源划分, 其被动源的方法有: (1) 自然电场法, 即勘测地下水流向即地下水域与地表水之间的补给关系、此生层的热水范围等; (2) 声频大地电场法, 主要勘测的是延性接触带和构造破碎带的情况。
地面电法的主动源勘测形式还可以分为:电阻率法和激发极化法, 激发极化法, 主要使用在勘测岩溶发育分析, 断裂构造分析, 划分岩层分布等;而电阻率为机理的检测方法还有两种: (1) 电测深法, 这种方法可以划分近水平位, 确定含水层厚度、深度。勘测基岩埋深, 查明基本构造、风化壳厚度等。圈定地下热水的范围, 划分咸水、淡水边界等, 应用广泛, 而且勘测准确, 技术成熟; (2) 电剖面法, 这种方法在实际的应用中有, 联合剖面法、对称四极剖面、中间梯度法, 主要用于对断裂破碎带的勘测, 基底起伏情况, 探索古河道, 探索各种高低阻倾斜地电体及其接触表面, 勘测岩溶发育地带等; (3) 高密度电阻率法, 这种方法主要用于岩溶发育的勘测, 断裂构造及岩层的划分等。
2) 电测井法
电测井中的主动源法是电阻率测井法, 这种方法可划分钻井剖面, 确定岩质的电阻率参数, 确定含水层的位置及淡水和咸水的分界等;被动源法是自然电位测井法, 这种方法主要的勘测的是渗透层, 并划分咸淡水的边界, 估计地下水的电阻率等。
3) 热测井法
这种方法就是温度测井, 属于被动源法。其功能是勘测热水层, 测定地层温度的梯度, 确定井内的水位等。
4) 磁法
这种方法也是一种被动源法, 即地面磁测。主要是对磁场的研究, 寻找具有磁性差异的地质结构, 勘测圈定赋水花岗岩风化的情况和裂隙断裂带情况等。
2 地球物理方法在地下水勘测中的应用
综合的看, 多种地球物理的勘测方式有其特有的应用范围和局限性, 利用其中一种是不能完全达到勘测地下水的目的的, 因此在实践中应当利用各种技术措施的组合和优化对地下水进行准确的勘测。下面就几种地下水分布情况的勘测进行研究和分析。
2.1 空隙水的勘测
浅层的孔隙水的勘测技术目前已经达到了成熟阶段, 通常情况下采用电测法和激电测方法, 通过电阻率的参数值测定来反映含水层的结构。但是在特殊干燥的地方, 如沙漠地区, 常规的电阻率法应用起来难度交大, 电极接地电阻大、供电困难等都会局限勘测。因此采用瞬变电磁法进行勘测是较为理想的。一些浅部高度矿化的地质结构, 其电阻率往往过低, 因此电流大, 测量的电压信号也就小, 降低了勘测的精度, 因此可采用大地电磁法进行探测, 输入的信号阻抗较高, 可以消除电阻率低而造成的观测精度下降的情况。同时一些地区因为地形环境恶劣, 不利于实地工作的开展, 这时可以利用物探和地面磁共振相结合的方式来获取含水层的资料。
2.2 裂隙层地下水的勘测
勘测中, 浅层的裂隙水包括了构造裂隙、碎屑岩的孔隙裂隙水。构造裂隙水主要是指山区的基岩裂隙水和浅层的风化裂隙水。对山区基岩的裂隙水来说, 因为地形的影响, 施工难度很大, 应考虑首选高精度的时变重力资料和遥感技术来进行实际的勘测, 然后利用激电法或者瞬变电磁法等受地形影响小的方法进行勘测;如不能采用重力资料和遥感技术时, 应选择采用电剖面法、可控制音频大地电磁法等来探明裂隙的特征, 然后利用地段了解构造带下方的空间发展特性和富水性;当地质背景、地面条件相对简单的时候采用激电法勘测, 通过电阻率参数就可以对构造带的岩性结构变化和激化参数, 以此确定富水层;而地质条件复杂时可以采用大地电磁测深法, 对整个的构造和裂隙发育进行评价, 然后用核磁共振来确定内部的含水段和富水层分布。
对浅层风化裂隙水, 则采用的是高密度电阻立方和探底雷达技术勘测风化壳厚度、埋深, 然后结合激电法和核磁共振来判断富水层。而浅层碎屑岩孔隙裂隙水的探测则与浅层的孔隙水相似, 通常利用电测深、大地电磁测深、瞬变电磁、α卡放射性等技术进行勘测。对于地质条件复杂的情况, 在物理探测的技术上对重点的区域可采用地面核磁共振技术来辅助确定含水层的埋深、厚度、给水参数等。
当遇到含水层深度超过100m的时候, 多种物理探测的方法都不能获得较好的探测结果, 这时可以采用地震勘探的方式, 对岩性构造进行全面的分析, 然后再与探测深度较大且低阻目标反应灵敏的瞬变电磁法结合, 就可以获得较为准确的深层低阻裂隙水的基本参数。
2.3 岩溶水勘测
同样从浅层的岩溶水进行讨论, 这种岩溶水主要集中在西南地区, 由于岩溶地区的地表水和地下水之间频繁的转换, 地下水的空间分布极为不均匀, 且情况复杂。物探勘测的属于目的是为探明岩溶的地质结构特征, 但是受到规模和深度的限制, 物探的方法实施难度较大。在埋深小于100m的情况下, 采用核磁共振的方法较为有效, 同时也可以采用可控制的原音频大地电磁法, 瞬变电磁法, 或者高密度电阻法等对其空间位置进行确定, 有时也可用地球物理中的测井技术获得地下水的信息。当岩溶水的深度大于100m的时候, 应利用瞬变电磁法和浅层的地震勘测技术进行探测。
3 结论
地下水的勘测受到地质和地形因素的影响较大, 在不同的环境下采用不同的探测方法其效果也不尽相同。目前, 对地下水的勘测趋向于多种方法向结合的综合勘测模式, 这种方法在结合相应的评估和推定方式就会获得较为准确的地下水分布信息, 为实际应用提供帮助。
参考文献
[1]李志才.地球物理方法探测地下水的探讨[J].测绘信息与工程, 2009 (2) .
[2]鄢本胜.基于GIS的地下水环境信息系统[J].贵州工业大学学报, 2009 (3) .
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[4]任正宙.地下水探测与地下水环境分析[J].水科学进展, 2009 (2) .
地球化学探测 篇9
地球的自由振荡是地震波方程在地球介质中的本征矢量解, 其各阶的周期都可以根据弹性运动方程利用数值积分推算出来。使用PREM模型可以从理论上计算出地球自由振荡的本征频率。
本文结合PREM模型的理论值, 从台湾超导重力台站在2011年3月11日日本福岛地震发生前后记录下的超导重力数据信息中提取出部分基阶球型振荡的频率, 并与理论值进行了比较。
1 球型振荡的检测
选取地震发生前后的超导重力数据进行格值改正、剔除重力潮汐信号以及气压改正等预处理。继而使用FFT变换将超导重力数据在时间域中的信息转化到频率域中, 即将离散的数据进行离散傅里叶变换得到相应的频谱密度曲线。
图1为使用大震后4天的台湾超导重力数据绘制的频谱密度曲线。观测频段依次分别为0.2~1.8, 1.7~2.9, 2.8~3.9m HZ。可以看出图中较为清晰的检测到了0S0~0S24之间的球型自由振荡。并且低频段内的振型比较明显, 频段无较大干扰, 各个振型附近噪音小, 且观测频率值与理论值相差很小。随着频率的增大, 观测频率值与理论值差距逐渐增大, 噪声逐渐增强, 提取效果不明显。
(a) 0.2~1.8m Hz; (b) 1.8~2.9m Hz; (c) 2.8~3.9m Hz
表1为观测的基频振型周期与PREM模型理论值的结果比较。通过表1中的对比我们可以发现, 所提取出的球型振荡0S0~0S24振型观测频率值与PREM模型理论值基本一致, 有很好的相符性, 证明了PREM模型的正确性。尽管其中0S2、0S4振型存在了较大的偏差, 但这可能是由于存在了谱线分裂现象使能量被分散到临近几个频率, 从而导致很难观测。此外, 在频率域中几乎所有的实测振型均比相应的理论模型值偏大, 笔者推测可能是由于PREM模型并不能准确代表地球真实情况所致。
2 结语
地球自由振荡的发现是人类地球物理学史上的一个重大的里程碑, 标志了人们对地球结构研究的方式上升到了一个新的高度。近些年来, 越来越多的科研工作者试图利用超导重力技术研究地球自由振荡, 取得了显著的成果。相信随着科技的进步, 人们对自由振荡的了解与研究会更加透彻。
摘要：本文通过台湾站所提供的超导重力数据资料提取了2011年日本福岛地震所激发的全球性地球球型自由振荡, 并将检测到的球型振荡的本征频率与PREM模型的理论频率进行了对比, 发现与预测的振荡周期基本相符。
基于电容探测的智能液面探测技术 篇10
关键词：智能液面探测技术,电容探测,单片机,单针探头,比较输出,探测灵敏度
0前言
液面探测系统是自动化学发光免疫分析测控系统的重要组成部分[1], 用于控制采样针探入液体的深度, 从而最大限度减少挂滴, 使自动加样过程稳定可靠。电容式液面探测技术[2]原理简单、成本低、易于实现, 是应用最为广泛的液面探测方法。本文主要通过对电容式液面探测技术进行改进, 阐述提高液面探测系统灵敏度、降低最少探液量以保持系统长期稳定工作, 降低其维护成本的方法。
1 电容式液面探测原理
金属采样针通过空间环境与电路系统形成空间分布电容, 利用时基电路产生脉宽调制输出[3,4], 当采样针与导电溶液接触时增加了空间分布电容, 输出脉宽变大, 检出此事件就可探测到液面接触信息。基本原理, 见图1。R1、R2、采样针与时基电路构成单稳态触发电路, 当外部触发时开始充电, 输出高电平, 当充电到VCC/3输出反转为低电平。脉冲周期由外部触发控制, 触发频率一般在20~100k Hz, 触发周期以略大于探测到液面最大空间分布电容情况时的最大脉宽为佳, 由最大探液量及应用环境决定。
2 检测方法
脉宽调制信息经二阶低通滤波器转化为准直流电平, 当探测到液面时电平跃变升高, 跃变电平与参考电平输入比较器得到液面探测脉冲信息图。具体电路, 见图2。由U2A线性放大提供略大于本底电平的参考电平, 由于迟滞电路有一定的延时和带宽, 使得比较电路在未探测到液面时输出低电平, 探测到液面时在一段时间内输出高电平。
3 智能化设计
用时基电路提供触发源, 结合上述电路可以实现全硬件电路的液面探测系统, 但液面探测脉冲在小液量时不易被捕获, 易受干扰, 不能实现稳定可靠的探测。图2中由迟滞电路提供的参考电平在实际应用中需要反复调试, 且由于季节、气候变化, 可调电阻触点老化等原因参考电平不能一直保持稳定, 往往每隔两三个月需要人工调节一次, 这无形中增加了维护成本。
引入单片机控制液面探测[5,6]可以有效提高探测质量。原理框图, 见图3。由单片机输出一路PWM信号提供稳定的触发频率, 触发信号自图1中2脚输入, 当低于VCC/3时, 触发器置位, 3脚输出高电平, 同时放电开关管关闭, 单稳态触发器进入充电过程。为不影响脉宽调制, 选取低电平时短PWM信号作为触发信号。
根据检测原理, 稳定的参考电平不应因是否探测到液面而发生变化。可通过单片机输出另一路PWM信号经二阶低通滤波器生成直流参考电平, 并经A/D转换对其进行实时监测, 通过自适应算法自动调节占宽比使其输出与设定值一致的稳定参考电平, 探测精度要求高时需要经D/A转换来提供稳定可控的参考电平。液面探测模拟电路, 见图4。
由外部控制本底信息采集, 本底采集时间为0.2 s, 经A/D转换 (ADC) 、256个数据循环池滑动平均得到平均值, 在此基础上加一个增量作为参考电平值, 此增量的大小决定了探测的灵敏度, 通过2个单片机引脚调节该增量并自动存储到单片机EEPROM中。系统中A/D、D/A转换分别为10位精度IC。表1为在测量点AINF处本底和各种液体容量的模数转换值与数字万用表实测电压值的关系。
注:表中电压数据由于人工介入测量引入一定环境电容改变, 其测量值仅作参考。
探测到液面时的比较输出是一个稳定的高电平。为提高探测的抗干扰能力, 单片机实时跟踪比较输出:当跟踪到持续的高电平信号时输出信号;当跟踪到脉冲干扰信号时单片机通过判断持续时间予以删除, 这是提高小液量探测灵敏度的关键。100μL液面探测示波器检测结果, 见图5。
4 结论
依据电容式探测原理, 经智能化处理后的液面探测系统的灵敏度得到了大幅度提高, 最小探液量可达100μL, 优于预期最小探液量 (150μL) , 有效提高了试剂最大使用量, 降低了样本的需求量。此设计方案已应用于临床检测的某自动化学发光免疫分析仪中。
参考文献
[1]朱险峰, 张阔, 曾思思, 等.全自动临床检验仪器中液面探测技术的进展[J].生物医学工程学杂志, 2010, (4) :949-952.
[2]纪国伟.AU5400生化仪液面探测原理分析[J].中国医学装备, 2010, (7) :52-54.
[3]李书旗, 沈金荣.液位测量传感器系统的设计与实现[J].计算机测量与控制, 2009, 17 (11) :2131-2133.
[4]招惠玲, 周美娟, 胡远忠.电容式液位测量系统的设计[J].传感器技术, 2004, 23 (3) :40-42.
[5]程剑锋.基于单片机的接触式液面检测系统[J].机械工程与自动化, 2009, (6) :48-49.