DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 摘 要 采用电子束蒸镀法在SiO 2 /Si基底上蒸镀厚度为100 nm的硫化镉薄膜，然后利用掩膜版蒸镀电极，成功制备出了硫化镉薄膜光探测器。运用XRD、XPS和AFM对硫化镉薄膜进行了表征，结果表明所制备的薄膜具有非常好的致密性和良好的结晶性。光响应测试表明，所构筑的硫化镉薄膜光探测器光响应性能优异，在功率为1 mW/cm 2 ，波长为365 nm紫外光照射下的响应度达到22 A/W，同时也其可重复性进行了验证。该工作表明电子束蒸镀法是一种有效制备薄膜光探测器的手段。 关键词 :电子束蒸镀，硫化镉薄膜，光探测，光响应 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 光探测器因通信、传感、成像等多种应用而受到广泛的关注，薄膜光探测器件拥有高面积覆盖率，较大的比表面积，对控制和传感性能有极大的提高，已成为一种重要的光电探测器 [ 1 ] 。CdS是II~VI族化合物半导体材料，是直接带隙材料，其能带间隙约为2.42 eV，吸收系数在10 4 cm −1 ~10 5 cm −1 ，对光的利用率较高，广泛的应用于纳米激光器，光传感器，场效应晶体管等方面。原则上，在适当的照明光源条件下，半导体材料都应表现出光电特性，但只有CdS在可见光范围内具有高灵敏度和良好的人眼匹配度，CdS非常接近理想的光电导体 [ 2 ] 。硫化镉薄膜的一般制备方法有溅射法 [ 3 ] ，化学气相沉积法 [ 4 ] ，化学水浴沉积法 [ 5 ] ，真空蒸发法 [ 6 ] ，溶胶–凝胶法 [ 7 ] 等。其中电子束蒸发法，薄膜的纯度高，厚度控制准确，操作简单且重复性高，成膜质量好，符合我们对膜的要求。故我们采用电子束真空镀膜机和掩膜版制备了所需的硫化镉薄膜，并构筑了相应的光探测器。对制备的器件的形貌结构和光电性能进行了研究。
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user: 2. 实验 实验采用尺寸为1.0 cm × 1.0 cm的硅片(SiO 2 /Si)作为基底，经过丙酮超声5 min，乙醇超声5 min，除去表面大部分灰尘和异物，氮气吹干，放入等离子清洗机中清洗15 min，进一步去除表面的有机物灰尘等，确保基底样品干净，拥有亲水性。将处理好的硅片和沟道宽度为30 μm的掩膜版匹配贴紧，在电子束蒸发镀膜机基片板上固定好，确保掩膜版上所有的镂空图案区域都覆盖在硅片基底上。设置好蒸发参数，蒸镀100 nm的硫化镉薄膜。将硫化镉薄膜/硅片样品取出，分别进行XRD、AFM、拉曼和XPS测试分析，再将硫化镉薄膜/硅片，再用相匹配的同样间距的电极掩膜版匹配，使电极孔与薄膜带对齐贴紧，在硫化镉薄膜/硅片上分别蒸镀10 nmCr和100 nmAu作为电极。 最终样品的结构为：电极/硫化镉薄膜/硅片，即制备出硫化镉光探测器。
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user: 3. 实验结果分析 图1为100 nm硫化镉薄膜在硅片基底上的XRD衍射图谱。在CdS的衍射图谱中在25˚、26.6˚、28.3˚、43.9˚和47.9˚的位置上有5个衍射峰，由硫化镉的PDF卡片可知，对应的晶面分别为六方纤锌矿结构硫化镉的(110)、(002)、(101)、(110)和(103)的衍射晶面，故所制备的薄膜为六方纤锌矿结构的硫化镉薄膜。所制备的硫化镉薄膜中，(002)晶面对应最强衍射峰。在密排六方结构中，具有最低自由能的晶面就是(002)晶面，故薄膜在(002)晶面具有高度的择优取向。衍射图谱没有出现明显的杂峰，表明样品纯度较高，杂质含量少。 图1. 100 nm硫化镉薄膜/硅基底的XRD图谱 图2为100 nm硫化镉薄膜/硅片中镉和硫元素的XPS图谱。图2(a)为镉元素的窄扫描图谱，位于405.1 eV和411.9 eV处的峰对应的是Cd3d 5/2 和Cd3d 3/2 的电子结合能，面积比为1.3:1，相对于块状镉金属的结合能404 eV和411 eV几乎没有偏移和变化。图2(b)为硫元素的窄扫描图谱，位于161.5 eV和162.7 eV处的峰对应S2p 3/2 和S2p 1/2 的电子结合能，面积比为2.0:1，相对于块状硫晶体的结合能165 eV，略有偏移。用XPS半定量法对镉、硫元素进行定量分析，发现硫化镉薄膜中镉原子和硫原子的原子个数比接近1:1。样品成分确实为硫化镉，且纯度高，与之前的XRD分析吻合。 图2. 100 nm CdS薄膜/硅片的XPS谱图；(a) 镉元素XPS图谱，(b) 硫元素XPS图谱 图3为利用原子力显微镜对所制得到的100 nm硫化镉薄膜/硅片基底进行观察并拟合所得到的2D图3(a)和3D图3(b)，通过统计计算，R q = 1.14 nm，R a = 0.905 nm，可见整体粗糙度低，薄膜表面起伏小，生成的薄膜颗粒均匀连续，结晶性好，致密且无缺陷和掉落。 图3. 100 nm硫化镉薄膜/硅片的AFM图；(a) 2D图，(b) 3D图 图4为一对电极之间的硫化镉薄膜的光学显微图和模型图。可以看出，制备的硫化镉薄膜器件符合模型，硫化镉薄膜清晰完整，没有发现裂纹。光学显微图左边的电极比较清晰，右边比较模糊是由于电极和基底存在高度差导致的，若电极发生扩散则光学显微图中两边的电极都会模糊。图5为光探测器在偏压为1 V，功率为1 mW/cm 2 ，波长为365 nm的光照条件下的周期性加光撤光得到的电流–时间曲线，计算光谱响应度表示其探测性能。光谱响应度(R λ )是评价光探测器灵敏程度的一个重要参数 [ 8 ] ，表示光电导体有效面积上每单位入射光功率产生的光电流，计算公式为R λ = ∆i/pS [ 9 ] ，其中∆i是光电流，表示光照下的电流与暗电流之差，p是光功率。S是薄膜有效受光面积。在图5中，选取其中一个周期，在偏压为1 V时，打开波长为365 nm的光源，调节光照功率为1 mW/cm 2 ，暗电流由6.18 μA上升到6.62 μA。电流增加了0.44 μA，即∆i = 0.44 μA。关闭电源，电流下降至加光前。电极的沟道间距为50 μm，薄膜的宽度为40 μm，所以有效受光面积S = 50 μm× 40 μm。代入公式可得R λ = 22 A/W。因此，电子束蒸镀法制备的硫化镉薄膜光探测器具有较高的响应度。图5中并没有给出一个完整的周期曲线，是因为在加光时，电流上升是由于硫化镉薄膜在光照条件下吸收光子，使部分电子的能量上升，跃迁至导带，从而使电流增加，在撤去光照时，电子和空穴的复合，电流逐渐恢复至原水平，硫化镉电子与空穴完全复合速度较慢，而我们需要计算暗电流和加光电流即可，便没有给出一个完整的周期。 图4. 100 nm硫化镉薄膜光探测器；(a) 光学显微图，(b) 模型图 图5. 硫化镉薄膜光探测器电流–时间曲线 表1是为了验证可重复性，我们按相同的流程和方法制作10个100 nm硫化镉薄膜器件，并在偏压为1 V，功率为1 mW/cm 2 ，波长为365 nm的光照条件下的测试其光电性能，对所有器件进行加光撤光测试相应的电流–时间曲线图，并计算每个器件的光电流和响应度，并做成表格。统计表格，可以看出，平均的光照电流之差∆i = 0.38 μA，平均的光谱响应度为R λ = 19 A/W。集中在平均值附近的器件个数占50%，由此可见，电子束蒸发镀膜在重复制备硫化镉光探测器时，器件都具有光响应，且对光的响应度稳定，能够实现重复制备。 Table 1 Statistics of photocurrent and responsivity of CdS photodecto 器件 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 光电流 0.28 μA 0.31 μA 0.38 μA 0.39 μA 0.42 μA 0.31 μA 0.51 μA 0.44 μA 0.38 μA 0.36 μA 响应度 14 A/W 15 A/W 19 A/W 20 A/W 21 A/W 15 A/W 26 A/W 22 A/W 19 A/W 18 A/W 表1. 硫化镉薄膜光探测器光电流和响应度统计表
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user: 4. 结论 本文通过电子束蒸镀法成功的在硅片上制备出了硫化镉薄膜光探测器。XRD，XPS和AFM都表明电子束蒸发镀膜所制得的硫化镉薄膜厚度均匀，纯度高，结晶性好，质量可靠。其光响应测试表明制备的硫化镉薄膜光探测器具有良好的光响应度，通过统计多个器件光响应数据，器件的性能稳定，可重复性强。电子束蒸镀法是一种有效制备薄膜光探测器的手段。
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user: 摘 要 步入21世纪，单兵通信系统正朝着便携化、视频化、集成化方向发展，并广泛应用于武警、消防等方面。针对在复杂场景下，存在多径效应、环境噪声等影响因素，本文探究并设计了基于编码正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM)和高效视频编码(High Efficiency Video Coding， H.265/HEVC)技术的单兵视频通信系统。系统用H.265对视频图像进行压缩，经过RS编码、卷积交织、卷积编码和块交织，将数据流进行4QAM调制，经由接收端解调和解码，完成视频通信。结果表明，该通信方案可以降低数据误码率，并大幅度提升视频传输效率。 关键词 :单兵设备，视频通信，COFDM，H.265/HEVC Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 单兵视频通信系统指在单兵任务中，兵与兵或是与指挥系统之间自动建立连接并传输区域视频信息的系统，其目的是对战场信息实时获取，从而加强装备、人员之间的联系，从整体上提高部队的作战效率和性能。上世纪60年代，人们利用晶体管通信设备来提升部队的作战能力。七十年代后，大规模集成电路的普及使得跳频技术被广泛用于通信设备的研发中，之后，跳频/扩频通信方式被广泛地应用，进一步提升了信息的安全性。但是随着野外地形的多样化，通信设备面临的环境也越发复杂，多径干扰、环境噪声制约着通信设备性能的提升。基于上述背景，高效的单兵视频通信设备得以研究和发展。 对于传统的视频通信设备，数字移动通信技术传输速率过低，不能满足视频通信的需要；而普通的WiFi信号虽然能够达到较高的信道速率，对多径干扰的抵抗能力也较强，但其工作频段过高，传输范围无法达到单兵通信标准。而视频编码方面，于2003年4月被提出的H.264/AVC [ 1 ] 的编码布局已无法满足实时视频传输的需要。基于此，本文将最新的视频编码技术——H.265/HEVC [ 2 ] 应用到小型设备的视频通信中，并与COFDM技术结合，实现了较好的视频传输效果。
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user: 2. 系统结构分析 2.1. COFDM结构介绍 正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM)是一种特殊的多载波调制技术，信道在频域上被分为多个正交的子信道，则高速串行的数据流被分为多个并行的子数据流，并被调制在相互正交的子载波上进行传输 [ 3 ]。虽然OFDM利用最大限度的多载波调制对通信环境中的多径干扰进行了优化，但是不同子信道在传输过程中造成的能量不均问题仍然存在。上述问题可能导致多个子信道的同步，从而使传输信号强度过大或过小。因而在一定条件下，系统会产生峰均比过高的问题，影响接收机的效率，同时有可能造成突发差错。针对这个问题，一种方法是针对突发的误码采用COFDM技术，在OFDM基础上进行信道编码来解决此问题。 COFDM系统的发送端结构如图1(a)所示。在DVB-T标准中，COFDM所采用的数字调制为正交振幅调制(QAM)，而信道编码分为外编码、外交织、内编码、内交织四部分 [ 4 ]。其中，外编码采用RS (Reed-Solomon)编码，外交织采用卷积交织方式；内编码采用卷积码，内交织采用比特交织和符号交织。现代COFDM技术虽然不局限于上述信道编码 [ 5 ] ，但地面数字电视广播(DVB-T)标准的方案最为成熟，可作为良好的参考对象。 COFDM系统的接收端结构如图1(b)所示，它是发送端的逆进程。卷积码采用维特比译码方式解码，RS编码因本身带有前向纠错机制，所以在解码过程中可以自动纠正监督位长的突发错误。 图1. (a) COFDM发送端框图；(b) COFDM接收端框图 DVB-T标准中，外交织/解交织分别采用卷积交织/解交织。对于一串数据，发送端卷积交织器将单个码字分别调制到不同的数据分组中，旨在保证单个分组中不包含原来数据间隔小于分组长度的任意两个码字；在接收端，解交织器可以当作一个反向的卷积编码器，从而对接收序列进行运算得到正序码字。内交织/解交织分别采用比特、符号交织/解交织，发送端将编码后的比特流通过多路器送入交织器中，接着将交织后的比特调制到OFDM符号上，接收端则分别放置符号、比特解交织器，恢复比特流。 交织/解交织的过程可以将信号在传输中发生的成串误码打散到数据的各个部分，从而每一个误码都有更大概率被纠正，间接地增强了信道编码的纠错能力。 2.2. H.265/HEVC视频编码技术介绍 H.265/HEVC是于2013年发布的视频编码标准，该编码模型继承了H.264/AVC的混合编码模式，采用预测、量化、变换编码的方式；但在细节上，H.265添加了更高效的压缩算法和失真补偿技术 [ 6 ] ，支持更大的图像块处理，使得视频传输码率进一步提升。 H.265标准提出了新的视频块划分模式——编码树单元(Coding Tree Unit， CTU)，单个CTU用四叉树将图像划分为编码单元(Coding Unit， CU)、预测单元(Prediction Unit， PU)和变换单元(Transform Unit， TU) [ 7 ]。在CTU中，编码单元CU包含了最主要的图像信息，一个CU必定有一个分区关联的PU和TU用来辅助描述；预测单元PU主要用于图像的帧内和帧间预测编码；而变换单元TU则用于变换编码；H.265仍然使用DCT变换，但其支持的最大变换块为32 × 32，包含的像素数是H.264中DCT所支持最大块的16倍，更适用于图像的平滑区域码率压缩 [ 8 ]。 此外，H.265采用了全新的帧间预测技术，对运动参数的搜索、估计速度进行提升。同时，H.265/HEVC采用的TZSearch算法极大缩短了运动搜索时间，通过亚像素精度级别的预测算法，相邻帧之间的运动像素被更好地估计出来 [ 9 ]。在重构图像的过程当中，H.265采用像素自适应补偿技术(SAO)，对振铃效应进行修正，并采取CABAC(自适应二进制算术编码)的编码方式提高压缩率，而且自适应变换技术RQT (Residual Quad-Tree Transform)的应用也使得H.265在码率压缩上有所突破 [ 10 ]。 H.264/SVC编码是在AVC标准基础上增加可扩展机制的编码标准，现已应用到绝大多数视频终端和播放设备中 [ 11 ]。但近几年来，H.265的发展非常迅速，其潜力巨大，已经有替代H.264，成为视频传输主流标准的能力 [ 12 ]。由于其在同等视频质量的传输中所占带宽更小，因此该标准用于便携式组网设备中，在较差的信道下更具优势。本文所研究的单兵视频通信系统采用H.265/HEVC 视频编码技术，能更好地和COFDM技术结合，在较差的通信环境中发挥优势。
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user: 3. 系统模型搭建 当前视频通信系统普遍采用COFDM调制和H.265/HEVC视频编码技术。在此基础上，对具体的模块进行设计，搭建软件模型和硬件系统，描述一个较为全面的单兵视频通信系统方案。 3.1. 软件模型 软件算法采用matlab和visual studio 2010联合进行仿真。COFDM部分在matlab中实现，将视频编码得到的码流经过COFDM程序的读取，模拟噪声和多径环境下的信道状况，实现接收端的解调和解码。 为了突出COFDM与H.265结合的优越性能，本节的视频编码部分采用了H.265标准的HM源码和H.264标准的JM源码进行对照仿真。表1所示，在仿真过程中，对于编码后的数据，H.265源码得到的二进制码流长度为2.81 KB，而H.264源码得到的视频码流长3.79KB；从程序运行时间上看，HM源码对8帧图像编码所用时间为61秒，而JM源码对同等帧数的图像编码所用时间为120秒，其编码时间为HM源码的两倍，而在视觉体验方面，两种标准在同一个QP下解码效果没有明显差别。上述结果说明了H.265比H.264具备更高的码率压缩性能。 Table 1 Coding time and stream size of 8 images under the standards of H.264 and H.26 编码标准 文件名 文件大小(KB) 编码耗时(s) H.264 test.bin 3.79 KB 120 H.265/HEVC str.bin 2.81 KB 61 表1. H.264与H.265标准下，8帧图像的编码时间与码流大小 将上述对比中HM源码得到的视频编码码流输入到COFDM程序中，得到误码率收敛曲线如图2(a)所示。 图2. (a) 误码率收敛曲线；(b) 通信板卡结构图 由图可得，COFDM的误码率收敛速度更快，在较高的信噪比下，可达到更低的误码率，从图中也可以看到，与输入随机二进制码流不同，视频编码的码流在信噪比为8 dB的时候仍然存在误码，但其误码率已经降到了10 −4 数量级。在普通视频传输中，该误码率完全容许视频正常传输。 然而对于本文所采用的HM16.0源码库，由于其侧重于重现视频编解码的算法，因此在抗误码方面所做的工作不多。因此，在本仿真中，将编码端产生的数据流送入COFDM信道，存储解调之后的数据，测试不同的误码率下解码器对解调数据的解调效。仿真结果表明，当误码率在10 −4 数量级时，解码器的解码流程可以正常进行。 3.2. 硬件模型 在软件模型搭建完成的基础上，对系统进行硬件模型的搭设。其中，COFDM模块采用实验室和校外公司联合开发变频通信板卡。该板卡工作频段为370 MHz~390 MHz，属于特高频频段。板卡理论通信距离为3 km (无障碍物，地形平坦)。板卡结构图如图2(b)所示。 该板卡核心采用国产无线网桥芯片HED09W05SNA，其工作电压为12 V~15 V，最大电流1 A。支持COFDM的传输机制，内部烧录了802.11 b/g/n的物理层协议，兼容QPSK、16QAM、64QAM的数字调制，发射端采用OFDM调制。此外，该板卡的组网模式支持WLAN模式和无线mesh模式。 本文的系统测试中，节点由软件和硬件两部分组成。给板卡上电并连接到PC机，再将PC机与互联网断开连接，即构成了一个模拟的节点。由于器材数量有限，本文所设计的系统方案中存在两个节点，在不同情况下测试数据收发的情况。当测试节点之间能够进行数据互传时，开始进行视频信息的收发，其中大段的码流被封装成UDP分组，编码后分别用QAM进行映射，接着被调制到各路子载波上，从而完成本文所述视频通信系统的数据传输。
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user: 4. 结果分析 在不同的距离条件下，对系统进行测试。由于实验条件有限，本文将笔记本电脑作为移动节点，分别在距离10 m的空旷地带，距离15 m (相隔1个楼层)，距离20 m (相隔两个楼层)，距离40 m (楼内和楼外)的测试条件下对二进制流文件进行传输，记录结果作为强多径环境中的测量结果；为测量视距传输情况下的最大传输距离，实验开展于长2 km的辅道，分别在650 m，800 m，970 m，1100 m，1400 m，1700 m处进行定点测试。表2显示了其ping命令的执行情况和数据包的传输情况。 Table 2 Data transmission of the system at different distance 距离(m) 障碍及绕射情况 Ping平均时延(ms) 丢包率(50 pings) 收发数据是否正常 视频解码情况 9 无障碍，直射 5.254 0% 是 正常解码 11 半包围墙，绕射 + 直射 5.589 0% 是 正常解码 20 同层，两道墙，绕射 7.785 1% 是 正常解码 25 相隔一层，绕射 7.641 0% 是 正常解码 32 相隔4层，绕射 11.957 1% 是 正常解码 25 相隔5层，绕射 23.898 1% 是 正常解码 100 相隔空旷区域，拉长天线，绕射 8.720 3% 是 正常解码 250 3道墙，强干扰，绕射 122.982 48% 否 - 650 视距传输，弱多径 41.343 5% 是 正常解码 800 视距传输，弱多径 40.481 3% 是 正常解码 970 视距传输，弱多径 87.207 0% 是 正常解码 1100 视距传输，无障碍 11.193 9% 是 正常解码 1400 视距传输，弱多径 108.674 7% 是 正常解码 1700 视距传输，无障碍 6.682 0% 是 正常解码 2000 非视距传输，强多径 - - 否 - 表2. 不同距离下系统传输数据情况 从表格中可以看出，在强多径干扰的环境中，通信距离为250 m时，数据丢包率为48%，通信受阻；在微弱多径干扰(行人走动，行道树遮挡)的情况下，视距传输最远距离能达到1400 m，无障碍情况下最大传输距离达到了1700 m，在单兵视频通信过程中，上述测试结果足以完成正常通信任务。 在测量过程中，最低的ping时延为2 ms，但其平均时延为5.254 ms，出现该情况的原因是空间中有人突然走动，导致信道参数发生改变，从而产生突发时延。 实际测试中还发现，天线的角度，朝向都会影响到数据传输的效率。实验中设置一个节点固定，另一个节点走动，当两个节点同时拉长天线并高举板卡时，能够做到视距无障碍传输，但实际测试环境在多数情况下存在遮挡物，为测试带来不确定因素。总体上看，两节点距离越远，能够收发的天线可调角度越小。 表格中第四列与第五列具有一定的相关性。在丢包率小于10%的情况下，一组包含8帧图像编码信息的数据流得以传输并正常解码，能够保证帧内无误码出现。
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user: 5. 结论及展望 本文首先介绍了便携式通信系统的需求和现状，通过对单兵通信系统的需求和应用场景进行分析，分别对COFMD系统和H.265编码方案进行探究，并设计出H.265/HEVC视频编码技术联合COFDM技术的单兵视频通信系统，该系统经过性能测试，在文章所设定的多径环境中达到了较好的传输性能。系统具有传输速度较快，效率较高，传输过程中抗干扰能力较强等特点，在野外侦查任务中能够较好地适应环境，达到需求的通信效果。
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user: 摘 要 近年来钻井揭示川西地区龙潭组之下发育厚层火山岩碎屑岩地层，但火山机构平面特征及成因机理尚不明确。为刻画火山岩岩相分布，预测火山岩储层展布，理清分布规律，通过分析火山岩岩性及岩相，划分火山岩岩相类型，运用波形分类属性、波谷个数属性及古地貌恢复技术，对火山通道相、爆发相、喷溢相、火山–沉积相地震相特征进行识别，将火山机构平面相带划分为火山口、近火山口、近源及远源相带。探讨川西其他地区火山岩发育、地震相特征及发育背景，结果表明川西地区发育大面积火山岩沉积，其中近火山口爆发相内的火山碎屑岩为较好储层，是川西二叠系火山岩勘探的有利目标区。 关键词 :火山岩相，火山岩地震相，基底断裂，火山通道相，爆发相 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 川西地区A井钻井揭示，川西龙潭组之下发育厚层火山岩，岩性主要为火山角砾岩、凝灰质角砾岩、(含角砾)凝灰岩、熔结凝灰岩、玄武岩，纵向上总体可分为三个喷发期次。火山碎屑岩储层物性最佳，平均孔隙度可达18%，共发育三套储层，总厚度达141 m。中石油早期在周公山地区钻遇火山岩地层为玄武岩，存在裂缝型气藏特征，近期B井在龙泉山一带，钻遇厚层火山岩储层，并获得较好测试产能。火山碎屑岩的发现进一步丰富了川西地区地层结构，拓展了天然气勘探层系，展现了川西地区二叠系火山岩储层的良好勘探前景。 通过调研国内其他地区火山岩特征，划分川西地区火山岩岩相分类，分析地震相–岩相对应关系表明，采用波组特征分析、特征对比、波形分类，分析刻画不同岩相纵、横向发育特征。结合区域基底断裂发育特征，分析川西地区火山岩与基底断裂匹配关系。
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user: 2. 火山岩相地质特征 火山岩油气藏是油气勘探的重要目标，火山岩岩相识别和储层预测是火山岩油气藏勘探的关键。松辽盆地火山岩可分为爆发空落相、溢流相、火山碎屑流相、基底涌流相和喷发沉积相，溢流相依次分为上、中、下3个亚相 [ 1 ] [ 2 ] 。渤海湾盆地火山岩相分为熔岩相、角砾岩相和凝灰岩相 [ 3 ] 及爆发相、溢流相和火山沉积相 [ 4 ] 。根据洛带地区钻井岩心、岩屑、测井及地震资料分析，对川西地区火山岩相地质特征和识别标志进行归纳。 2.1. 火山通道相 火山通道指从深层岩浆房至地表火山口的整个岩浆运移系统。火山通道相位于整个火山机构下部，岩性为岩浆向上运移到达地表过程中滞流和回填在火山管道中的火山岩。可划分为火山颈亚相、次火山岩亚相和隐爆角砾岩亚相 [ 5 ] 。川西地区A井在火山岩地层底部钻遇次火山岩亚相，岩性为辉绿岩及玄武玢岩，距A井4 km范围地震剖面存在火山通道相反射特征。 火山颈亚相为未能喷出地表的岩浆在火山通道中冷凝固结形成，由于热沉陷作用，火山口附近的岩层存在下陷坍塌。火山颈亚相分布直径为100 m~1000 m，产状近于直立，可切穿其它岩层，多发育在深大断裂带附近；次火山岩亚相为同期或后期的熔浆侵入到围岩中、缓慢冷凝结晶形成，多位于火山机构下部，与围岩呈指状交切或呈岩株、岩墙及岩脉形式嵌入围岩；隐爆角砾岩亚相由富含挥发组分的岩浆入侵到岩石破碎带时由于压力得到一定释放又释放不完全而产生地下爆发作用形成，位于火山口附近或次火山岩体顶部，经常穿入其它岩相或围岩 [ 6 ] 。 2.2. 爆发相 爆发相形成于火山作用的早期和后期，主要分布于火山口附近的地区，可分为3个亚相：空落亚相、热基浪亚相、热碎屑流亚相。川西地区钻井钻遇空落亚相及热碎屑流亚相特征，发育火山角砾岩、火山集块岩及熔结火山碎屑熔岩。 空落亚相是固态火山碎屑和塑性喷出物在火山气射作用下在空中作自由落体运动降落到地表，经压实作用而形成的，多形成于火山岩序列的下部，或呈夹层出现，向上粒度变细，其主要构成岩性类型为含火山弹和浮岩块的集块岩、角砾岩、晶屑凝灰岩，集块结构、角砾结构和凝灰结构，颗粒支撑，常见粒序层理；热基浪亚相是火山气射作用的气–固–液态多相体系在重力作用下于近地表呈悬移质搬运，重力沉积，压实成岩作用的产物 [ 7 ] ；热碎屑流亚相是含挥发组分的灼热碎屑–浆屑混合物，在后续喷出物推动和自身重力的作用下沿地表流动，受熔浆冷凝胶结与压实共同作用固结而成，以熔浆冷凝胶结成岩为主 [ 8 ] 。 2.3. 喷溢相 喷溢相形成于火山喷发旋回的中期，是含晶矿物和同生角砾的熔浆在后续喷出物推动和自身重力的共同作用下，在沿着地表流动过程中，熔浆逐渐冷凝、固结而形成。喷溢相在酸性、中性、基性火山岩中均可见到，一般可分为下部亚相、中部亚相、上部亚相 [ 9 ] 。 喷溢相下部亚相岩石的原生孔隙不发育，但岩石脆性强，裂隙容易形成和保存，所以是各种火山岩亚相中构造裂缝最发育的；中部亚相往往发育原生气孔及构造裂缝；上部亚相气孔最为发育，成组出现的裂缝较少 [ 10 ] 。 2.4. 火山–沉积岩相 火山–沉积岩相是经常与火山岩共生的一种沉积岩相，可出现在火山活动的各个时期，与其它火山岩相侧向相变或互层，分布范围广、远大于其它火山岩相。在火山喷发过程中、尤其在火山活动的间歇期，沉积海相碳酸盐岩或火山碎屑物质，与火山岩成交互形式形成火山–沉积相组合 [ 11 ] 。
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user: 3. 火山岩地震相特征 3.1. 火山通道相 川西地区火山岩通道相地震特征明显，多表现为近直立特征，通道内部反射杂乱，存在部分亮点及空白反射区，受通道大小影响，火山通边界反射不明显。通道多与基底断裂伴生，分布于基底断裂附近及拉张槽坳陷内部。存在次火山特征，多处表现下部杂乱上部较连续反射特征；存在隐爆角砾岩亚相，地震剖面多表现为通道两侧杂乱呈团状反射(图1)。 3.2. 爆发相 洛带地区钻井及地震特征表明二叠系火山岩表现为多期次爆发特征，受喷发能量限制不同期次爆发相分布厚度及范围有所不同，整体爆发相地震特征表现为分布于火山颈两侧的丘型杂乱反射体特征，爆发相时间厚度大，且存在一定迁移特征。弱喷发期爆发相分布范围较窄厚度较薄，相内厚度差异小；强喷发期爆发相分布范围较广，火山碎屑岩厚度大，地震剖面前积特征明显，且在古地貌低区形成大量堆积，表现为透镜状杂乱反射体(图2)。 图1. 川西地区火山通道相地震特征 图2. 川西地区爆发相及喷溢相地震特征 3.3. 喷溢相及火山侵入体 岩浆溢流相多发育于爆发相之上，与爆发相相似，同受火山喷发期次能量控制溢流厚度与范围，与爆发相角砾岩及凝灰岩岩性存在显著差异，表现为高阻抗体岩石特征，形成中强波峰反射，存在亮点反射特征(图2)。川西地区目前发现的火山侵入体多表现为沿岩性接触面侵入，不同岩性接触面多存在低角度缝，岩浆顺层形成侵入通道。与溢流相类似，侵入体与围岩阻抗差异明显，地震剖面多表现为亮点反射特征(图2)。 3.4. 火山–沉积岩相 川西地区多期火山宁静期茅口组存在一定沉积，与火山岩成互层发育，受火山岩厚度与海相沉积速率影响，地震特征表现为时间厚度变小，波组特征为平行连续反射，与火山岩丘状杂乱反射存在明显波组差异(图2)。
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user: 4. 火山岩相平面划分 依据火山岩纵向岩相划分标准可识别不同地震反射特征所代表的岩相类型，平面相带划分多依据储层发育有利区进行分类，其中火山口与火山颈相对应，岩性多为火山熔岩；近火山口与爆发相及喷溢相对应，厚度发育大，为丘状反射体主体部位；近源相带与爆发相及喷溢相对应，厚度发育变薄，斜交反射特征明显。远源相带主要与火山–沉积相对性，多为凝灰岩与火山宁静期沉积岩叠互出现。结合多种地震属性可进行火山岩发育区平面相带展布划分(图3)。 图3. 川西地区火山岩相平面划分
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user: 5. 成因机理探讨 火山岩构造组合，体现了构造环境与岩浆作用之间的内在联系。不同的构造环境具有不同的动力学条件、不同的岩浆源区特征和不同的热状态，影响着岩浆的起源和演化 [ 12 ] 。徐家围子及松南气田火山岩均沿深大断裂喷发，在断凸带和次凹均有发育，断裂控制火山机构发育模式，多个火山机构岩相相互叠加，形成复合火山机构。 川西地区二叠系火山岩异常大面积分布，在洛带、广汉、龙泉山、马井、大邑等地区存在二叠系异常特征，部分地区火山通道相明显。根据前期中石油区域研究成果四川盆地存在西北–东南与东北–西南两方向基底断裂，川西地区基底断裂主要位于龙泉山下部、马井、成都北及大邑地区。 地震剖面为基底正断层特征，断层上盘震旦系地层急剧减薄，寒武系增厚明显，断层下盘震旦系地层增厚，寒武系减薄明显，表现为拉张正断层特征。基底断裂上部二叠系多存在火山岩异常，丘状外形及内部杂乱特征明显(图4)。峨眉地裂时期，地幔柱上涌，基底断裂发育地区为应力相对薄弱区，易于形成岩浆溢流通道，川西地区火山岩异常多分布于基底断裂附近。 图4. 过成都–龙泉山地区地震剖面
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user: 6. 结论 1) 根据钻井岩心、岩屑、测井分析，川西火山岩相可划分为火山通道相、爆发相、喷溢相、火山–沉积相4种岩相类型。 2) 川西地区火山岩相地震特征明显，地震剖面能够进行较好识别，结合多种地震属性可进行火山岩相平面划分。 3) 火山岩异常与基底断裂存在对应关系，表明基底断裂发育区地层薄弱，发育岩浆溢流通道，沿基底断裂附近为近源相带，可作为油气主要勘探目标区。
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user: 摘 要 本文对负浮力涡环的形成与演化的动力学特性进行了实验研究。对小冲程比(L/D = 2、3)情况下产生的浮力涡环的近场的演化进行了分析，发现随着理查德森数Ri增大，涡环的生长半径变大，涡环的运动速度减小，相应的动力学参数(水力冲量、环量等)也变小。并求得浮力涡环的冲量与速度，与细核涡环理论模型公式求得的冲量与速度对比，发现浮力涡环是符合细核涡环特性。 关键词 :负浮力射流，涡环，理查德森数 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 涡环作为由涡管封闭而形成的自由涡量分布组成的最基本涡结构，自19世纪50年代被Helmholtz发现，就成为了流体力学研究的热点 [ 1 ] 。对涡环相关特性的研究是人们研究涡动力学基本原理的主要手段。 Maxworth [ 2 ] [ 3 ] 通过活塞装置产生涡环并研究了其生成与演化的过程。Didden [ 4 ] 建立了Slug模型描述了射流产生的涡环的物理特征。Shariff等 [ 5 ] 和Lim等 [ 6 ] 对之前的在静止、非分层环境中涡环的动力学特征进行了总结。Gharib等 [ 7 ] 通过对活塞–圆管装置产生的轴对称涡环的形成过程进行研究，发现了涡环 生成过程中的夹止现象，即当冲程比L/D (L为活塞运动距离，D为管口直径，也就是形成时间( t * = U p t / D ) 达到一个临界值 F ≈ 4 时，涡环开始逐渐与后续射流主干分离，即发生夹止(Pinch-off)，之后从出口分离的剪切层涡量不再会被涡环吸收，涡环的生长达到最大状态。Gharib等人 [ 7 ] 认为起动射流中涡环生长的最大状态对应着某种流动属性的最优化。之后，Krueger和Gharib [ 8 ] 证实了在其对应的时刻，射流的时均推力达到最大值。 随着光学测速技术的发展，对涡环结构，特别是涡核的研究更加细致与准确。Weigand等 [ 9 ] 发现层流涡环内涡核的涡量符合高斯分布。Norbury [ 10 ] 根据无量纲的涡核半径对涡环进行了分类。Fraenkel [ 11 ] 在1970年对细核涡环建立了运动力学模型。Saffman [ 12 ] 、Sullivan [ 13 ] 等对细核涡环的模型进行了修正与完善。 浮力涡环作为一种环内流体与环境流体密度不同的涡环，其生成与演化过程受到浮力影响的研究结果还存在争议。早前对浮力涡环的研究主要集中在其远流场的流动特征。Turner [ 14 ] 在1957年研究了正浮力涡环在其形成后期的动力学特性，并建立了湍流浮力涡环的理论模型。提出浮力在涡环向上运动的过程中起到的主要作用是保持涡环结构稳定、增加涡环半径的增长率和减少涡环的行进速度。之后，Turner [ 15 ] 建立了起动羽流的理论模型。 近年来，受到Gharib等人 [ 7 ] 在起动射流中发现涡环夹止现象的启发，人们对起动浮力射流在初始阶段以涡环为主要流动结构的近流场动力学特性进行了一些较为系统的研究 [ 16 ] 。Pottebaum和Gharib [ 17 ] 首次在有加热底部圆盘产生的起动羽流中观察到了浮力涡环的夹止现象。该流动可以看作是起动浮力射流在出口处动量通量 减少为零的极限情况，其所有动力学变量(环量、动量和动能)都由浮力产生。该研究表明了起动浮力射流中涡环夹止现象的存在。Bond和Johari [ 18 ] 通过在环境流场中向下释放有限体积的重流体，研究了起动浮力射流在近流场的动力学特性，发现浮力产生的斜压性改变了涡环的结构和发展。Marugán-Cruz [ 19 ] 等通过实验研究了负浮力对射流的影响，发现当雷诺数足够大，而且密度与粘性的比接近一样，流体的特征就只与密度傅汝德数相关，其中Ri代表理查德森数，是浮力射流中浮力与初始动量相关的参数。其表达式为： F r = R i – 1 R i = D Δ ρ ρ g / U p 2 (1) 公式中D为圆管直径，U p 为活塞速度， Δ ρ = ρ 0 − ρ ， 为外部流场密度， ρ 0 为管内流体密度，g为重力加速度。 当 F r > 1 时，随着Fr的增加，形成数也随着增加，最后达到均质射流的值3~4左右。也就是说相对于均质射流，负浮力射流的形成数减少了。与之相对应的Wang [ 20 ] 等通过对正浮力射流的数值模拟研究，发现正的浮力增加了其形成数。Gao [ 21 ] 等通过数值模拟，研究了 − 0.06 < R i < 0.06 的浮力射流，并确定了形成数F与分离数S随Ri变化的规律。其中，分离数S是当尾流与前导涡环完全分离时的无量纲时间。在理论研究上，Shusser与Gharib [ 22 ] 对起动浮力羽流中涡环演化建立了积分模型，对其浮力涡环的形成数进行了预测。 本实验目的为研究小冲程比(L/D = 2、3)条件下，负浮力射流产生的涡环在近流场的演化与发展规律，并揭示负浮力涡环生成与演化受起动射流理查德森数影响的物理机理。
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user: 2. 实验部分 该实验装置由水箱，铝合金架，活塞–圆管装置，撞针，伺服电机，相机，激光发生器组成，如图1所示。其中水箱由有机玻璃制成，其尺寸为0.8 m × 0.8 m × 1.2 m，下方开口方便排水，并被置于铝合金架上固定，水箱中盛放环境流体，用于浮力涡环的生长与演化。 图1. 起动浮力射流装置 整个涡环的发生装置由活塞–圆管装置，撞针，两个伺服电机，倍福PLC控制器，丝杆以及钢板框架组成。其中，圆管直径D 0 = 200 mm，活塞最大运动长度L max = 220 mm，两个伺服电机位于整套装置的上方与两根丝杆连接，两根丝杆分别套有活塞与撞针。PLC控制器与电机、计算机相连，负责控制器将控制电机的运动，从而实现对活塞与撞针的控制。实验开始后，撞针向下快速运动刺破薄膜，然后迅速向上运动到离活塞面2 mm处，然后同活塞一起向下运动。 相机与激光发生器作为PIV技术中的主要设备，发生器用于照亮流场，相机用于拍摄流场照片。在该实验中使用的相机型号为IMPERX-B1620M，图像记录最大为47帧/s，每次记录图像500帧，图像分辨率为1600 × 1200像素。在PIV数据处理中，选取的最小处理窗口为32 × 32像素，步长为16像素。管内流体为酒精溶液，实验开始前管内外都要布上适量示踪粒子。通过输入控制程序的函数控制伺服电机，从而驱使活塞运动。该控制装置精度高，瞬时达到设定速度并一直以匀速运动，最后也在极短时间内停止，故活塞的运动可以看做匀速运动。 表1列出了射流的不同条件，其中H1、H2是内外密度相同的均质射流，N1-N8是负浮力射流。该实验中，所有实验情况下 Re ≈ 1000 。 Table 1 Experiment parameter case D(m) U 0 (m/s) L(m) ρ(kg/m 3 ) ρ 0 (kg/m 3 ) Δρ/ρ 0 (%) Ri H1 0.02 0.06 0.04 998.1 998.1 0 0 H2 0.02 0.06 0.06 998.1 998.1 0 0 N1 0.02 0.06 0.04 996.9 997.8 −0.09 −0.050 N2 0.02 0.06 0.06 996.7 997.6 −0.09 −0.050 N3 0.02 0.06 0.04 996.4 998.1 −0.17 −0.098 N4 0.02 0.06 0.06 996.0 997.8 −0.18 −0.102 N5 0.02 0.06 0.04 994.0 997.7 −0.37 −0.201 N6 0.02 0.06 0.06 993.9 997.5 −0.36 −0.199 N7 0.02 0.06 0.04 992.0 997.6 −0.56 −0.304 N8 0.02 0.06 0.06 992.0 997.5 −0.55 −0.298 表1. 实验参数
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user: 4. 结语 通过对L/D = 2、3的浮力涡环在不同理查德森数Ri情况下形成与演化的实验研究。通过涡量等值线、速度矢量图、涡核位置和涡环半径变化的分析，发现浮力在生成涡环过程中增加了涡环半径，减小了涡环的运动速度。还直观和间接地通过实验所得数据观测到了涡环在小Ri下的消散过程。通过对环量的分析，在L/D = 2的情况下，浮力在涡环生长过程中对涡环环量变化的影响较小，但在L/D = 3的情况下，当 t * > 2.3 以后，不同的Ri对涡环环量变化的影响开始增大。同时发现，随着理查德森数减小，在活塞停止后，涡环环量减小的速率与之成正相关。最后还对比了细核涡环的理论公式求得与实验得到的速度与水力冲量，可以推断浮力涡环属于细核涡环的范畴，也发现了浮力对涡环速度变化过程的影响。
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user: 摘 要 目前混凝土结构病害探测仍以地质雷达为主，在重要部位适当少量配合取芯钻孔，由于高频微波段地质雷达穿透能力的局限性，而钢筋混凝土结构钢筋密布，使得混凝土结构病害及成因检测存在许多难题。本文首次利用瞬变电磁法原理，区别地质雷达高频一次场而采用瞬变电磁法的二次场，利用欠阻尼中心回线装置、全期视电阻率计算、拟地震波谱处理与显示等技术，成功研制了瞬变电磁结构雷达，并在不同混凝土结构上与美国劳雷SIR-30E雷达、意大利IDS-RIS雷达进行试验对比，总结了混凝土结构病害的视电阻率特征与类型，说明用视电阻率法探测混凝土结构病害的可行性，为瞬变电磁法在混凝土结构探测方面开辟新的应用。 关键词 :混凝土结构，地质雷达，瞬变电磁雷达，结构病害，渗漏水 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 混凝土结构检测的常用方法包括：钻孔法、声波反射法、回弹–超声综合法、地质雷达法等。由于各种方法自身的局限性，使得混凝土结构质量检测仍面临许多的难题。 瞬变电磁法历经近百年的发展，从美国科学家L.W. Blan (1933年)最早提出利用电流脉冲激发供电电偶极形成时域电磁场，到目前已形成了较为完备的系统，应用也很普遍 [ 1 ] 。但在浅层瞬变电磁法研究方面，由于理论和技术上的许多困难，在国内外这一问题多年来一直处于搁置状态。上世纪90年代中后期(1994~1998)美国国家自然基金会执行了一个专门的研究项目叫“Avery Early Time Electromagnetic System”，简称VETEM计划，由Pellerin等人领导执行(Pellerin et al.， 1994、1995、1996、1997、2000年计划)。该项目研究取得了突破性进展，研究成果形成了一种相对独立的VETEM方法。我国在2004年，吉林大学研制了有自主产权的ATTEM系统。这些研究推动了浅层瞬变电磁法的发展，在地下水、地热环境及工程勘查中有广泛的应用 [ 2 ] 。 工程质量检测是浅层瞬变电磁法的一个比较新的应用领域，黄桂柏 [ 3 ] 、高永才 [ 4 ] 、董延朋 [ 5 ] 、徐善杰 [ 6 ] 等分别在埋地钢质管道腐蚀检测、地下隐蔽工程质量检测、桩基础钢筋笼长度等方面都开展了大量的研究工作。但利用瞬变电磁法检测混凝土结构质量目前尚未有报道，本文基于浅层瞬变电磁法理论、瞬变电磁雷达技术、结构雷达天线及拟地震数据处理与显示，探索利用瞬变电磁法检测混凝土结构质量及各种缺陷。
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user: 2. 瞬变电磁法探测混凝土结构可行性 瞬变电磁法探测结构病害是基于视电阻率差异，而早期电磁响应、高分辨率信号采集、抗干扰能力则需要研究地质雷达的采样机制、正反向过零叠加、拟地震信号处理等技术。 2.1. 探测混凝土结构的原理 瞬变电磁法探测混凝土结构的原理是利用混凝土结构、岩土体、空气、水等介质电阻率的差异为前提。混凝土结构可认为是有规律分布钢筋的均匀相同介质，混凝土结构病害表现为开裂、渗漏水、空洞，这些病害特征都与视电阻率有关，如图1，在隧道衬砌、注浆体、围岩中钢筋和水的电阻率低，而混凝土、空洞、岩石都为高电阻率。瞬变电磁法沿着混凝土结构测线测量，混凝土结构病害的视电阻率是随着位置变化的函数。混凝土结构、注浆体、围岩的组合视电阻率特征是判断混凝土结构病害的基础。 图1. 隧道衬砌横向结构 受诸多因素影响，混凝土结构、岩土体相关介质的物理参数见表1。从表1中可知：混凝土结构与岩体(花岗岩、砂岩、黄土等)之间存在着物性差异；缺陷部位混凝土结构被水或空气充填，与密实混凝土的物性有明显差异。因此，采用地质雷达法、声波法、瞬变电磁法(视电阻率)等对混凝土结构质量进行检测是可行的。 Table 1 Physical parameters related to the concrete structur 介质 介电常数 电导率/ms∙m −1 传播速度/m∙ns −1 衰减系数/db∙m −1 空气 1 0 0.3 0 水 80 0.5 0.033 0.1 砂岩 6 0.04 / / 灰岩 4~8 0.5~2 0.12 0.4~1 花岗岩 4~6 0.01~1 0.13 0.01~1 混凝土 4~20 1~100 0.11 / 粘土 5~40 2~1000 0.06 1~300 表1. 与混凝土结构相关介质的物理参数 2.2. 浅层瞬变电磁“感应–衰减”过程 瞬变电磁场从时间上把发射波形分为两类，从供电阶跃发射电流关断起始到关断结束为“感应阶段”，关断过程结束以后为“衰减阶段”，一次场与感应二次磁场划分都依据此来定义。从全程瞬变电磁响应曲线理论可以看出，对于 μ / μ 0 = 1 时(即被测目标体为无磁性体)，衰减段的瞬变二次磁场总是与一次激励场强度相等，符号相反，两者相互叠加抵消；对感应电压而言，根据麦克斯韦磁场理论，感应段形成的一次感应电压与电流激发形成的二次感应电压符号相反，从而使现场釆集电压小于一次感应电压值。但对于 μ / μ 0 > 1 的磁性体而言，由于一次电磁场必然磁化该磁性体，实际情况与无磁性体相反。 图2. 无磁性与磁性体的瞬变过程示意图 图2(A)为斜阶跃发射电流波形，t为时间，图中箭头指示电流衰减趋势，图2(B)为发射电流形成一次场在接收线圈中形成的感应电压V 1 的波形，假设其为正，图2(C/D)分别为电导体与磁导体的一次场在感应段形成二次场电压波形，V 2 与 V ′ 2 符号相反， V ′ 2 符号与V 1 相同，在实际探测结果中，所得到的感应电压为一次场电压V 1 与二次场感应电压V 2 、 V ′ 2 矢量叠加之和，从而有 V 1 + V 2 < V 1 和 V 1 + V ′ 2 > V 1 。图2给出的是纯发射电流形成的全程瞬变电磁响应，在实际非纯电阻性线圈装置上，仪器所釆集的电信号由于线圈分布电容存在及关断时间造成一定的畸变。 2.3. 影响浅层瞬变电磁探测的因素 通常用于浅层探测的方法有三种：探地雷达方法(GPR)、频率域电磁法(FEM)以及瞬变电磁法(TEM)。这三种方法中，每一种都有其优点和一定的局限性。 浅层瞬变电磁法是基于常规TEM发展起来的，由于TEM的探测深度是由观测时间的早晚决定，早期的TEM仪器受工艺与电子器件技术的限制，关断时间和最早采样时间普遍比较长，使得探测深度通常在数十米以下，不能满足环境与工程探测的需要，对于时间域电磁方法来说，探测深度是由观测时间的早晚决定的。如图3所示，理论上，瞬变电磁方法是可以实现近地表的探测，但是国内外研制的测量系统都不能达到零时间关断；而且在实际工作中，由于发射电流的关断时间不为零，接收装置所测量的瞬变电磁信号在相当长的一段时间内受到严重影响而发生畸变，如果用于解释将产生错误的结果。于是，目前时间域瞬变电磁法仪器记录的几乎全部是晚期信号，或者在数据处理时仅采用了晚期信号，这种情况将产生两种后果：第一，它损失了TEM方法探测浅部结构的能力，因为浅部结构的信息主要由早期信号携带；第二，它降低了TEM方法的分辨能力，因为关断电流的影响将使瞬变响应发生畸变。影响瞬变电磁浅层探测的因素主要有： 1) 仪器发射机关断时间不够小，采样率不够高； 2) 线圈的暂态过程(过渡过程)：早期一次场与二次场的叠加； 3) 仪器的抗干扰能力和环境噪声的矛盾； 4) 地质体的电性、埋深、几何参数与地电断面的性质。 图3. 瞬变电磁法采集原理
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user: 3. 瞬变电磁结构雷达研制 瞬变电磁法探测结构需要解决类似雷达的扫描式探测系统、针对结构探测的天线装置、数据处理与成像等系列技术。 3.1. 瞬变电磁雷达系统 瞬变电磁雷达系统(Transient Electromagnetic Radar，简称TER)是使用调制的瞬变电磁波形和定向天线向地下空间中的特定空域发射电磁波以搜索目标。搜索域内的物体(目标)把能量的一部分反射回雷达接收机处理这些回波，从中提取距离、速度、角度位置和其他目标识别特征等目标信息。TER系统如图4所示。 图4. TER瞬变电磁结构雷达 TER瞬变电磁雷达 [ 7 ] 由北京市市政工程研究院研制，TER系统由电磁发射机、电磁接收机、天线及处理软件组成。具体指标参见表2。 Table 2 Transient electromagnetic structure radar technical inde 发射机 接收机 发射频率 0.0625 Hz~222 Hz 采样频率 4.096 KHz~52.734 KHz 断电时间 <100 us A/D分辨率 24Bit高精度 供电电流 0 A~16 A 动态范围 175 dB 触发方式 上升沿 同步方式 电缆 发射方式 连续/测量轮 延时窗口 1000 电流波形 双极性方波，占空比可调 叠加次数 1~9999 操作方式 菜单式人机对话 通讯接口 WiFi 工作电源 6 V~12.6 V (锂电内置) 仪器箱体 240 × 160 × 103 mm 仪器重量 2 Kg 表2. TER结构雷达技术指标 其中的连续、测量轮发射方式可用于结构的精细探测。 3.2. “欠阻尼”中心回线装置 对于常规瞬变电磁法来说，浅层瞬变电磁法记录信息更全面，所记录信息为电流开始关断时刻以后的纯瞬变二次磁场，该场定义为全程瞬变二次磁场。 目前，大部分TEM仪器野外工作时通常使用接收线圈观测瞬变电磁感应电压，主要采用多匝空芯线圈和多匝磁芯线圈两种方式，其模型可以等效如图5所示。 V i 为接收线圈的感应电压，是理论上的瞬变电磁感应电压信号，r为接收线圈的内阻，L为接收线圈的电感，C r 表示接收线圈的分布电容，R a 和C a 分别为前置放大器的输入电阻与输入电容， R T 为并联在接收线圈两端的阻尼电阻，调节 R T 的大小可以使得线圈的过渡过程处于临界状态，一般情况下 R T ≪ R a 。 图5. 接收线圈等效电路 在阶跃电流激励下，接收线圈有一定的响应，其响应特征方程可以表示为 [ 8 ] ： d 2 V ( t ) d t 2 + 2 δ d V ( t ) d t + ω 2 V ( t ) = 1 L C ε ( t ) (1) 通过对(1)式进行时间–频率拉普拉斯变换，可得瞬变电磁接收系统接收函数： g ( s ) = 1 L C ( s 2 + 2 K ω s + ω 2 ) (2) 上式中， s = 2 π i f 为复变量，其中f为接收线圈的响应频率； K = δ / ω ， δ 接收系统的阻尼系数。对(2)式进行频率–时间拉普拉斯逆变换，可得瞬变电磁探测系统接收脉冲函数表达式 [ 8 ] ： g ( t ) = L − 1 [ g ( s ) ] = { 1 L C α e − ξ s h ( α t ) ， ( ξ ≥ 1 ) 1 L C α e − ξ s h ( α t ) ， ( ξ < 1 ) (3) 根据电路信号数理理论及信号线性时不变理论，电路理论信号被线圈接收以后输出的电动势发生一定的变化，其值为频率与效度乘积，即： V ( t ) = g ( t ) × ε ( t ) (4) 通过(4)式可以求出斜阶跃电流脉冲下理论电信号 ε ( t ) 所对应接收 V ( t ) 。根据电磁振荡理论可知， 电路有谐振与固有两种频率，电路振荡临界系数可定义为 K = δ ω = α ( 1 2 R ) L / C + 1 2 r C / L 。 式(1~4)中： V ( t ) 为接收线圈接收参数即输出电动势； δ = ( r C + L / R ) / 2 L C r为瞬变电磁电路系统中接收线圈R x 内阻； R为外接电阻即配置电阻；L为接收线圈电感； C为系统中接收线圈的分布电容； ω = ( r / R + 1 ) / L C 为接收线圈的谐振频率； α = ω | K 2 − 1 | ，当K < 1、K = 1、K > 1，接收系统分别处于欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态，不同 的接收状态对接收信号造成不同的影响。 图6给出了欠阻尼和过阻尼状态时全程瞬变电磁感应电动势过渡过程示意图，欠阻尼状态下，早期信号产生了严重的振荡；过阻尼状态下，过渡过程持续时间较长。通常，可以通过调节匹配电阻来调节整个工作电路处于临界阻尼状态下工作，从而可避免外界电磁信号干扰致使线圈处于欠阻尼状态下工作。 图6. 感应电动势欠阻尼和过阻尼过程 但是欠阻尼状态下，早期信号产生的振荡使得瞬变二次场出现拟地震波，如图7所示，这种震荡的电磁波在早期信号形成一些列稳态震荡，有规律的震荡的同相轴与雷达波、地震波的类似。 图7. 欠阻尼产生的震荡 研制的欠阻尼中心回线装置如图8所示，它利用二次场震荡产生的同相轴来分辨异常体的。由于混凝土结构的钢筋或病害会引起欠阻尼中心回线二次场震荡变化，从而表现出切割同相轴的异常。如图9所示，由于切割震荡同相轴而显示出异常体的形状。 图8. 欠阻尼中心回线装置 图9. 拟地震波谱图 3.3. 全期ρ i 视电阻率计算 在瞬变电磁法中，视电阻率等于相同瞬变电磁系统和测量装置下，在同一时刻产生与测量值相同瞬变场响应的均匀导电半空间的电阻率。中心回线全期的 ρ i ( t ) 视电阻率计算 [ 8 ] ： 在理想场源激发下，均匀大地地表处的感应电压或磁场响应分别为 U i ( t ) = I ρ a 3 [ 3 e r f ( u ) − 2 π u ( 3 + 2 u 2 ) e − u 2 ] (5) B z i = I μ 0 2 a [ 3 π u e − u 2 + ( 1 − 3 2 u 2 ) e r f ( u ) ] (6) 其中a为发射回线半径，ρ为均匀半空间电导率，t发射电流关断后的延迟时间， U i ( t ) 为中心回线感应 电动势。误差函数 e r f ( u ) = 2 π ∫ 0 u e − t 2 d t ，u为与电阻率和测量装置相关的参数。 中心回线， u = μ 0 a 2 4 ρ t (7) 记 f ( u ) = g ( t ) − g m ( t ) = 0 (8) 其中 g ( t ) 为(5)(6)式中的感应电压或磁场， g m ( t ) 为工程测量数据，i表示中心回线。由(9)式反演迭代计算出u，再由式(5)(8)即可计算出中心回线在任意延时时刻的视电阻率值。 ρ i ( t ) = μ 0 a 2 4 t u 2 (9) 图10为某地铁管片两环视电阻率波密度图，红色代表高阻，蓝色代表低阻。 图10. 地铁管片两环视电阻率波密度图 3.4. 拟地震波谱显示 TER瞬变电磁雷达软件设计了常见地震波各种波形图，分别有波形曲线见图11、波型变密度见图12、等值线见图13、变密度加等值线见图14。图形设计主要便于同相轴追踪、结构异常比较与辨识 [ 9 ] 。 图11. 感应电压波形曲线 图12. 感应电压波密度 图13. 感应电压等值线图 图14. 感应电压变密度加等值线