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2023

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雷达技术在地下工程地球物理探测中的应用


美国与墨西哥边境不仅修建了隔离墙,美国陆军工程兵还每隔30m钻出一个竖井,置入振动传感器,利用微动技术监测偷渡者挖掘地道所产生的振动;以色列开发的高精度地面声学传感器可以“探测到地下约10m深隧道内人员爬行的声音”,这些都是地下工程地球物理探测技术。地下工程地球物理探测属于工程物探专业,方法多应用广,不仅广泛应用城市建设、矿山、水利、文物保护等民用领域,在军事领域也有重要应用。

 地下工程主要轮廓隐藏于地表以下,露在地表的部分通常只有口部,甚至一些工程不设独立的口部,只通过地面建筑、自然洞穴、水体等与外界联系,使得地下工程往往不易被探测定位,想要获得其准确内部布局就更加困难。良好的隐蔽性加上地下结构较高的防护能力,大幅削减了先进侦察装备、打击武器的高技术优势,使地下空间成为许多弱势武装用以抗衡强敌的理想战场环境,赋予依托地下的一方以得天独厚的“不对称”军事优势。随着探测技术的发展,曾经“绝对隐蔽”的地下工程正变得更加可感知。地下工程地球物理探测是指利用地球物理探测技术,通过探测识别地下工程或其建设、使用过程中所产生的异于周边环境的重力、电、磁、振动等物理特征,对已知或未知区域地下工程进行勘探、识别、测绘,以获取准确的地下工程位置、规模、布局等信息。早在20世纪初,人们已经可以利用地下不同介质密度所带来的重力差异探测地下的石油,目前重力法已可以探测出较大规模地下工程将地下“挖空”所带来的重力差异。地球物理探测技术具有探测范围广、探测效率高、非接触等优点,与钻探、工程内部勘察等技术相结合,在城市规划建设、历史遗产保护、市政设施管理等领域有着广泛的应用前景。尤其星载、机载的遥感探测、重力探测等技术因其探测方式隐蔽,可实施远距离探测,较钻探、工程内部探测等更适用于非战争时期军事工程的侦察任务。为达到发现敌人、隐藏自己的目的,地下工程探测技术已成为一些军事强国关注的重点,如美国国防部2000年就在《美国国防部技术领域计划》中将探测地下目标作为雷达发展的主要目标之一,美国国防高级研究计划局(DARPA)2007年将“地下结构的探测、表征和评估”列为其九大战略重点方向之一,着手研发低空地下结构探测系统。了解地下探测技术的发展,对地下工程建设具有一定的参考意义。

当前地下工程探测技术包括电磁波探测、微重力探测、地震波探测、声学探测、电法探测、电磁感应探测、磁感应探测等。探测设备主要可分为固定式和移动式探测两大类,其中移动探测的主要载体涵盖了车载、机载、星载等多种形式。不同探测技术的原理相差迥异,其探测方式、效果和适用场所也千差万别,需根据具体探测目标选择适用的技术,例如机载重力探测可实现大范围场地的重力场扫描,而经过精心布置调测的固定式重力探测则可以实现更高的精度,从而能够感知地下更深处的重力异常。

电磁波探测涵盖了可见光、红外、雷达等波段,探测方式主要包括遥感探测(可见光、红外、雷达波段)和贴地探测(雷达波段)。星载、机载的可见光、红外波段遥感探测是地下工程探测最为经典、相关技术最为成熟的方式。通过地物环境辐射或反射电磁波的遥感分析,推测判断地下工程的存在或使用痕迹。利用光学、红外探测的遥感图像可以直接识别出一些显性的工程特征,如山体切削、道路铺装、构筑物轮廓等;也可以通过多频谱的遥感数据描绘出土壤、植被、水分含量等信息,根据多频谱的差异对比来判断某一区域是否存在地下工程;此外,还可以将不同时段的遥感数据叠加起来对比分析,利用不同季节地下工程的热性能差异,以及工程使用时所产生的红外波段变化来判断是否存在地下工程,并推测其使用情况。如2005年在伊拉克沙漠中的布卡营地战俘营,美军卫星遥感图像显示该区域的颜色不断发生变化,经调查发现监狱囚犯正挖掘地道试图越狱,其施工活动造成了遥感数据的变化。雷达波可以穿透云层、沙尘、植被等介质,因此可以利用雷达对地下工程的口部、地表轮廓实施全天候探测。地下工程口部的特殊外形在雷达波段具有明显的特征,因此被作为探测地下工程迹象的重要手段;此外,还可用于营区对周边茂密植被下异常活动的警戒。早在1968年,由林肯实验室研发的营地哨兵雷达被部署于越南驻军,用来探测营区周边茂密树林下可能存在的越军袭扰活动,在美国国防高级研究计划局和美国空军的赞助下,这种雷达由最早的高塔架设方式被改良为机载形式的树叶穿透合成孔径(FOPEN)雷达,后来又衍生出机载超宽带合成孔径(UWB)雷达,精度最高达到0.3m,并可以实现良好的杂波过滤效果。利用探地雷达贴近地面发射雷达波,基于波在地下不同介质(例如土壤、工程结构)中的反射、折射特性,通过接收分析反射波,可以发现地下的埋藏物,广泛服务于地下管线探测、排雷、侦察掩体下的目标和探测地下工程等。20世纪60年代,DARPA赞助研发了一款地面穿透雷达“Geodar”,以解决美国陆军在越南战争期间遇到的地道战困难,1967年完成的改进版GeodarII型探地雷达在美国本土完成测试,被证明可以在大多数冲积、冰川和土壤中探测到6m以浅范围内6~9dm宽的隧道,并在越南用于监控美军陆军总部设施周边的地下隧道活动。时至今日,地面穿透雷达(GPR)已经非常成熟,被大量应用于地下管线探测、浅地下工程探测、扫排雷等实践。在朝鲜边境,美韩军队利用探地雷达探测朝鲜挖掘的越境隧道,美国移民和海关执法局也用其发现过美墨边境的走私隧道。使用机载合成孔径雷达探测地下目标也是研究者们关注的目标。1995年在美国亚利桑那州尤马县的一次试验中显示,使用机载合成孔径雷达已经能够明显探测到地下掩体中的军用车辆,也能识别出部分埋在地下的地雷。雷达探测技术的可用性受土壤波谱特征的影响,也受土壤一致性的影响。例如地下聚焦集束式合成孔径雷达在干砂土质、地表平坦的条件下可实现6m以浅的地下工程探测识别,而据报道目前较为先进的CARABAS机载雷达已经可以实现干燥沙土条件下深达26m的地下物体探测。雷达波尽管可穿透几十英尺的松软沙土和砾石,却只能穿透几英尺深的混凝土层,因此这种技术在城市的钢筋混凝土森林里的作用非常有限,但在敞开区域的效果却非常显著,例如对毗邻的境外领土进行探测等,在探测隧道出入口等方面发挥重要作用。此外,地下空间的轮廓也影响了探测的可能性,形状不规则的天然洞穴会更难以探测发现。总体来看,利用机载雷达探测地下工程当前还处于技术研发阶段,适用范围较小,尚无法满足复杂地质条件、复杂城市环境或较大深度条件下的地下工程探测需求。星载雷达在地下工程探测领域具有广阔潜力。美国利用Sir-A合成孔径雷达探测发现了撒哈拉沙漠中的地下古河道,显示了对地下工程的穿透探测能力。此后星载合成孔径雷达也成为各国研发的重点,如美国“长曲棍球”侦察卫星、日本“情报搜集卫星”、德国“放大镜”等,其中“长曲棍球”侦察卫星可发现地表下10m左右的异常情况。我国2022年发射的陆地探测1号,是国内首颗搭载合成孔径雷达的卫星,可以实现对浅层地表信息的获取。

 

资料来源:陈家运,孟醒,谢伟,等.地下工程地球物理探测技术进展与启示[J].防护工程,2022,44(3):70-78.

 


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