深地测绘基准及深地电磁波测距的若干思考

刘正才，彭理隆，黄 菲，吴 浩，刘师中

(1.湘潭大学土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105；2.湘潭大学基建处，湖南 湘潭 411105)

0 前 言

习近平总书记在全国科技创新大会上指出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。深地防护工程和城市地下空间平战融合关键技术是国内外近年来的重大攻关课题。国家和省市级的测绘基准是国民经济建设和国防建设的重要基础设施。测绘基准亦是战后地下幸存者救援、建构筑物的健康监测、修建的起算依据。但地面及地下浅部的测绘基准易遭到现代战争破坏，造成战后修复工程缺乏必要的测绘基准。免受现代战争威胁的地下深部测绘基准是探索和揭示地下深部岩体移动变形规律和开展深部防护工程建设的重要测绘理论基础。

美国早在1996年就建成了防护厚度达400多米的夏延山地下指挥中心[1-4]。美国钻地武器的远期研究目标是击穿整个花岗岩山体，摧毁假想敌国位于地下800 m以下的中央指挥中心和战略导弹发射井。谢和平等相关研究表明人类现有科技水平对地下(巷道)坑道开发利用的极限深度约为1 500 m[5]。近年来，为了提高战略防护工程特别是国家级指挥工程的生存能力，欧美国家正在兴建防护厚度达1 000～1 200 m的超坚固地下深部战略防护工程[1-4]。目前，钱七虎、任辉启、杨秀敏和王明洋等开展了系列的科学研究，为我国深地防护工程建设理论奠定了坚实的基础[6-7]。但在地下防护工程的设计、施工、维护运营以及地下深部岩体移动变形规律探索中，对地下测绘基准的精度和防护深度的要求目前未见相关文献报道。

在深部矿产资源绿色开采、岩土体变形破坏及工程安全调控和深部重大岩体工程灾变监测与预警三大科学前沿，均需要深部地下测绘基准的支撑。因此，构建深地测绘基准的意义重大。本文对深地测绘基准和深地环境下的电磁波传播规律及其相关问题进行探讨，归纳出深地工程测量中的工程与科学问题，为深地环境下的工程测量提供研究方向与理论基础。

1 深地测绘基准内涵

地上测绘基准为各种测绘工作提供起算数据，是确定地理空间信息的几何形态和时空分布的基础，是表示地理要素空间分布的参考基准[8]。如我国水准原点和大地原点[8]，国际地球参考框架 ITRF2014[9]，欧洲的伽俐略参考框架GTRF[10]，俄罗斯的GSK-2011坐标系和GLONASS地球参考框架 PZ-90.11[11]，我国的国家大地坐标系 2000(CGCS2000)和北斗地球参考框架CTRF[12]等属于全球性或国家级的测绘基准，我国还有一些省市级的测绘基准等[13-15]。这些国际、国家和省市级的地上测绘基准，其网点标志埋入地下的深度不足10 m，经受不起常规钻地弹的打击，易受现代战争破坏。浅地测绘基准，处于地下浅部，也易受现代战争破坏。

为满足地下工程建设、营运和维护的需要，以一定的精度，将从地上到地下投点产生的坐标基准、导入高程产生的高程基准以及定向产生的方位基准，归纳为地下测绘基准。地下测绘基准可分为位于地下浅部的浅地测绘基准和位于地下深部的深地测绘基准。

浅地测绘基准，是指在和平时期用常规的地上下联系测量手段，从地上传递到地下浅部(地下0～500 m)的坐标基准、高程基准和方位基准。由多处浅地测绘基准所构成的网称为浅地测绘基准网。如：城市地下铁路网重要出入口处的测绘坐标起算点、高程起算点和方位起算边所构成的基准网。

深地测绘基准，是指为免受现代战争威胁，在和平时期用高精度的地上下联系测量手段，从地上传递到地下深部-500～-1 500 m或更深的坐标基准、高程基准、方位基准与长度基准。尤其是1 000 m深度及以上的深部测绘基准，一方面可免受现代战争威胁;另一方面若将其精度比浅地测绘基准提高1到2个等级，深地测绘基准在精度上就足以作为战后修复工程(包括浅地测绘基准)的起算依据。可见，深地测绘基准是深地防护工程的重要组成部分。在战后，深地测绘基准可用来检验浅地测绘基准的移动变形状况，并作为战后修复浅地测绘基准的起算依据。

深地测绘基准的研究内容包括：深地坐标、方位、高程基准、地上与地下统一的长度基准等内容，其概念和研究方法如下：

(1) 深地坐标基准

地下深部-500～-1 500 m或更深的坐标基准，为长期牢固的表示深地基准点的空间位置，作为深地传递坐标的起算点。目前主要采用激光投点、分段激光投点、钢丝投点等方法实现。

(2) 深地方位基准

地下深部-500～-1 500 m或更深的方位基准，设置在深地下的基准线的方位角，作为深地起算方位角。目前井下方位基准主要采用一井几何定向、两井几何定向和陀螺全站仪定向等方法实现。

(3) 深地高程基准

地下深部-500～-1 500 m或更深的高程基准，是长期牢固的深地高程基准点，作为深地传递高程的起算点。目前井下高程基准主要采用钢丝法、钢尺法、竖井电磁波测深和竖井分段电磁波测深法等方法实现。

(4) 长度基准

深地环境下，所有距离的测定结果，都必须用与地面统一的、固定的长度单位一致，这种地上与地下统一的、固定的长度单位就是长度基准。目前，深地电磁波测距不准，采用钢尺量测则效率太低，因此需要深入研究电磁波在深地环境中的传播规律。

2 深地环境下电磁波传播影响分析

2.1 深地环境下电磁波传播的主要影响因素

人们已掌握电磁波在大气中的传播规律，认为大气中影响电磁波测距主要因素为：大气温度、大气压力、水汽压等，并得到了各种电磁波测距所相对应的大气折射率公式和测距公式[16-20]。相位式电磁波测距是目前测绘仪器所采用的主流测距方式，其测距公式为：

(1)

式中:c0为电磁波在真空中的传播速度，km/s；f为频率，Hz；R为乘常数；K为加常数；n0为折射率。电磁波在大气中的传播速度会因大气折射率不同而发生变化，而大气折射率与大气的温度和气压有着密切的联系。调制光折射率计算公式为：

(2)

(3)

由公式(2)、(3)可知，电磁波在大气中传播，其折射率是波长,μm；温度 ,℃；气压 ,mmHg；水汽压的函数,mmHg[21]。深地环境与地面大气环境中对电磁波传播的主要影响因素见表1，较高浓度的水雾和粉尘是深地大气环境不同于地面大气环境的重要因素，而现有的地面大气折射率公式不包含水雾、粉尘这两大影响因素，因此，大气折射率公式不适用于深地大气环境。

表1 深地环境与地面大气环境中对电磁波传播的主要影响因素表

2.2 介质折射率与衰减特性对电磁波传播的影响

电磁波在不同介质中的传播速度见表2，电磁波在真空、大气、水等介质中的传播速度与折射率，其数值相差甚远。F Zhao、王亚民、李文龙等学者对于粉尘、水雾等介质的复折射率以及衰减特性的研究表明，电磁波在水雾或粉尘环境中传播，电磁波能量具有较大的衰减[22-30]，并给出了电磁波能量衰减与可见度的经验公式。胡帅与Gottfried Hanel的研究表明，粉尘分为可溶性与不可溶性，可溶性粉尘吸湿潮解后，凝结核的折射率也会发生改变(相互影响)，并给出可溶性粉尘溶于雾滴的复折射率计算公式；不可溶性粉尘与水雾相互独立互不影响，电磁波穿透凝结核时发生双折射[31-32]。表3、4为多种波段电磁波在粉尘[22,33-36]、水雾[24,37]中的复折射率。

表2 电磁波在不同介质中的传播速度表

表3 粉尘的折射率表

表4 水雾的复折射率表

吸收性介质的复折射率表达式为：

N′=N-iK

(4)

公式(4)中实部N为吸收性介质的折射率，它决定电磁波在吸收性介质中的传播速度，虚部K为电磁波在吸收性介质中传播时的衰减，为吸收系数[38]。电磁波的能量强度随进入吸收性介质距离的增加按指数规律衰减，衰减的快慢取决于介质的吸收系数K[39]。当达到一定距离，电磁波的能量强度变得微小导致难以被检测接收，因此，电磁波强度的衰减影响着电磁波测距的测程。

目前，大部分学者对电磁波在水雾与粉尘环境中传播衰减进行研究，其测距规律研究还未曾报到。由表3、4可知，电磁波在地面大气中的折射率、粉尘中的折射率以及水雾中的折射率三者相差甚远。电磁波在水雾和粉尘浓度较高的深地介质环境下测距时，必须考虑综合性介质的特殊折射率与传播衰减，而现有的大气折射率公式及电磁波测距公式未包含水雾与粉尘的影响，深地环境的电磁波测距还缺乏理论依据。

3 深地工程测量面临的工程与科学问题

3.1 现有工程技术

在千米或更深的深井(巷道)中，环境中的粉尘浓度可达4～5 mg/m3，温度可达38 ℃以上(随深度增加而增加)，并有高压、淋水、水雾大和通风差等特点，此恶劣坏境对测量准确度和精度有很大的影响[40-41]。

表5为近几年千米深矿井长距离贯通测量的成功案例[41-47]。在导线边测量方面，采用全站仪测导线边，流程繁琐，工作效率低下，测量精度不高；采用比长钢尺量距，工作效率低，适合短距离测距且精度要求不高的测量。

表5 千米深矿井长距离贯通测量案例表

在高程联系测量方面，千米深矿井仍然长钢尺或钢丝法导入标高。采用比长钢尺逐段导入标高、多把钢尺相结导入标高和千米长钢尺导入标高等方法来提高导入标高的精度，但效率低[41-46]。竖井电磁波测深是深井高程联系测量中“卡脖子”的关键技术之一[48]。早在1988年，千米竖井激光指向仪就被列入国家“六五”攻关配套项目，生产出的样机于1988年在山东新汶矿务局孙村煤矿北风井(千米竖井)通过了现场实验[41,48]。1989年，开滦矿务局唐山矿的姚希山、邓智毅等就开始了激光投点的应用研究，在环境良好的 606 m 深竖井中实现了深井激光投点。这2例只是环境良好时的案例(进风井，空气新鲜，淋水不大，雾气较小)，没有得到广泛推广。20世纪80年代以来，胡彦华、程玉生、张兆国、许见勇、徐泮林等先后进行了深井联系测量的研究与实践，徐泮林等用激光测深法完成了696 m深的深井高程联系测量，程玉生等采用蓝绿光氩离子激光器，研发了千米立井激光指向仪，虽然提高了穿透水雾能力，但难以满足联系测量等工作的高精度要求[41,49-52]。千米深井的电磁波测深仍未见成功案例，其主要原因就是受竖井电磁波测深能力和精度所局限。

国内外的千米深井仍然采用钢丝法或钢尺法导入标高，当竖井达到一定深度时，导入的钢丝、钢尺不再符合振动规律摆动，尤其当井下淋水和风速较大时，导入标高的误差增大且效率很低[41]。竖井电磁波测深是提高导入标高精度和效率的有效手段，但电磁波在含水雾、粉尘的深地大气环境下测距已失理论依据，因此，深竖井电磁波测深亦缺乏理论依据。

3.2 深地工程测量中的工程问题

基于激光投点和激光测深的深井联系测量一直是人们探索的关键技术[41,48]。由于深地环境中的电磁波测距缺乏理论依据，深地工程测量将面临以下工程问题:

(1) 深竖井激光投点困难、误差大

实际工程中，由于井下局部高温、高粉尘与高水雾浓度的影响，激光投点的光斑直径大，成像模糊且抖动过大，激光束难以穿透，激光投点困难，投点误差大[9]。即使激光穿透深竖井深度到达千米，其精度也远不够满足要求。

(2) 深地环境中电磁波测距无法测准

实际工程中，深竖井方向的电磁波测深、深地环境中(近)水平巷道电磁波测距与倾斜巷道中的电磁波测距因缺乏理论依据而无法测准。

3.3 深地工程测量所面临的科学问题

要解决深地工程测量中所面临的工程问题，首先得解决以下科学问题：

(1) 探索各种波长的激光束在深竖井井筒环境中对水雾、粉尘的穿透性能

目前,635 nm 的红光、532 nm的绿光和 405 nm的蓝光等激光源穿透水雾的能力最强；兰绿光氩离子的激光器投射距离可达1 000 m，投射完光斑较小(1 000 m时直径为30 mm)，在雨天穿透表现良好，但难以满足深井联系测量等高精度测量工作[41]，仍需探索更适宜的激光源以适应深地环境中传播。

(2) 掌握电磁波在深竖井中(垂直方向)的传播延迟和衰减规律

深井激光测深是电磁波在竖直方向上由浅及深的传播过程，水雾与粉尘的浓度随井下深度的加大而递增，因此，需要对电磁波在深竖井井中(垂直方向)的传播延迟和衰减规律进行研究。

(3) 明确深地环境中(近)水平方向的电磁波传播延迟和衰减规律

不同于深竖井，粉尘水雾浓度在深部(近)水平巷道中是趋于稳定状态的，不同的深地环境，水雾、粉尘浓度不同。应对电磁波在各种深地水雾、粉尘浓度环境下的传播延迟和衰减规律进行研究。

深地测绘基准的各种研究方法都离不开深地环境下的电磁波的传播规律，但这一问题尚未解决。因此，探索多种波长的电磁波在深竖井井筒环境中对粉尘水雾的穿透性能，发展深井激光光投点技术，明确深地环境电磁波传播延迟和衰减规律是急需待解决的关键性科学问题。

4 结 语

由于深地环境下的电磁波传播规律不同于大气环境，大气环境电磁波测距的理论不再适用于深地环境，造成深地电磁波测距缺乏理论依据。因此，研究深地环境下的电磁波传播延迟和衰减规律，进一步研究深地测绘基准及相关问题，可为深地工程测量技术及装备的研发打下理论基础。