探地雷达和红外热像仪在西藏寺院和敦煌石窟空鼓壁画保护中的应用

摘要

在壁画的保护修复实践中，调查空鼓病害的分布范围、严重程度以及评价空鼓壁画的灌浆加固效果一直是个技术难题。传统上通常采用敲壁辨音的经验方法，但它依赖于个人主观感觉，缺乏科学性。
　　 本文以高频脉冲电磁波在层状有耗色散介质中的传播规律为理论依据，在室内模拟试验的基础上，成功运用壁面耦合式探地雷达方法检测表面有涂层的西藏寺院壁画内部的空鼓病害，并在对空鼓壁画进行灌浆加固后，用相同的方法对比检测浆液结石体的充填范围，据此评价灌浆加固效果。在尝试采用空气耦合式探地雷达方法检测表面没有涂层的敦煌石窟壁画内部的空鼓病害之后，本文基于热传导的理论分析，在主动加热条件下，改用红外热像仪检测，取得了较好的效果。
　　 (1)探地雷达模拟检测。制作西藏寺院壁画和敦煌石窟壁画的模拟地仗，在其内部预设深度和厚度各不相伺的规则空鼓，通过正演模拟试验确定探地雷达的采集参数，积累数据处理的经验，并比较不同雷达天线的性能。结果表明，针对RAMAC探地雷达和GroundVision数据采集、后处理软件，时窗深度宜为3ns左右，采样频率应为212 GHz左右。由于西藏寺院壁画的地仗层厚度不足10 cm，在探地雷达数据处理中，应用有限冲激脉冲响应滤波去除直耦杂波是利用高频探地雷达识别浅表层壁画空鼓病害的关键。经滤波处理后，空鼓部位的探地雷达图像特征表现为负相振幅的陡增，而且空鼓厚度的大小与相邻两负相峰值的时深差成正比，它表征空鼓的严重程度。对空鼓部位进行模拟灌浆加固后，浆液在固化初期的探地雷达反射回波显著减弱，与灌浆加固前的负相强振幅形成对比，这是评价空鼓壁画灌浆加固效果的依据。浆液完全固化后，灌浆加固敦煌石窟空鼓壁画的灌浆材料在雷达图像上反映为与灌浆加固前非常相似的强反射回波，而灌浆加固西藏寺院空鼓壁画的PS-F系列灌浆材料的探地雷达反射回波仍然非常微弱。
　　 (2)探地雷达现场检测。根据探地雷达正演模拟试验，现场检测布达拉宫、罗布林卡和萨迦寺的壁画空鼓病害，结果表明这三大寺的壁画空鼓病害较严重，在雷达图像上均表现出负相振幅增强的特征。布达拉宫西大殿的壁画空鼓集中位于木质横梁附近；萨迦寺坛城殿的壁画空鼓主要位于夯土墙的上部，而且越偏向上部，空鼓病害越严重。在对检出的壁画空鼓部位进行灌浆加固后，浆液充填处的探地雷达反射回波明显减弱，表明灌浆加固效果良好。
　　 (3)红外热像仪现场检测。基于壁画内部热传导的不连续性，视空鼓病害为热阻型缺陷，在远场点源的热辐射下，利用红外热像仪对比分析敦煌西千佛洞第12窟西壁的壁画表面温度差。受洞窟形制和外界环境的影响，窟内壁画表面初始温度的空间分布差异较明显，控制空气热流的温度接近洞窟环境历史最高温度，增大沿壁画深度方向的温度梯度，弱化横向热扩散。现场检测结果表明，洞窟内的空气经一段时间持续加热后，壁画表面的平均温度从11℃升高到18℃，而特定区域的壁面温度高达19℃。结合现场检测条件，对比分析后发现，壁画表面温度相对较高的区域与空鼓病害的分布范围基本一致，而且空鼓区域与非空鼓区域的交界处同壁画表面的空鼓破裂边界比较吻合。
　　 综合分析西藏寺院壁画和敦煌石窟壁画的赋存环境、制作材料和表面条件，探地雷达适用于检测西藏寺院壁画内部的空鼓病害，并且可以用来评价空鼓壁画灌浆加固的效果；而红外热像仪则适合检测敦煌石窟壁画内部的空鼓病害。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究概况

1.2.1壁画空鼓范围和空鼓程度调查

1.2.2空鼓壁画灌浆加固效果评价

1.2.3探地雷达技术的现状

1.2.4红外热成像技术的发展

1.2.5其他无损检测技术

1.3探地雷达和红外热像仪在壁画保护中的应用

1.4研究的内容和意义

第二章 探地雷达基本理论

2.1 电磁波在有耗介质中的传播

2.1.1 电磁波的衰减特性

2.1.2土的电磁特性

2.1.3水分对电磁波的影响

2.1.4电磁波在层状介质分界面上的反射

2.2直耦杂波的去除

2.2.1均值滤波

2.2.2中值滤波

2.2.3小波包变换

2.2.4独立分量分析

2.2.5自适应滤波

2.3带通滤波

2.3.1超带宽设计技术

2.3.2截止频率

2.4探地雷达信号的后处理

2.4.1去直流偏移

2.4.2噪声抑制

2.4.3时变增益

2.4.4小波优化或解卷积

2.4.5谱估计处理方法

2.4.6偏移

2.5提高数据采集质量的途径

2.5.1 壁面耦合

2.5.2阻抗匹配

2.5.3 电磁脉冲的等时匀速触发

第三章 探地雷达在空鼓壁画保护中的应用

3.1试验方法

3.1.1探地雷达系统

3.1.2信号触发方式

3.1.3时窗深度

3.1.4采样频率

3.2信号基本处理

3.3物理正演模拟试验

3.3.1 空鼓病害的模拟检测

3.3.2灌浆效果的模拟检测

3.4壁画空鼓病害的现场检测

3.4.1 布达拉宫

3.4.2罗布林卡金色颇章殿

3.4.3萨迦寺

3.4.4西千佛洞第12窟

3.5灌浆加固效果的现场检测

3.5.1 布达拉宫

3.5.2萨迦寺坛城殿

3.5.3罗布林卡金色颇章殿

第四章 红外热成像基本原理

4.1一维非稳态导热分析

4.1.1双面镜像对称加热

4.1.2单面加热

4.2红外测温技术

4.2.1红外辐射特性

4.2.2红外热像仪

4.2.3影响测温精度的因素

第五章 红外热像仪在空鼓壁画保护中的应用

5.1红外热成像系统

5.2红外热像仪现场检测

5.2.1壁面初始温度分布

5.2.2热流控制

5.2.3壁面温度分布差异

5.3空鼓面积的半量化

5.3.1边界条件

5.3.2基于像素阵列的量化

第六章 结论与展望

6.1 主要认识与结论

6.2展望

附录：模拟试验设计图纸

参考文献

攻读博士学位期间的科研成果

致谢