CN103675922B - 基于探地雷达的运营期地下管道管径测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于探地雷达的运营期地下管道管径测定方法，其原理利用基于探地雷达电磁波反射机理以及管道特殊圆形形状，实现在地下管道运营阶段管道内充满有耗介质时还能够在非开挖、无扰动下探测与解译地下管道管径的新方法。实现步骤为：①在确定地下管道走向、埋深、对应地表位置与合适雷达频谱参数的基础上，开展探地雷达探测并测得管道上方雷达测线方向3个测点的雷达图像；②在对雷达图像去噪处理基础上，提取3个测点坐标对应电磁波单道波形图；③从单道波形曲线峰谷值确定从3个测点到管壁的电磁波传播时间；④确定场地电磁波波速基础上，得到3个测点到管壁的传播距离；⑤利用3个测点坐标与其到管壁的电磁波传播距离，计算管道管径。

Description

基于探地雷达的运营期地下管道管径测定方法

技术领域

本发明属于地球物理测试的领域，涉及一种基于探地雷达的运营期地下管道管径测定方法。在地下管道运营期时管道内充满有耗介质(水、油、气)使得很难测到管底土管交界处电磁反射波的情况下，基于探地雷达的电磁波反射机理与地下管道特殊的圆形形状，提出对地下管道管径进行非开挖、无扰动的现场探测与解译的方法。

背景技术

探地雷达作为一种新兴的地球物理测试方法。它由天线、发射机、接收机、信号处理器和终端设备等几部分组成。探地雷达在探测地下管道的工作机理如下：根据电磁波在有耗介质中的传播特性，探地雷达通过发射天线向地下发射高频脉冲电磁波，当电磁波在地下介质中传播时，其传播路径、电磁场强度和波形将随着所通过介质的电性和几何形态的变化而变化，雷达接收机将对此部分的反射波进行适时接收获得测试数据和雷达图像，利用专用数据和图像处理软件对其处理，可确定地下界面、地质体空间位置和结构特性等。现场最为直接的探地雷达图像是以脉冲反射波的单道波形形式记录的，单道波形的正负峰值分别以黑白或者是灰阶或是彩色表示，同相轴(等灰度线、等色线)的差异即可形象地反映出地下反射面或是异常物体。随着雷达天线不断的探测推进，不同位置时的单道波形图按顺序显示在一起就形成了最终的雷达图像。

基于探地雷达测定地下管道管径的现有方法仅适用于在非运行期地下管道为空管的情况。即：利用雷达反射波的单道波形图，在单道波形图上寻找电磁波在管道上、下壁面反射点的对应峰值点，两点的传播距离差即可间接估算管道管径。然而这一方法主要基于理想电磁波模型的理论计算，实际探测环境中雷达接收到的回波信号是复杂的并含有各类干扰信号的时域波形，电磁波在地层介质与探测目标中经过一系列反射与折射后，很难清楚准确获得管道下壁面的电磁波反射位置。尤其在管道处于运行期时内部充满着吸收电磁波的有耗介质(水、油、气)，更会发生根本测不到管底部位的电磁波反射波信号的情况。

发明内容

技术问题：本发明针对在地下管道在运行期时管道内充满着吸收电磁波的有耗介质(水、油、气)，使得雷达的接收天线无法接收到电磁波在管道底部的反射波信号。提出一种只利用电磁波在管道顶部的反射波信号，以及地下管道一股为圆形的几何形状特征，通过精确获得电磁波在管道顶部三个反射点的空间坐标信息，实现一种基于探地雷达的运营期地下管道管径测定方法。从而解决地下管线运营期管道充满有耗介质时非开挖、无扰动探测与解译地下管道管径。

技术方案：本发明的一种基于探地雷达的运营期地下管道管径测定方法具体步骤如下：

步骤1：对拟探测的区域平整场地，保证含有地下管道的场地地表水平平整；

步骤2：采用低频率雷达对地下管道进行预探测，并得到拟探测地下管道的走向、埋深及其相对地表位置，从而确定对于地下管道管径解译的探地雷达精测的测线方向与雷达频谱参数，应保证探地雷达测线必须垂直于管道的走向，最后建立雷达探测与解译示意图，其中XOY坐标系以测线方向为X轴与以管道埋深为Y轴；

步骤3：按照步骤2获得的测线方向与雷达频谱参数，开展针对地下管道管径解译的探地雷达精细探测，探测时雷达天线应沿着测线方向匀速推进，在地下管道相对地表位置点的正上方及其附近沿测线选择三个探测点，要保证这三个点在一条直线上，并且竖向高度一致，探测的路线上这三个测点的平面坐标分别记为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃)；

步骤4：根据步骤3，探地雷达探测后得到含有电磁波对地下管道反射的雷达回波图像，首先对雷达图像进行去噪化频谱处理，然后进行旨在使得图像清晰化的图像边缘化处理；

步骤5：确定雷达电磁波的波速：采用矩阵模板法确定雷达电磁波波速，利用雷达试验的电磁波波速生成曲线模板，然后用模板匹配目标的雷达图像，匹配最好的对应波速就是雷达波速，雷达电磁波波速模板的矩阵模板为：

$H\[i,j\]=r(X,t)=\frac{1}{v}\frac{z}{l^3}{u}^{\′}(t-\frac{2l}{v})\mathrm{const}$

式中，r(X，t)为由费涅耳和基尔霍夫的衍射理论及球面波在介质中的传播特征得到雷达在不同位置接收到目标信号；t=dt·j，dt是采样时间间隔；X=dx·i，dx是雷达水平采样间隔；v是雷达试验电磁波波速；z是目标深度；u′为散射信号与发射信号的延时的导数，const为任意常数，不影响生成的模板中的双曲线形状，每个雷达试验波速对应一个模板；1是雷达天线到对应位置的距离；

假定雷达中的目标回波曲线的图像为T[M，N]，均值和方差分别为μ_T和σ_T，雷达的目标回波图像与生成的对应模板之间的匹配度定义为两个图像的相关系数：

$\mathrm{\γ}(T,H)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N(T\[i,j\]-{\mathrm{\μ}}_T)(H\[i,j\]-{\mathrm{\μ}}_H)}{\mathrm{MN}{\mathrm{\σ}}_T{\mathrm{\σ}}_H}$

式中，γ(T，H)为每个速度模板对应的匹配度；T[i，j]为雷达图像上任意一个像素点；H[i，j]为矩阵模板上任意一个像素点；μ_T和σ_T为T[M，N]的均值和方差；μ_H和σ_T为H[M，N]的均值和方差；M，N为图像的尺寸大小；这样每个速度模板对应的匹配度γ(T，H)可以得到，最大匹配度γ(T，H)_max对应的波速就是雷达电磁波波速估计值；

步骤6：依据步骤3获得的3个测点地表位置，选取3个测点对应的步骤4处理后的雷达回波图上双曲线上的精确位置，然后尽可能精确地提取出这三个点位置处对应的单道波形图，在单道波形图上记录下电磁波由3个测点到地下管道上管壁面的传播时间，并根据步骤5获得的电磁波波速，将传播时间乘以电磁波波速即得到3个测点到地下管道上管壁的最短直线距离的2倍；

步骤7：根据地下管道均是圆形的特殊形状，圆线上三点坐标能够唯一确定一个圆形尺寸的原理；以3个测点为圆心，各测点距离管壁外径的距离为半径作圆，圆与地下管道呈外切关系，从而可通过几何关系运算可以确定出地下管线管径的大小。

所述的几何关系具体如下：假设三个测点坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)，电磁波从3个测点传播到地下管道上壁面的圆半径分别为r₁、r₂、r₃，设所求地下管道的圆心点坐标为(x，y)，管径的半径为r，故根据其几何关系可得到方程组：

(x-x₁)²+(y-y₁)²=(r+r₁)²

(x-x₂)²+(y-y₂)²=(r+r₂)²

(x-x₃)²+(y-y₃)²=(r+r₃)²

在上式中，x，y，r为三个未知数，3个测点坐标在步骤3中测定，步骤1中要求测线方向地表平整，故认为y₁=y₂=y₃；电磁波由3个测点传播到地下管道上壁面的圆半径分别为r₁、r₂、r₃，故由上式解得地下管道的半径与圆心坐标信息。

有益效果：与现有技术相比，本发明解决了现有技术不能在地下管道的运行期处于满管高运行水位下进行地下管道非开挖、无扰动的管道管径的探测，解决目前老城区开发中复杂地下管网系统难以准确定位，防止开发中对现有管网的破坏。本发明的特点是：利用基于探地雷达探测地下管线的电磁波反射机理以及地下管线特殊圆形形状，根据几何中的“三点定圆”概念，实现在地下管线运营阶段管道内充满有耗介质(水、油、气)时能够在非开挖、无扰动条件下探地雷达现场探测与解译地下管道管径的新方法。

附图说明

图1地下管道管径探测解译流程图。

图2“三点定圆”雷达探测与解译示意图。

图3管道雷达电磁波反射的单道波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

验证“三点定圆”地下管道管径测定新方法的可靠性，结合宜兴市化工园区的排污管网系统的雷达探测工程，探测区域的地下管道埋深范围为0.5～4m。现场雷达探测选用美国GSSI公司研制生产的SIR-20探地雷达，根据探测深度和天线频率的对应关系，选用中心频率为100MHz、400MHz的天线。选取两个具有典型性的探测断面进行介绍与分析，表1给出了两个典型断面的实测管径尺寸以及其与实际值的误差。

表1探测管径尺寸表

“三点定圆”测算管径方法实现的关键在于：在分界面的上边缘准确找到三个不同位置的反射点。并且反射点的反射时间越精确，计算的误差就越小。故对近乎全反射的金属管线，运用该方法得到的计算值与真实值误差仅为0.3％。当管线埋深在3m以内，管线半径在0.3～0.6m时，计算出的管径误差在30％以内，计算精度达到实际工程的需要。而当管径约为0.8m时，宜采用200MHz～300MHz频率的电磁波进行地下管线探测，此时测算的管径误差最小。反射能力强的管线始终比反射能力弱的管线更容易测定其管径，而且反射能力强管线的管径测定误差相当微小，基本可以忽略。

本发明基于探地雷达的运营期地下管线管径探测解译方法，具体步骤如下：

步骤1：对拟探测的区域平整场地，保证含有地下管道的场地地表水平平整；

步骤2：采用低频率雷达对地下管道进行预探测，并得到拟探测地下管道的走向、埋深及其相对地表位置，从而确定对于地下管道管径解译的探地雷达精测的测线方向与雷达频谱参数，应保证探地雷达测线必须垂直于管道的走向，最后建立如图2所示的雷达探测与解译示意图，图中XOY坐标系以测线方向为X轴与以管道埋深为Y轴；

步骤3：按照步骤2获得的测线方向与雷达频谱参数，开展针对地下管道管径解译的探地雷达精细探测。探测时雷达天线应沿着测线方向匀速推进，在地下管道相对地表位置点的正上方及其附近沿测线选择三个探测点，要保证这三个点在一条直线上，并且竖向高度一致，探测的路线上这三个测点的平面坐标分别记为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃)。

步骤4：根据步骤3，探地雷达探测后得到含有电磁波对地下管道反射的雷达回波图像，首先对雷达图像进行去噪化频谱处理，然后进行旨在使得图像清晰化的图像边缘化处理。

步骤5：确定雷达电磁波的波速。采用矩阵模板法确定雷达电磁波波速，利用雷达试验的电磁波波速生成曲线模板，然后用模板匹配目标的雷达图像，匹配最好的对应波速就是雷达波速。雷达电磁波波速模板的矩阵模板为：

$H\[i,j\]=r(X,t)=\frac{1}{v}\frac{z}{l^3}{u}^{\′}(t-\frac{2l}{v})\mathrm{const}$

式中，r(X，t)为由费涅耳和基尔霍夫的衍射理论及球面波在介质中的传播特征得到雷达在不同位置接收到目标信号；t=dt·j，dt是采样时间间隔；X=dx·i，dx是雷达水平采样间隔；v是雷达试验电磁波波速；z是目标深度；u′为散射信号与发射信号的延时的导数。const为任意常数，不影响生成的模板中的双曲线形状。每个雷达试验波速对应一个模板。

假定雷达中的目标回波曲线的图像为T[M，N]，均值和方差分别为μ_T和σ_T。雷达的目标回波图像与生成的对应模板之间的匹配度定义为两个图像的相关系数：

$\mathrm{\γ}(T,H)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N(T\[i,j\]-{\mathrm{\μ}}_T)(H\[i,j\]-{\mathrm{\μ}}_H)}{\mathrm{MN}{\mathrm{\σ}}_T{\mathrm{\σ}}_H}$

这样每个速度模板对应的匹配度γ(T，H)可以得到，最大匹配度对应的波速就是雷达电磁波波速估计值。

步骤6：依据步骤3获得的3个测点地表位置，选取3个测点对应的步骤4处理后的雷达回波图上双曲线上的精确位置，然后尽可能精确地提取出这三个点位置处对应的单道波形图。在单道波形图上记录下电磁波由3个测点到地下管道上管壁面的传播时间，并根据步骤5获得的电磁波波速，将传播时间乘以电磁波波速即得到3个测点到地下管道上管壁的最短直线距离的2倍。

步骤7：根据地下管道均是圆形的特殊形状，圆线上三点坐标能够唯一确定一个圆形尺寸的原理。如图2，以3个测点为圆心，各测点距离管壁外径的距离为半径作圆，圆与地下管道呈外切关系，从而可通过几何关系运算可以确定出地下管线管径的大小。具体几何关系推导如下，假设三个测点坐标分别为(x₁，y₁）、(x₂，y₂）、(x₃，y₃)，电磁波从3个测点传播到地下管道上壁面的圆半径分别为r₁、r₂、r₃，设所求地下管道的圆心点坐标为(x，y)，管径的半径为r，故根据其几何关系可得到方程组：

(x-x₁)²+(y-y₁)²=(r+r₁)²

(x-x₂)²+(y-y₂)²=(r+r₂)²

(x-x₃)²+(y-y₃)²=(r+r₃)²

在上式中，x，y，r为三个未知数，3个测点坐标在步骤3中测定，步骤1中要求测线方向地表平整，故可认为y₁=y₂=y₃。电磁波由3个测点传播到地下管道上壁面的圆半径分别为r₁、r₂、r₃、可根据步骤6得到，故可以由上式解得地下管道的半径与圆心坐标信息。

Claims (2)

1.一种基于探地雷达的运营期地下管道管径测定方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：对拟探测的区域平整场地，保证含有地下管道的场地地表水平平整；

步骤2：采用低频率探地雷达对地下管道进行预探测，并得到拟探测地下管道的走向、埋深及其相对地表位置，从而确定对于地下管道管径解译的探地雷达精测的线路方向与探地雷达频谱参数，应保证探地雷达探测的线路必须垂直于地下管道的走向，最后建立探地雷达探测与解译示意图，其中XOY坐标系以探测的线路方向为X轴和以地下管道埋深为Y轴；

步骤3：按照步骤2获得的探测的线路方向与探地雷达频谱参数，开展针对地下管道管径解译的探地雷达精细探测，探测时探地雷达天线应沿着探测的线路方向匀速推进，在地下管道相对地表位置点的正上方及其附近沿探测的线路选择三个探测点，要保证这三个探测点在一条直线上，并且竖向高度一致，探测的线路上这三个探测点的平面坐标分别记为(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃)；

步骤4：根据步骤3，探地雷达探测后得到含有电磁波对地下管道反射的探地雷达回波图像，首先对探地雷达回波图像进行去噪化频谱处理，然后进行旨在使得图像清晰化的图像边缘化处理；

步骤5：确定探地雷达电磁波的波速：采用矩阵模板法确定探地雷达电磁波波速，利用探地雷达试验的电磁波波速生成波速模板，然后用波速模板匹配目标的探地雷达回波图像，匹配最好的对应波速就是探地雷达电磁波波速，探地雷达电磁波波速模板的矩阵模板为：

$H\[i,j\]=r(X,t)=\frac{1}{v}\frac{z}{l^3}{u}^{\′}(t-\frac{2l}{v})const$

式中，r(X,t)为由费涅耳和基尔霍夫的衍射理论及球面波在介质中的传播特征得到探地雷达在不同位置接收到目标信号；t＝dt·j，dt是采样时间间隔；X＝dx·i，dx是探地雷达水平采样间隔；v是探地雷达试验电磁波波速；z是目标深度；u′为散射信号与发射信号的延时的导数，const为任意常数，不影响生成的波速模板中的双曲线形状，每个探地雷达试验电磁波波速对应一个波速模板；l是探地雷达天线到目标位置的距离；H[i，j]为矩阵模板上任意一个像素点；

假定探地雷达回波图像为T[M，N]，均值和方差分别为μ_T和σ_T，探地雷达回波图像与生成的对应波速模板之间的匹配度定义为两个图像的相关系数：

$\mathrm{\γ}(T,H)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N(T\[i,j\]-{\mathrm{\μ}}_T)(H\[i,j\]-{\mathrm{\μ}}_H)}{{\mathrm{MN\σ}}_T{\mathrm{\σ}}_H}$

式中，γ(T，H)为每个波速模板对应的匹配度；T[i，j]为探地雷达回波图像上任意一个像素点；H[i，j]为矩阵模板上任意一个像素点；μ_T和σ_T为T[M，N]的均值和方差；μ_H和σ_H分别为H[M，N]的均值和方差；M，N为图像的尺寸大小；这样每个波速模板对应的匹配度γ(T，H)可以得到，最大匹配度γ(T，H)_max对应的波速就是探地雷达电磁波波速估计值；

步骤6：依据步骤3获得的3个探测点地表位置，选取3个探测点对应的步骤4处理后的探地雷达回波图像上双曲线上的精确位置，然后尽可能精确地提取出这三个探测点位置处对应的单道波形图，在单道波形图上记录下电磁波由3个探测点到地下管道上管壁面的传播时间，并根据步骤5获得的探地雷达电磁波波速，将传播时间乘以探地雷达电磁波波速即得到3个探测点到地下管道上管壁面的最短直线距离的2倍；

步骤7：根据地下管道均是圆形的特殊形状，在圆形地下管道上三点坐标能够唯一确定一个圆形尺寸的原理；以3个探测点为圆心，各探测点距离管壁面外径的距离为半径作圆，圆与地下管道呈外切关系，从而通过几何关系运算确定出地下管道管径的大小。

2.根据权利要求1所述的基于探地雷达的运营期地下管道管径测定方法，其特征在于，所述的几何关系如下，假设三个探测点坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)，电磁波从3个探测点传播到地下管道上管壁面的圆半径分别为r₁，r₂，r₃，设所求地下管道的圆心点坐标为(x，y)，管道的半径为r，故根据其几何关系可得到方程组：

(x-x₁)²+(y-y₁)²＝(r+r₁)²

(x-x₂)²+(y-y₂)²＝(r+r₂)²式1

(x-x₃)²+(y-y₃)²＝(r+r₃)²

在上式1中，x，y，r为三个未知数，3个探测点坐标在步骤3中测定，步骤1中要求探测的线路方向地表平整，故认为y₁＝y₂＝y₃；电磁波由3个探测点传播到地下管道上管壁面的圆半径分别为r₁，r₂，r₃，故由式1解得地下管道的半径与圆心坐标信息。