CN107678067B - 一种城市道路地下分层结构的探地雷达介电常数预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市道路地下分层结构的探地雷达介电常数预估方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建城市道路地下分层结构模型，获取城市道路地下分层结构中每一层的介电常数；2)根据城市道路地下分层结构中每一层的介电常数计算地下分层结构的预估介电常数；3)将预估介电常数作为探地雷达的先验参数获取待探测物体的深度。与现有技术相比，本发明具有简化探测人员探测经验，同时提供科学化的准确土壤介电常数，为探测提供便利，同时通过本发明可以对现有的探底雷达探测结果进行修真等优点。

Description

一种城市道路地下分层结构的探地雷达介电常数预估方法

技术领域

本发明涉及城市地下设施探测领域，尤其是涉及一种城市道路地下分层结构的探地雷达介电常数预估方法。

背景技术

基于分层土壤有效介电常数解算，可用于探地雷达数据的补充，使得探地雷达探测的精度更为准确，包含分层土壤含水量的预测，有助于获取和预估复杂土壤的介电常数，通过大量的实验，获取充分的先验知识，以期建立可靠稳定的土壤电磁性质模型，为工程上的施工验收，管线探测与监控，提供一个已知数据的地下土壤模型，在探地雷达使用过程中，介电常数得选取直接影响对待测物体深度确定。由于城市道路土壤具有鲜明的分层性，分层土壤的介电常数与每层土壤的介电常数有关，而分层土壤中电磁波的传播速度可以用等效介电常数计算而得，所以在城市地下设施探测中，确定一个准确的土壤介电常数对于探测精度的影响很大。

目前对于土壤有效介电常数的判读，仅仅停留在经验性的猜测，并未有人提出对于城市道路分层土壤有效介电常数的计算方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种城市道路地下分层结构的探地雷达介电常数预估方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种城市道路地下分层结构的探地雷达介电常数预估方法，包括以下步骤：

1)构建城市道路地下分层结构模型，获取城市道路地下分层结构中每一层的介电常数；

2)根据城市道路地下分层结构中每一层的介电常数计算地下分层结构的预估介电常数；

3)将预估介电常数作为探地雷达的先验参数获取待探测物体的深度h_real，即：

其中，t_探为探地雷达的雷达波经过的时间，c为光速，ε_a为预估介电常数。

其特征在于，所述的步骤2)中，地下分层结构的预估介电常数ε_a的计算式为：

其中，L_i为地下第i层结构的厚度，ε_i为地下第i层结构的土壤介电常数，λ_i为地下第i层结构的探地雷达波长，n为地下结构的总层数。

其特征在于，该方法还包括以下步骤：

4)对探地雷达探测到的待测物体深度进行修正，获取修正后的实际深度。

所述的步骤3)中，

当城市道路地下分层结为双层结构且t≤t₁时，则判断物体所在位置的在第一层结构中，则有：

当城市道路地下分层结为双层结构，且满足t＞t₁时，修正后的实际深度h_real为：

其中，L₁为第一层结构的厚度，L₂为第二层结构的厚度，t为探地雷达的雷达波经过的时间，t₁为雷达波穿过第一层结构所需的时间，t₂为雷达波穿过第二层结构所需的时间，ε₀为探测时输入的初始介电常数，h₁为探地雷达探测到的待测物体深度，ε₁为第一层结构的介电常数，ε₂为第二层结构的介电常数。

其特征在于，所述的步骤3)中，

当地下分层结为三层以上的结构时，则将最下一层与之前的多层结构作为两层结构并获取修正后的实际深度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、适应于城市道路：本发明从城市道路建设标准出发，提出了一种基于城市道路分层结构的地下设施物探参数确定方法。

二、降低人为误差：本发明所提出的物探参数确定方法，克服了传统物探中根据操作人员经验预估参数所带来的不确定性及误差问题，能有效降低人为误差。

三、建模准确：本发明综合利用道路分层结构的层厚及材质对应的介电常数，根据探地雷达工作原理，建立了一种基于工作波长的有效介电常数估算模型。该模型已通过了数值模拟和实验验证。

四、修正准确：本发明同时提供了一种对已有探底雷达深度数据的修正算法，可用于对已有被测物深度的修正。

五、本发明所提出的城市道路地下介质有效介电常数参数确定模型能够促进测量中的科学规范性作业。

附图说明

图1为双层土壤介质结构模型。

图中标记说明：

其中ε₁为第一层土壤介电常数，L₁为第一层土壤的厚度，ε₂为第二层土壤介电常数，L₂为第二层土壤的厚度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供了一种探地雷达领域的实地介电常数预估方法，在实施探地雷达探测多层介质中被测物(如地下管线)前预估该多层介质的有效介电常数，利用各类国家及地方道路建造标准，给出地下多层介质每层的材料和厚度信息，同时根据材料在一定环境参数条件下(如含水量)所对应的介电常数范围和该材料所在层厚，计算多层介质的平均介电常数，进而准确估算电磁波在各层中的传播速度，最终计算得出被测物的准确深度。

本发明根据国家有关道路建设规范将现有得城市道路分为若干层，以供有效介电常数得解算，根据城市道路分级分层结构属性，计算不同深度所对应得土壤等效介电常数，通过提供较为准确的介电常数，来对物探进行辅助。

探地雷达对于地下空间设施的探测主要来源于雷达对于地下埋设物体反射，通过发射与反射时间差对物体的位置进行确定。

由于城市道路的分层结构与土壤介电常数的复杂性，不同深度，不同地区的土壤的介电常数具有独特性，但对于分层结构来说，通过本发明所提供算法，可以通过特定的算法将某一深度所对应的土壤等效介电常数计算而得。

本发明还可以将计算得到的介电常数对已有探地雷达探测数据经过修正，得出经过修正的待测物体深度。

本发明在计算前需调研或测量待测区的道路分层与土壤介电常数，同时，需提供已有探地雷达数据所输入的土壤介电常数参数，如表1和表2所示。

表1路面层分类厚度材料信息表

表2不同面层材质对应的介电常数取值范围

根据城市道路探地雷达应用中所测得深度与所输入得介电常数，经过本发明进行修正，对探地雷达精度进行加强，利用环境参量(如降水引起的土壤含水量变化)实时调整该模型相关参数，提高各层及多层有效介电常数估算的准确性。

如图1所示，ε₁为第一层土壤介电常数，L₁为第一层土壤层厚度，ε₂为第二层土壤介电常数，L₂为第二层土壤层厚度。

1、两层土壤结构所对应的等效介电常数根据探地雷达的探测频率，分为两种条件环境，将在下述说明。

2、设探地雷达的探测频率为f，电磁波在真空中行进速度为c，真空中电磁波波长计算公式为λ：

3、在第一层土壤中的波长为

4、同理，探地雷达雷达波在第二层土壤中的波长为

5、分情况描述：

1)当且时：

2)除1)之外的其余情况：

6、对于多层结构里说，第i层介质介电常数为λ_i，第i层厚度为L_i(i＝1,2,3…n)同样与上述分类结果相对应分为两类：

1)当

2)除1)之外的其余情况

7、通过计算所得的ε_a，可以作为先验参数，提供给探地雷达探测。

8、本发明还可以对已有探地雷达数据进行修正，如现有一组探地雷达数据，采用f₁频率的探地雷达探测，探测时输入的介电常数为ε₀，探测某待测物体深度为h₁。

9、探测结果中，雷达波所走时间为t，

10、对于双层结构，雷达波穿过第一层时间所需时间为t₁，

11、若t≤t₁，物体所在位置的时间在第一层则以均匀介质处理；

12、若t>t₁，则首先通过前文所述判定条件，将情况叙述分类

类似5、第一种情况，当且时，雷达波穿过第二层时间所需时间为t₂，实际深度为：

若是5中其余情况，则采用下面的公式进行修正计算

13、当城市道路地下分层结构为两层以上的多层结构时，可将最下一层与之前的多层土壤，近似看为两层结构，

当管线处于分层结构中第三层及以下层时，通过8-12的情况进行计算：

1)首先分别计算本分层结构中电磁波传递到第i层的时间，即：

t_i总＝t₁+t₂…+t_i

t_i+1总＝t₁+t₂…+t₁+t_i+1

2)对比t_i总，t_i+1总与t的关系，找到符合t_i总<t<t_i+1总中的层数i，近似将前面的i层看成第一层，待测物所处第i+1层作为第二层，将t_i总作为作为雷达波穿过的该合并层的时间t₁，将多层结构中的前i层所根据第6步所示公式计算其有效介电常数作的第一层介电常数，总层厚度为前i层总厚度，将第i+1层层厚度与有效介电常数看作第二层的层厚度与有效介电常数，并依照权利要求说明4中h_rel计算公式中第一个公式，求解得经过改正后的实际待测物厚度。

本发明涉及一种城市道路地下分层结构的探地雷达介电常数预估方法，通过结合城市道路现有的鲜明分层结构，来获取分层结构的介电常数，为地下设施的探测提供精细化介电常数参数。现存无此类参数估计方法，探地雷达中的土壤介质介电常数参数，主要通过从业人员的经验来判读，但土壤介质介电常数参数对整个探底雷达的探测结果影响非常大，所以获取准确的土壤介电常数十分重要。在自然界，获取土壤的介电常数唯有通过实时测量的手段。由于城市道路鲜明的土层分层结构，获取这种分层结构就有迹可寻。我们通过查找资料，仿真模拟，与具体实施实验，找到了一种计算分层土壤介电常数行之有效的方法，即本发明。本发明通过对分层土壤的有效介电常数解算，通过设立不同的条件去适合所有的分层情况。为探底雷达的探测提供准确科学的土壤介电常数，从而提高现有探底雷达探测数据的精度与科学性。同时本发明还有考虑到土壤含水量对介电常数的影响，可以提供一个准确合理的土壤介电常数。

Claims (4)

1.一种城市道路地下分层结构的探地雷达介电常数预估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建城市道路地下分层结构模型，获取城市道路地下分层结构中每一层的介电常数；

2)根据城市道路地下分层结构中每一层的介电常数计算地下分层结构的预估介电常数，地下分层结构的预估介电常数ε_a的计算式为：

其中，L_i为地下第i层结构的厚度，ε_i为地下第i层结构的土壤介电常数，λ_i为地下第i层结构的探地雷达波长，n为地下结构的总层数；

3)将预估介电常数作为探地雷达的先验参数获取待探测物体的深度h_real，即：

其中，t_探为探地雷达的雷达波经过的时间，c为光速，ε_a为预估介电常数。

2.根据权利要求1所述的一种城市道路地下分层结构的探地雷达介电常数预估方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

4)对探地雷达探测到的待测物体深度进行修正，获取修正后的实际深度。

3.根据权利要求2所述的一种城市道路地下分层结构的探地雷达介电常数预估方法，其特征在于，所述的步骤3)中，

当城市道路地下分层结为双层结构且t≤t₁时，则判断物体所在位置的在第一层结构中，则有：

当城市道路地下分层结为双层结构，且满足t＞t₁时，修正后的实际深度h_real为：

其中，L₁为第一层结构的厚度，L₂为第二层结构的厚度，t为探地雷达的雷达波经过的时间，t₁为雷达波穿过第一层结构所需的时间，t₂为雷达波穿过第二层结构所需的时间，ε₀为探测时输入的初始介电常数，h₁为探地雷达探测到的待测物体深度，ε₁为第一层结构的介电常数，ε₂为第二层结构的介电常数。

4.根据权利要求3所述的一种城市道路地下分层结构的探地雷达介电常数预估方法，其特征在于，所述的步骤3)中，

当地下分层结为三层以上的结构时，则将最下一层与之前的多层结构作为两层结构并获取修正后的实际深度。