CN111505628B - 基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法 - Google Patents

Abstract

基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，首先通过正演实测实验分析了探地雷达作用下地下带电电缆与非带电介质的探测波形特征，突出了带电电缆反射波形的特殊性，然后建立了基于磁场叠加原理的常见布线方式下的电缆磁场辐射计算模型，从电缆结构与磁场分布角度解释了电缆探测波形的形成原因及特殊性，进一步突出了电缆与其它非带电地层介质的区别，提出了基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，最后通过反演实验对所提方法进行了验证，实验结果表明所提方法在电缆的探测与识别上具有良好的应用效果。

Description

基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法

技术领域

本发明涉及地下电缆成像领域，具体涉及一种基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法。

背景技术

金属管线探测仪是目前应用最广泛的地下电缆路径探测装置，通过检测地面电磁信号的强弱变化确定电缆具体位置，具有很高的准确性。但由于金属管线探测仪只能实现对金属管线的探测，且需要在管线离线状态下注入足够能量的脉冲信号，这些因素限制了管线探测仪的应用。随着地质勘测技术的发展，探地雷达凭借其探测目标广泛、高效性及无损探测等优势在工程质量检测、地质勘探等领域得到了广泛应用，鉴于探地雷达的良好探测性能，研究人员开始将探地雷达应用于电力系统中接地网等地下隐蔽工程的缺陷无损检测

发明内容

本发明提供一种基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，通过分析地下带电电缆在其周围空间辐射的电磁场的特性，研究了在外界电磁波辐射下地下不同属性介质对电磁波的反射特点，实现对地下电缆的精确探测与准确识别,对维护电缆的安全运行具有十分重要的实际意义。

本发明采取的技术方案为：

基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，包括以下步骤：

步骤一：通过正演实验模拟基于探地雷达对地下电缆的探测与识别，得到不同介质下的雷达探测的图像；

步骤二：对步骤一中不同介质下的雷达探测的图像进行特征分析，电缆探测图像中电缆处的探测回波会多次反射并叠加，回波幅值较大且变化范围广，电磁波在电缆处会出现电磁振荡，并向电缆下方空间延伸一定深度；

步骤三：通过多次正演实验得出的不同介质与其雷达探测的图像分别对应，将不同介质及其雷达探测的图像导入探地雷达的图像显示部分中，并建立了不同介质与雷达探测的图像特征对应关系的数据库；

步骤四：寻找地点进行反演实验，利用探地雷达对地下介质进行探测，将所得出的雷达探测的图像与步骤三数据库中的图像进行对比，根据不同介质的图像特征，定性分析判断介质属性。

步骤五：进行开挖实验，验证地层介质属性判断的有效性和准确性。

所述步骤四中，对于雷达探测的图像，是通过电磁波在地层中传播的往返时间和地层特性，定量计算介质的埋深，根据不同介质的图像特征，定性分析判断介质属性：

①、介质为金属水管时，雷达图像特征描述：图像波长较短，波形呈尖锐装，反射波幅值较大，无多次反射与震荡现象；

②、介质为地层空洞时，反射波明显,图像局部有较强反射波且波形较长；

③、介质为花岗岩时，图像波长较短，波形尖锐但不明显，反射波幅值小；

④、介质为电缆时，图像上方密集三角反射波形为钢筋网反射波，下方回波呈明显叠加与振荡状；

⑤、介质为排水通道时，图像上方为钢筋网路面，图像下方局部有较强回波；

⑤、介质为公路时，波形近似水平分布，波形连续且相似，为路面分层界面。

与现有技术相比，本发明一种基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，具有以下有益效果：

(1)：通过现场探测对本发明提出的方法进行了验证，结果表明该方法在对地下电缆成像的探测与识别方向中具有较高的可行性。

(2)：本发明所述基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，是主要是通过电磁波在地层中传播的往返时间和地层特性定量计算介质的埋深，根据不同介质的图像特征定性分析判断介质属性，多次现场探测实验结果表明，该方法的准确性可达到80％。

(3)：本发明所述基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，操作简单便捷，可快速得到所需的结果，具有较高的实效性。

附图说明

图1为XLPE电缆结构示意图。

图2(1)表示介质为金属水管时雷达图像特征图；

图2(2)表示介质为地层空洞时雷达图像特征图；

图2(3)表示介质为花岗岩时雷达图像特征图；

图2(4)表示介质为电缆时雷达图像特征图；

图2(5)表示介质为排水通道时雷达图像特征图；

图2(6)表示介质为公路时雷达图像特征图。

图3(a)表示单相系统间隔平布下周围空间的电缆磁场辐射示意图；

图3(b)表示三相系统间隔平布下周围空间的电缆磁场辐射示意图；

图3(c)表示三相系统三角布线下周围空间的电缆磁场辐射示意图。

图4为三角形电缆布局下电缆磁场强度分布规律图。

图5为探地雷达电磁波辐射电缆示意图。

图6(a)为探地雷达电磁波辐射下典型金属单道波形图。

图6(b)为探地雷达电磁波辐射下非金属介质单道波形图。

图6(c)为探地雷达电磁波辐射下普通电线单道波形图。

图6(d)为探地雷达电磁波辐射下电缆单道波形图。

图7为带电电缆探测波形图。

图8为现场开挖验证图。

具体实施方式

基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，首先通过正演实测实验分析探地雷达作用下地下带电电缆与非带电介质的探测波形特征，突出了带电电缆反射波形的特殊性，然后建立了基于磁场叠加原理的常见布线方式下的电缆磁场辐射计算模型，从电缆结构与磁场分布角度解释了电缆探测波形的形成原因及特殊性，进一步突出了电缆与其它非带电地层介质的区别，提出了基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，最后通过反演实验对所提方法进行了验证。实验结果表明本发明方法在电缆的探测与识别上具有良好的应用效果。

基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，包括以下步骤：

步骤一：首先通过正演实验模拟了基于探地雷达对地下电缆的探测与识别，得到了不同介质雷达探测的图像，即通过电磁波在地层中传播的往返时间和地层特性定量计算介质的埋深，根据不同介质的图像特征定性分析判断介质属性。

步骤二：对步骤一中不同介质下的雷达探测的图像进行特征分析，带电介质与非带电介质的探测波形间区别明显，电缆探测图像尤为特殊，电缆探测图像中电缆处的探测回波会多次反射并叠加，回波幅值较大且变化范围广，电磁波在电缆处会出现电磁振荡，并向电缆下方空间延伸一定深度，形成这种特殊波形的原因与电缆结构及电缆运行特性有关。

步骤三：通过多次正演实验得出的不同介质与其雷达探测的图像分别对应，将不同介质及其雷达探测的图像导入探地雷达的图像显示部分中，并建立了不同介质与雷达探测的图像特征对应关系的数据库。

步骤四：寻找地点进行反演实验，利用探地雷达对地下介质进行探测，将所得出的雷达探测的图像与步骤三数据库中的图像进行对比，根据不同介质的图像特征，定性分析判断介质属性。

步骤五：进行开挖实验，验证地层介质属性判断的有效性和准确性。

目前城市配电网中常用的电缆为单芯结构的XLPE电缆结构如图1所示，电缆本体由内到外分别为导体层a、导体屏蔽层b、XLPE绝缘层c、绝缘屏蔽层d，缓冲层e，金属护套层f、热熔胶层g以及外护套层h。电缆所产生的工频电场对电缆周围空间产生的干扰非常小,但由于电缆本体的金属护套层f无法完全屏蔽电缆磁场，地层土壤对磁场的屏蔽效果也较差，因此对于带电电缆可以只考虑其磁场对外界的影响。

目前对于探地雷达的图像解释主要是通过电磁波在地层中传播的往返时间和地层特性定量计算介质的埋深，根据不同介质的图像特征定性分析判断介质属性，如表1所示为不同属性介质的探测图像及解释。

表1不同介质雷达探测图像

在单芯XLPE电缆配电网络中，单相系统中典型的电缆布线一般采用间隔平布方式，三相系统中除间隔平布方式外，还有典型的三角布线方式，利用磁场叠加的计算方法分析各排列方式下周围空间的磁场辐射强度如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示。

为计算各不同布线方式下电缆磁场在周围空间中的辐射影响，利用磁场叠加计算方式分别计算空间中各位置的磁场辐射强度。图3(a)中，P点磁感应强度矢量为

式中：

为电缆1在P点产生的磁场沿x轴的分量，

为电缆1在P点产生的磁场沿y轴的分量，

为电缆2在P点产生的磁场沿x轴的分量，

为电缆2在P点产生的磁场沿y轴的分量，e_x为沿x轴的单位磁感应强度，e_y为沿y轴的单位磁感应强度

合成的磁场强度幅值为：

式中：μ_m为磁导率，I_m为电缆中的电流，a为电缆中心点距坐标原点的水平距离，x和y分别表示P点的横纵坐标

当P点离原点距离ρ≥2a时，即：

则P点的最大合成场强可表示为

其中：μ_m为磁导率，I_m为电缆中的电流，ρ为P点距坐标原点的距离长度

对图3(b)中所示的三相电缆间隔平布布线方式，采用磁场叠加方式可计算出其空间P点的磁场辐射强度为

式中：μ_m为磁导率，I_m为电缆中的电流，a为电缆中心点距坐标原点的水平距离，ρ_B为P点距坐标原点的距离长度，x和y分别表示P点的横纵坐标

采用相同计算方式，图3(c)中三角形电缆布局周围空间P点的磁场辐射强度为：

式中：μ_m为磁导率，I_m为电缆中的电流，a为电缆中心点距坐标原点的水平距离，ρ为P点距坐标原点的距离长度，x和y分别表示P点的横纵坐标

为研究电缆磁场在地层中的传播规律，以图3(c)所示三角形电缆布局为例研究了地下电缆在固定埋深下电缆上方磁场强度大小与距电缆不同垂直高度、不同水平距离间的变化规律，分别分析了电缆磁场磁感应强度在贴近电缆处(离电缆高度为0)以及离电缆高度分别为0.5m、1.0m、1.5m的四个水平面内的磁场强度变化，得到如图4所示的磁场强度变化曲线图。地下电缆的三角形布线方式下的地面磁场强度随着传播距离的增加而减小，且随着水平距离的增加同一高度平面内的磁场强度都呈衰减趋势，但在电缆正上方的磁场强度依然保持最大。

大地为非铁磁性、线性、各向同性的有损媒质，如图5所示为探地雷达电磁波辐射电缆示意图，图5中E^t、H^t分别为投射波的电场、磁场分量；E₀、H₀分别为入射波的的电场、磁场分量；k_i、k_t分别为入射波和透射波矢量；α、Φ、Ψ分别为入射波极化角、方位角和俯仰角；Ψ_t为透射波传输角；σ_g为土壤的电导率；h为电缆埋深。

为研究外场电磁波信号对地下电缆的地磁作用，在分析电场在地层中的传播规律后可根据电场与磁场间的关系得到磁场在地层中的传播规律。由图5可知，

E_v＝E₀cosα (7)；

E_h＝E₀sinα (8)；

沿x轴地下h米深度的电场为：

其中：

式中：T_v和T_h为菲涅尔传输系数；k_g为土壤中的传播常数，k² _g＝jωμ₀(σ_g+jε_g)。

α、φ、ψ分别为入射波极化角、方位角和俯仰角；ψ_t为透射波传输角；σ_g为土壤的电导率；h为电缆埋深。

则地下h米深度的磁场强度为：

式中η为地层土壤的波阻抗。

在探地雷达电磁波辐射下，地下电缆周围会形成一定强度的电场和磁场，如图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)所示为探地雷达电磁波辐射下典型金属、非金属介质以及普通电线与电缆的单道波形图。

如图6(a)～图6(d)所示，由于地层有损介质对高频电磁波的衰减作用，同时部分非金属介质对电磁波有吸收作用，因此非金属的反射波幅值较小；而金属对电磁波的反射近乎于全反射，因此金属的电磁反射波幅值明显高于非金属，且电磁波主要集中于金属介质位置处；与金属与非金属的波形图相比，由于输电线路中电流产生的磁场与探地雷达发射的高频电磁波相互叠加，磁场效应不断增强，因此输电线路的探测波形幅值明显增加且在输电线周围存在振荡现象，由图6(c)、图6(d)可以看出，电缆的波形幅值变化范围更大、电磁波的振荡影响范围更广，形成了表1中所示的带电电缆的特殊探测波形，因此以表1中的带电电缆探测波形为判断依据，实现对地下电缆的探测与识别具备一定的理论依据于可靠性。

如图7所示为带电电缆探测波形图。图7中所示有5处波形异常点，其中A、B两点探测波形与C、D、E三处的波形区别明显，局部能量较强，与表1中所示的对带电电缆的实验波形相同，可以确定该处地层中铺设有电缆；C、D两处波形强度与表1中的非金属花岗岩波形相似，可以判断其对应的地层介质为非金属异状体；E处的波形能量较强，与金属管探测波形相似，因此可以判断该处地层中铺设有金属管或其它对电磁波反射系数较高的金属介质。

如图8所示为现场开挖验证图。对A点对应位置进行开挖验证，开挖验证图如图8所示，由图8可以看出A点对应的地层位置中四条电缆以及一条非金属管，开挖验证结果再次验证了前述对A点地层介质判断的有效性和准确性。

Claims (6)

1.基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：通过正演实验模拟基于探地雷达对地下电缆的探测与识别，得到不同介质下的雷达探测的图像；

步骤二：对步骤一中不同介质下的雷达探测的图像进行特征分析，电缆探测图像中电缆处的探测回波会多次反射并叠加，回波幅值较大且变化范围广，电磁波在电缆处会出现电磁振荡，并向电缆下方空间延伸一定深度；

步骤三：通过多次正演实验得出的不同介质与其雷达探测的图像分别对应，将不同介质及其雷达探测的图像导入探地雷达的图像显示部分中，并建立了不同介质与雷达探测的图像特征对应关系的数据库；

步骤四：寻找地点进行反演实验，利用探地雷达对地下介质进行探测，将所得出的雷达探测的图像与步骤三数据库中的图像进行对比，根据不同介质的图像特征，定性分析判断介质属性。

2.根据权利要求1所述基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，其特征在于，还包括步骤五：进行开挖实验，验证地层介质属性判断的有效性和准确性。

3.根据权利要求1所述基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，其特征在于：

步骤二中，在单芯XLPE电缆配电网络中，单相系统中典型的电缆布线采用间隔平布方式；三相系统中除间隔平布方式外，还有包括典型的三角布线方式，利用磁场叠加的计算方法分析各排列方式下周围空间的磁场辐射强度；

为计算各不同布线方式下电缆磁场在周围空间中的辐射影响，利用磁场叠加计算方式分别计算空间中各位置的磁场辐射强度，P点磁感应强度矢量为：

式(1)中：

为电缆1在P点产生的磁场沿x轴的分量，

为电缆1在P点产生的磁场沿y轴的分量，

为电缆2在P点产生的磁场沿x轴的分量，

为电缆2在P点产生的磁场沿y轴的分量，e_x为沿x轴的单位磁感应强度，e_y为沿y轴的单位磁感应强度；

合成的磁场强度幅值为：

式(2)中：μ_m为磁导率，I_m为电缆中的电流，a为电缆中心点距坐标原点的水平距离，x和y分别表示P点的横纵坐标；

当P点离原点距离ρ≥2a时，即：

则P点的最大合成场强可表示为：

对三相电缆间隔平布布线方式，采用磁场叠加方式，能够计算出其空间P点的磁场辐射强度为：

采用相同计算方式，三角形电缆布局周围空间P点的磁场辐射强度为：

4.根据权利要求3所述基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，其特征在于：三角形电缆布局中，地下电缆的三角形布线方式下的地面磁场强度随着传播距离的增加而减小，且随着水平距离的增加同一高度平面内的磁场强度都呈衰减趋势，但在电缆正上方的磁场强度依然保持最大。

5.根据权利要求1所述基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，其特征在于：

步骤二中，根据电场与磁场间的关系，得到磁场在地层中的传播规律：

E_v＝E₀cosα (7)；

E_h＝E₀sinα (8)；

沿x轴地下h米深度的电场为：

其中

式中：T_v和T_h为菲涅尔传输系数；k_g为土壤中的传播常数，k² _g＝jωμ₀(σ_g+jε_g)；

α、φ、ψ分别为入射波极化角、方位角和俯仰角；ψ_t为透射波传输角；σ_g为土壤的电导率；h为电缆埋深；

则地下h米深度的磁场强度为：

式中，η为地层土壤的波阻抗。

6.根据权利要求1所述基于探地雷达对地下电缆成像的探测与识别方法，其特征在于：所述步骤四中，对于雷达探测的图像，是通过电磁波在地层中传播的往返时间和地层特性，定量计算介质的埋深，根据不同介质的图像特征，定性分析判断介质属性：

①、介质为金属水管时，雷达图像特征描述：图像波长较短，波形呈尖锐装，反射波幅值较大，无多次反射与震荡现象；

②、介质为地层空洞时，反射波明显,图像局部有较强反射波且波形较长；

③、介质为花岗岩时，图像波长较短，波形尖锐但不明显，反射波幅值小；

④、介质为电缆时，图像上方密集三角反射波形为钢筋网反射波，下方回波呈明显叠加与振荡状；

⑤、介质为排水通道时，图像上方为钢筋网路面，图像下方局部有较强回波；

⑥、介质为公路时，波形近似水平分布，波形连续且相似，为路面分层界面。

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