管线模型的探地雷达物理模拟实验_杨军.pdf

2023 年第 38 卷 第2期2023，38(2):0912-0927地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P杨军，李婷，袁忠明，等2023 管线模型的探地雷达物理模拟实验 地球物理学进展，38(2):0912-0927，doi:106038/pg2023GG0164YANG Jun，LI Ting，YUAN ZhongMing，et al 2023 Ground penetrating radar physical simulation experiment of pipeline model Progress in Geophysics(in Chinese)，38(2):0912-0927，doi:106038/pg2023GG0164管线模型的探地雷达物理模拟实验Ground penetrating radar physical simulation experiment of pipeline model杨军1，李婷2*，袁忠明1，柳杰1，苏玄2，冯德山2，王珣2，丁思元2，张华2，刘硕2YANG Jun1，LI Ting2*，YUAN ZhongMing1，LIU Jie1，SU Xuan2，FENG DeShan2，WANG Xun2，DING SiYuan2，ZHANG Hua2，LIU Shuo2收稿日期2022-08-01;修回日期2022-12-23投稿网址http:/www progeophys cn基金项目国家自然科学基金资助项目(41774132)和广州市市政工程设计研究总院有限公司重大攻关资助项目(1-43010100)联合资助第一作者简介杨军，男，1980 年生，高级工程师，从事岩土工程勘察设计、管线探测等工作 E-mail:615957423 qq com*通讯作者李婷，女，1997 年生，硕士研究生，主要从事探地雷达数值模拟研究 E-mail:TingLi csu edu cn1 广州市市政工程设计研究总院有限公司，广州5100602 中南大学地球科学与信息物理学院，长沙4100831 Guangzhou Municipal Engineering Design and esearch Institute Co，Ltd，Guangzhou 510060，China2 School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China摘要地下管线是保障城市运行的重要基础设施与生命线，开展管线探测是城市地下工程建设中必不可少的环节 探地雷达正演有助于掌握雷达波在地下的传播规律、加深对管线回波的认识 由于真实的地下介质分布不均匀、测区环境充斥着多种干扰，导致实际的探地雷达剖面中回波信号成分复杂、目标双曲线形态不完整，难以直接进行地质解释，而数值模拟常不考虑杂波干扰，模拟结果相对理想化 因此，本文聚焦于管线模型的物理模拟实验，在室内实验室和野外现场构建了一系列不同材质、不同埋深、不同管径的管线模型，利用不同中心频率的天线开展探测实验;分析了地下管线的雷达波传播规律及特征;结合管线材质、大小和埋深等信息，进一步验证雷达资料解释的准确度 结果表明:在背景介质均匀的沙池实验中，原始雷达剖面中背景噪声较小、目标双曲线形态完整，金属管线的反射波能量最强，含水管线会引起明显的多次波 而在野外现场采集到的雷达数据中存在较多的噪声干扰，不同管线引起的雷达回波呈双曲线或“类双曲线”;与背景介电常数的差异越大，反射波能量越强;相较于深埋管线，浅埋管线的双曲线特征更明显、振幅能量更强 由此可见，不同管线具有不同的双曲线特征、相位和振幅特征，可为地下管线普查和管线检测资料解译提供理论依据关键词探地雷达;管线探测;雷达剖面特征;物理模拟;野外测量AbstractUrban underground pipelines are an importantinfrastructure and lifeline to ensure urban operation，andpipelinedetectionisanindispensablelinkintheconstructionofurbanundergroundprojectsGroundPenetrating adar(GP)forward modeling is helpful tograspthepropagationlawofradarwavesintheunderground medium and deepen the understanding of thepipeline echo waveform Due to the uneven distribution ofthe real underground media and the environment of themeasurement area，the echo signal composition in theactual GP profile is complex，the target hyperbolic formis incomplete，which is difficult to directly interpret thegeological interpretation While the numerical simulationoften does not consider the clutter interference，and thesimulation results are relatively idealized In this paper，we focuse on the physical simulation of the pipeline model，and constructs a series of pipeline models of differentmaterials，differentburialdepthsanddifferentpipediameters in the laboratory and the field，and usesantennas with different center frequencies to carry outdetectionexperimentsThepropagationlawandcharacteristics of radar waves of underground pipelines areanalyzed Combined with the actual pipeline material，sizeandburialdepthinformation，theaccuracyofdatainterpretation is further verified The results show that thebackground noise in the original GP profile is small，thetarget hyperbola morphology is complete，the reflectedwave energy of the metal pipeline is the strongest，and thepipeline filled with water will cause obvious multiplewaves However，there is more noise interference in theGP data collected in the field，and the radar echo causedby different pipelines is hyperbolic or“hyperbolic”Inaddition，the greater the difference of dielectric constantbetween pipeline and background medium，the stronger thereflected wave energy Compared with the deep pipeline，the hyperbolic characteristics of the shallow pipeline are2023，38(2)杨军，等:管线模型的探地雷达物理模拟实验(www progeophys cn)中图分类号P631文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0164more obvious and the amplitude energy is stronger It canbe seen that different pipelines have different hyperboliccharacteristics，phase and amplitude characteristics，whichcanprovideatheoreticalbasisforthecensusofunderground pipelines and the interpretation of pipelinedetection dataKeywordsGround Penetrating adar(GP);Pipelinedetection;adarprofilecharacterization;Physicalsimulation;Field measurements0引言地下管线是城市基础设施的重要组成部分，也是城市赖以生存和发展的必要保障 随着我国城市化进程加快、地下工程规模不断扩大，管线探测也逐渐成为管线管理与探测部门的一大难题，亟需一种科学、有效的非开挖探测手段进行管线的探测，为工程处置提供依据 探地雷达(Ground Penetratingadar，简称 GP)作为一种新兴的地球物理手段，可以在不破坏地表结构的情况下获取地下未知区域的介质分布信息，具有探测速度快、精度高、抗干扰能力强、结果直观、成本低等特点(丁亮等，2012;郭士礼等，2018)，已发展成为工程应用中重要的浅层地球物理方法 探地雷达剖面中不同目标体的回波信号具有不同的振幅、频率、相位及波长(许献磊等，2012;曾岳梅等，2015，2016;郭士礼等，2018;郑雷雷和秦镇，2018)，它们从不同角度反映目标体的特征，为识别地下管线提供了必要的条件探地雷达正演是了解雷达波在地下介质中的传播规律及特征的必要手段，可分为数值模拟和物理模拟 其中，数值模拟是通过构造贴合实际情况的数学模型，利用计算机模拟理论上的雷达回波记录(Pettinelli et al，2009;Porsani et al，2012)数值模拟具有计算效率高、模型和计算参数修改简便等优点，因此得到了广泛的应用 张鹏等(2014，2015)应用时域有限差分开展了二维管线模型数值模拟，讨论了不同材质、不同管径、不同埋深的管线对雷达波形特征 谢建林和许家林(2017)运用 GPmax 软件分析了雷达电磁波在不同介质中的传播规律Prego 等(2017)模拟了不同深度、不同材料、不同方向的的埋设管线模型，测试了不同天线频率与参数设置的 GP 数据，以确保准确探测管道的位置信息 梁小强等(2017)分析了不同材质下的地埋管线的雷达成像特征 姚显春等(2018)开展了典型 GP地下管线模型正演，分析了金属管线与非金属管线的成像特征及其规律 然而，由于探地雷达的测区环境常存在噪声干扰，真实的地下介质分布不均匀，使GP 回波信号的组成成分复杂，原始雷达剖面中目标双曲线并不是表面平滑、形态完整的理想双曲线，而是多有起伏、间断、畸变的“类双曲线”，且由于电磁波的衰减效应，深部的反射信号