地質雷達在武警部隊地埋油罐監漏中的應用研究

李維亮 張漢華 宋勇平 王建楠（國防科技大學電子科學與通信工程學院一所，湖南長沙 410073）

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地質雷達在武警部隊地埋油罐監漏中的應用研究

李維亮 張漢華 宋勇平 王建楠
（國防科技大學電子科學與通信工程學院一所，湖南長沙 410073）

【摘要】近幾十年來，國內外使用地質雷達探測土壤及地下水中的有機污染，已有很多成功的實例，應用效果良好，值得借鑒。針對武警部隊部分加油站儲油罐超期服役狀態，隨時都有可能發生滲漏危險的實際背景，此次實驗選擇了某型工作頻段為1.9-2.5GHz的超寬帶步進頻雷達進行了探測實驗。簡述了實驗場景、過程以及數據處理分析。雷達數據分析結果表明淡水及柴油在干砂土中發生泄露是可以檢測出來，并可以進一步區分開來。這一研究成果證實了地質雷達監測部隊加油站地埋油罐底部漏油的可行性。

【關鍵詞】地質雷達 砂土 泄漏 介電常數

由于部隊加油站都是以地埋油罐的方式進行油料的儲存與收發，所以，隨著使用時間的增加，銹蝕、腐蝕等因素的作用，對于油罐是否漏油很難從外觀上直觀看到，所以要通過一定的檢測方法來實現監測的目的，現今大多數油庫依然使用的通過罐內油位變化和感官檢漏的方法［1，2］已經不能有效地實現油罐底部的實時監漏，傳統方法［3-8］往往存在著發現微小滲漏困難、發現滲漏不及時等問題。雖然國內對于地質雷達的探索及應用正在展開，在“長江三角洲地區地下水污染綜合研究”項目中，周迅［9，10］等對宜興地區地下儲油罐滲漏污染現狀進行評價及在蘇南地區加油站地下儲油罐滲漏污染研究的過程中使用了地質雷達探測地下石油烴污染，應用效果較好；2008年，白蘭［11］等對垃圾填埋場等污染場地使用地質雷達和高密度電阻率法進行探測，初步探索了地質雷達探測地下污染物的適用性。但是，不能很好的作為實時檢測的手段，所以油罐底板的實時監漏技術一直是國內外關注的焦點和研究的重點。

1 實驗原理

1.1 實驗背景

為了對油罐底部是否漏油進行實時檢測，我們首先應該了解清楚地埋油罐的物理特性及其周圍的環境。如圖1所示。

從圖1，我們可以看出罐體周圍的環境是經過混凝土處理過的墻壁，底部及周圍均由砂土墊襯填埋，所以直接監測油罐是否發生泄露不好實施，但是我們可以通過對砂土進行無損監測，通過判斷砂土內介電常數是否發生變化而判斷油罐是否發生泄露，這樣我們就能夠有效解決監測的問題，那么雷達是否能夠有效監測砂土內介電常數發生變化呢，我們將通過實驗進行研究分析。

1.2 探測原理

探地雷達是利用高頻電磁波（從十到上千MHz）的反射來探測有電性差異的界面或目標體的一種物探技術。探地雷達探測時，通過發射天線向地下（或其它方向） 定向發射脈沖電磁波，脈沖電磁波能量就向地下（或其它方向） 定向輻射，當脈沖電磁波傳播過程中遇到有電性差異的界面或目標體（介電常數和電導率不同），就會發生反射和散射現象［12］，雷達探測時電磁波傳播示意見圖2。

從圖2所示，反射界面的深度可以通過下面公式計算：

式中： v為電磁波在真空中的傳播速度，m/s；rε為介質的相對介電常數： t為界面的反射波雙向傳播時間。某一介質的相對介電常數rε，是把雷達在已知反射點上實際探測，用反射波雙向走時時間t和深度 H來計算：

雷達波在介質中傳播速度取決于介質的相對介電常數和電導率，通常工程勘探和檢測中所遇到的介質都是以位移電流為主的低損耗介質，在這類介質中雷達波的反射系數和波速（ μ）取決于相對介電常數［2］，即：

1.3 影響因素

一般而言，地質雷達探測法適用于金屬、非水相液體和其它有機污染的探測。影響地質雷達的探測深度、分辨率以及精度的因素主要是環境的電導率，介電常數以及探測方法，包括探測所采用的頻率，采樣速度等［13，14］。一般的地質雷達都擁有多種頻率的天線，低頻可達到16 MHz，高頻可達到2GHz［15］。

2 實驗實施

2.1 實驗目的

利用雷達對水和油在砂土中的滲透過程進行探測，通過實驗及數據處理分析判斷出其變化規律與不同。

2.2 實驗準備

為了實驗順利進行，在試驗開始前應做好充分的實驗器材準備、了解實驗設備及系統工作的基本原理和明確實驗所采取的基本方法。

2.2.1 實驗器材

94.5cm×64.5cm×49cm塑料沙箱1個，沙土0.5立方米，地質雷達1臺，1L淡水，1L柴油，卷尺1把，500ml點滴瓶及輸液軟管一套。

2.2.2 雷達基本參數

此次實驗采用某型超寬帶步進頻雷達，工作頻段1.9-2.5GHz，頻跳間隔4MHz，慢時間采樣率5Hz，采用多普勒處理。多普勒處理是指對接收到的來自某一固定距離單元、一段時間內（對應于幾個脈沖）的信號進行濾波或譜分析處理。靜止目標會出現在零多普勒頻率處，而運動目標會出現在譜的任何位置，這個位置取決于它們相對于雷達的徑向速度［16］。

2.2.3 實驗方法

（1）將砂土晾曬烘干，攪拌均勻后裝入準備好的砂箱內，攪拌均勻，并使其表面平整。

（2）將雷達架設并固定于砂箱上方，使其與水平面成45°夾角，固定實驗液體瓶及輸液管，防治液體流動過程中水管產生擾動，對實驗造成干擾，致使誤差增大。具體如圖3所示：

（3）實驗設備架設完畢后，首先利用雷達對干燥砂箱采集背景數據，時常為8分鐘，共計2400幀。

（4）首先進行注水實驗，采集完背景信息后，讓1L水以均勻的速度進行滴漏，共錄制8分鐘，共計2400幀；第二，將砂箱內濕砂按要求進行更換，柴油參照注水方法進行測試。

（5）對實驗結果進行分析處理。

3 實驗分析

實驗完畢，我們通過數據分析，探討我們利用雷達檢測滲漏的可行性。

3.1 注水實驗分析

如圖4所示，每張圖片中左側為對背景對消、抑制零頻雜波后的圖像，本次采用參數為5幀/次。

我們通過左側對消圖像可以發現，水在不斷注入過程中，在系統收斂穩定后，隨著水在砂土里邊滲透面積及空間不斷擴大，這一過程的變化是能夠被雷達檢測到，并且能在圖像上清晰看到，此時它的零頻已經被濾除，只是運動目標的信息圖像；圖片的右側為注水前采集的空背景數據圖像，與注水圖做一些對比。剛開始水流比較大，這種雷達探測圖像反映較強，能夠清楚的看到水在砂土里面的運動，如圖4。

通過對注水實驗的數據進行研究發現，當水從外界流入砂土中滲透時，這一過程是可以被雷達監測到的，這也為我們試圖利用雷達對油罐底部水泄露監測的可行性提供了有效支撐。

3.2 注油實驗分析

剛才我們分析了注水在砂土中的滲透過程，現在我們分析一下注油在砂土中的滲透情況，如圖5所示，背景對消圖像參數不變，圖像左側為注水過程背景對消圖像，右側為注油前采集的空背景圖像。通過圖像我們可以看出，柴油由于自身的粘滯性比水要強，所以在軟管中的流速要比水緩慢一些，在砂土中滲透也就比較緩慢一些，所以從每張圖片中的左側圖像可以看出在柴油進入砂土后，滲透運動要比水弱一些，雖然弱，但是也能夠被雷達采集到，這與實際是相符的。

通過對注油實驗的分析，為我們利用雷達監測油罐底部漏油可行性提供了依據。

3.3 比較分析

前面我們分別對注水及注油實驗做了分析，為了進一步深入研究，我們對比分析一下注水及注油實驗。如圖6所示，每張圖片中左側為注水實驗，右側為注油實驗，均為背景對消圖像，為了實驗條件的統一性，我們依舊采用參數為5幀/次，從圖片中可以明顯看出注水與注油的不同，在對注油實驗分析的過程中，我們提到了一些它們的區別，從這些區別中我們也可以看出水和油在砂土中的滲透是不同的，是可以通過雷達監測并區分出來，這就為區分罐底是否單純漏水監測提供了可能。

通過比較分析，我們可以直觀的從數據圖像上區分出水與油滲透的不同，這為我們研究雷達監測罐底漏油提供了很大的支持。

4 結語

綜上，通過實驗及數據處理分析，我們基本達到了實驗的預期目的，發現了水和油在干砂土滲透過程中可以被雷達適時的監測到，而且水跟油的雷達監測圖像也有很明顯的區別，為后期做好實時監測提供了很好的理論參考。這一研究成果證實了地質雷達監測部隊加油站地埋油罐底部漏油的可行性。雖然有很多收獲，但也存在很多不足，如：雷達探測信息圖像中只能反映有無，并不能精確反映出其滲透面積及深度，對油或水不能做出定性及定量的研究；實際工作中數據量大，不能長時間的連續監控等。

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【Abstract】In recent decades，there are many successful examples of using ground penetrating radar to detect organic contamination in soil and groundwater in domestic and foreign countries.Part of gas station oil tank for CAPF extended state， at any time may be leaking .Above these dangerous actual background， the experiments chose a certain working band 1.9- 2.5 GHz ultra-wideband step frequency radar detection experiment was carried out. This paper briefly describes the experimental scenario， the process and the analysis of the data processing. Radar data analysis results show that the fresh water and diesel oil spills in dry sand can be detected， and can be further distinguish. The findings confirmed the GPR monitoring the forces gas station buried at the bottom of the tank leak is feasibility.

【Key words】ground penetrating radar；oil tank；leakage；permittivity