全極化探地雷達地下管道分類識別技術

馮 晅，梁帥帥，恩和得力海，張明賀， 董澤君，周皓秋，齊嘉慧，趙瑋昌

1.吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春 130026 2.吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 3.河北省地礦局第一地質大隊，河北 邯鄲 056001

0 引言

地下管道是城市的生命線，是城市中最重要的基礎設施，它擔負著人們正常工作和生活的責任，具有傳輸能量、傳遞信息，水源供應和排放廢液等一系列重要的職能。但絕大多數城市地下管道分布并不是很清楚，相關部門對于管道分布圖的資料管理也不夠規范，甚至一些廢舊居民區和廢舊工業區沒有管道圖。這些問題都給城市擴張及建設造成了不小的困難，有時給人們的生產和生活造成困難(如停水停電等)或導致事故，甚至人員傷亡。管道探測不僅對城市建設、改造等起到了極為重要的作用，甚至對于整個城市的發展進步都至關重要。因此對地下管道快速準確地識別，是我們目前很有必要做的工作[1]。

探地雷達(GPR)是一種無損探測技術，通過天線向地下發射高頻電磁波，接收到的電磁波由于地下媒介電磁特性和物理性質的差別，其路徑、強度、波形都會發生改變，以此探知地下物質的物性差別[2]。

20世紀90年代出現了研究探地雷達的熱潮，這是我國探地雷達對地下管道探測技術發展的起步階段。在此之后，我國科研人員在探地雷達方面投入了大量的人力物力，我國的探測技術趨于成熟。在90年代中后葉，國防科技大學研究出一種對道路分辨率為4 mm左右、使系統分辨率達到3～5 cm的探地雷達[3]。此后，探地雷達在工程方面的應用日漸增多，對管道探測的研究亦日趨成熟[4]。然而常規探地雷達大多數是單極化雷達，單極化雷達是采用固定極化方式的天線來發射和接收電磁波信號，只接收共極化信息[5]，故得到的是單極化數據。但單極化數據信息量遠不足以滿足實際需求，對管道目標準確快速的識別造成了困難，于是全極化探地雷達在單極化雷達之后得到了快速的發展[6-12]。

全極化探地雷達是通過接收來自不同極化方向的電磁波，利用不同目標體反射回來的電磁波信號中矢量特性的不同以及各矢量分量之間的關系，更好地獲得目標體的位置及走向等各方面信息[12]。其優點是能夠分析目標體的極化特性，由全極化散射矩陣表述。通過該矩陣可以了解目標體在每個測點上的極化特征，這些極化特征既包括共極化信息也包括交叉極化信息，從而能夠獲取目標體較為全面的極化信息。極化分解技術主要就是通過分析目標體的全極化信息，提取目標體的極化屬性，有效地識別目標體[7]。

1 全極化探地雷達地下管道探測原理

1.1 全極化探地雷達系統

全極化步進頻率探地雷達系統(圖1)由矢量網絡分析儀、三維直角坐標機器人、PC控制單元和全極化天線構成。將發射天線、接收天線分別接在發射端口和接收端口，即可構成完整的全極化探地雷達系統。該系統具有精確定位、測量、自動化存儲數據等功能，可獲得高質量的全極化數據。

圖1 全極化探地雷達測量系統[7]Fig.1 Full polarimetric GPR measurement system[7]

在本文中用到的矢量網絡分析儀的型號是E5071C，頻帶寬度為：9 kHz～8.5 GHz，掃描點數可達1 601，輸出功率為-15～10 dBm，最大輸入功率為20 dBm。通過網絡分析儀，可以發射信號和接收信號，能夠進行簡單的數據處理。在使用網絡分析儀之前首先要進行校準，校準主要是去除電纜及儀器本身的干擾。我們一般用雙端口校準，校準件的型號是E5052C，包含4個校準件，分別是短路校準件、開路校準件、負載校準件和直通校準件。

三維直角坐標機器人用于空間位置精確定位，能在x,y,z3個方向上移動，測量精度可達0.1 mm。通過PC控制單元控制三維直角坐標機器人的移動。

在該全極化探地雷達系統中，所用天線是Vivaldi天線。天線在探地雷達系統中至關重要，極化天線分為水平極化(H極化)天線和垂直極化(V極化)天線兩種。電磁波的傳播方向與極化方向一致時，我們稱之為H極化；波的傳播方向與極化方向垂直稱為V極化，由H極化和V極化可以構成交叉極化(VH極化或者HV極化)[7]。

假設在散射和散射體全部確定的情況下，完全散射就能夠由散射矩陣描述。在單站后向散射情況下，發射天線和接收天線在同一位置時，測線中每個測點的散射矩陣S可表示為

(1)

式中,SHH，SHV，SVH和SVV是散射系數。SHH和SVV代表入射場和散射場的極化方式相同，稱之為“同極化”項；SVH和SHV代表入射場和散射場極化方式相互正交，稱之為“交叉極化”項。由于發射天線和接收天線是可交換的，且傳播的介質也滿足互易性，因此后向散射矩陣也滿足互易性，即有SHV=SVH[14]。那么目標矢量Ω可寫成

(2)

那么協方差矩陣C就可以寫成

C=Ω·Ω*T。

(3)

式中：*代表共軛變換；上角標T表示轉置。

將目標矢量Ω代入式(3)可得

(4)

計算協方差矩陣C的特征值和特征向量，可將公式(4)化為標準化形式[17-19]：

(5)

其中，

(6)

(7)

(8)

(9)

Z1--Z9 含義見表1。圖的二維特征分類空間[30]Fig.2 Two dimensional feature classification space of the

2 地下管道分類識別實驗

我們在實驗室均勻的沙槽中分別對單一管道、多個管道彼此之間相互影響以及管道受其他屬性目標體影響3種不同類型的實驗進行全極化測量。

2.1 單一管道極化屬性分析

將直徑為5 cm的金屬圓柱體(圖3)埋在2.5 m×2.5 m均勻的白沙沙槽中，目標體大致埋在沙槽中間位置，埋深15 cm左右。用金屬圓柱體模擬實際環境中的管道，測線布設在目標體正上方，用全極化探地雷達系統進行測量，分別得到了HH，HV，VV 3種極化方式的測量剖面(圖4)。

圖3 兩個實驗目標體Fig.3 Two experimental objects

2.2 多個管道極化屬性分析

沙槽中均勻沙的相對介電常數約為4，沙中埋置4個相距很近的管道，其分布如圖6所示，從左到右管道的埋深依次為45,45,40,20 cm，橫向間隔為60，45，55 cm。中間兩個管道(2#、3#)是金屬管，兩側分別為PVC管，測量間隔為2 cm。用全極化探地雷達系統進行全極化測量，分別得到了HH，HV，VV 3種極化方式的測量剖面(圖7)。

表1 Z1--Z9 代表的散射機制

a.HH，水平發射水平接收；b.HV，水平發射垂直接收；c.VV，垂直發射垂直接收。圖4 單一管道目標體剖面圖Fig.4 Profiles of a single pipeline

圖5 單一管道目標的的分布圖Fig.5 Distribution of of a single pipeline

圖6 管道的三維立體圖Fig.6 Three dimensional view of four pipes

a.HH，水平發射水平接收；b.HV，水平發射垂直接收；c.VV，垂直發射垂直接收。圖7 4根管道的剖面圖Fig.7 Profiles of the four pipelines

a.第一根管道；b.第二根管道；c.第三根管道；d.第四根管道。圖8 4根金屬管道的的分布圖Fig.8 Distribution of of the four metal pipelines

2.3 管道和其他非線性目標體相互影響的極化屬性分析

將直徑為5 cm的金屬圓柱體和直徑為15 cm的實心金屬球(圖3)埋在各向同性的白沙中，2個目標體大致在沙槽中間位置，目標體相距60 cm左右。用全極化探地雷達系統進行測量，測線依然布設在目標體正上方，分別得到了HH，HV，VV 3種極化方式的測量剖面(圖9)。

為了驗證目標體之間由于極化屬性相互影響致使數據點有一定的偏移想法的正確性，對此非線性目標體金屬球進行了極化屬性的分析，得到圖11。從圖11看出，球的數據點集中在Z9低熵表面散射區。但認真觀察會發現，由于線性管道極化屬性的影響，位于Z9區的數據點卻向Z8線性目標體區有一定的偏移，但主要的數據點依然集中在Z9區。

a.HH，水平發射水平接收；b.HV，水平發射垂直接收；c.VV，垂直發射垂直接收。圖9 管道和金屬球在全極化GPR系統測量下得到的剖面圖Fig.9 Profiles of pipeline and ball with full polarimetric GPR system

圖10 管道在非線性目標體球影響下的的分布圖Fig.10 Distribution of of the pipe under the influence of nonlinear target ball

圖11 金屬球在管道的影響下的的分布圖Fig.11 Distribution of of the ball under the influence of pipeline

3 結論與展望

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