三維探地雷達在地下金屬管線定位探測中的應用研究

吳勤偉

（中核華東地礦科技有限公司，江西 南昌 330200）

世界范圍內的所有城市在設計時都擁有一張極其復雜迂回的地下金屬管結構，它就好像是人類身體的“神經”與“血管”，承擔著城市內信息傳遞、排澇抗災、排放廢棄物等功能，這也是城市基礎建設的重要組建內容，關系到城市居民的正常起居以及社會的可持續性發展，所以其也稱之為城市經濟的“生命跳躍線”[1]。

在城市中，地下管道管線錯綜復雜，擔負著重要任務，如果不能完全掌握地下管線的具體位置等屬性信息，就會喪失對城市的控制，不利于城市生活和施工建設，因而進行地下管線的定位探測是極其重要的。對于早期鋪設于地下的城市金屬管線絕大多數都在信息資料上表現不佳，已有管線資料也存在內容不完整、不精確的問題，針對此種情況，就急需高效率、高準確度的定位技術對城市地下金屬管線進行檢測。

1 基于三維探地雷達的地下金屬管線定位探測

1.1 信息采集板設計

在對地下金屬管線進行采集板設計時，第一步精確判斷采集板流動方向，對接收到的指令進行預處理，第二步將受到的金屬管線具體位置信息進行上傳，根據指令發出信號到天線，第三步對所接收到的回波信號進行下一步采集處理。

按照總體結構要求，上位機的指令信息必須是以16位為一個單位進行數據上傳，高8位為數據內容，低八位為數據儲存地址，詳細的指令內容如表1所示。

表1 上位機下達到采集板的指令

其中，采樣的具體點數上傳至FPGA內的模數轉換器（ADC）內，控制ADC芯片對下一幀數據點數進行采集。直達波延時、采樣頻率均利用數字頻率合成器（DDS）上傳至DDS部件內，使其可以根據城市具體要求產生對應的方波信號。按照脈沖重復頻率對其進行分頻處理，分頻后上傳至雙D型觸發器（DDFF）內，因而產生兩個反方向的觸發信號，即雙通道天線觸發信號。采集板內部各個控制模塊的屬性、FPGA和各個芯片之間互相連接，控制整體數據的流向。

1.2 探地雷達信號預處理

三維探地雷達在檢測到地下金屬管線的存在時，因受地質介質所處環境的影響，所探測到的信號通常是混合信號，包括以下幾種類型，含有噪聲干擾的交雜信號、回波信號、直波信號、曲波信號[2]。出現不同類型的檢測信號是由于我們通常是利用天線接收信號，完成成像。而利用三維探地雷達進行信號采集，會接收到檢測工作中所不需要的無用信號、干擾信號，對地下金屬管線的信號接收工作造成障礙。所以，三維探地雷達檢測中的雜波問題也是信號處理工作過程中一個重要問題。當目標深度較淺時，目標信號和雜波信號出現重疊現象，此時目標信號極容易被覆蓋掉，埋地金屬管線反射信號探測到，對目標信號的采集和收集造成一定影響，所以為了在下一步目標提取時獲得更為準確的數據，怎樣高效抑制三維探地雷達信號內的雜波就成為其信號預處理的一個重要內容。

綜上，三維探地雷達的定位性在一定程度上會受到其他干擾波的影響，對圖像的精準識別造成干擾，因此為避免此類現象的出現，可以對所獲取的圖像進行數據預處理，盡可能篩選出金屬管線相關信息內容，從而使三維探地雷達可以更為精準地反映出地下金屬管線的實際位置，以方便下一步目標雙曲線的提取，提高定位的準確度。

本文所采取的GPR數據預處理方法主要是以雜中值濾波法為主。

此方法可以直接作用在空間域上，在特定環境下，可規避原目標圖像的模糊問題，過濾掉檢測中的一些干擾信號，實際應用流程簡單，操作流程為：設定一個包含數個奇數點的滑動濾波窗口，根據值域大小對窗口內所有數據進行排序，將窗口排列后的中間值取代原窗口中心值。

假設一組數據包含n個數據，記為f1,f2,f3,f4, ...,fn，對這組數據進行中值濾波處理，就會有效提取到一個包含m（m為奇數）個數據的濾波窗口，根據大小選取出2m+1個數據：

fi-m, ...,fi-1,fi,fi+1,...fi+m，那么整個濾波窗口的中心位置就是，對選擇出來的2m+1個數據的根據其值的大小排序，排序后的值就會立即覆蓋窗口中心值。中值濾波算法的表達式如下：

三維中值濾波對噪聲的抑制作用相比于二維表現得更好。三維中值濾波器可根據所檢測噪聲形狀差異對其進行過濾，如方形、圓形、十字形、棱形等等，形狀差異對濾波效果也造成一定影響，在操作中根據實際情況進行篩選，以便為定位的準確度提供依據。

1.3 管線定位

管線的定位通常在野外或室外進行，這就必須借助手持移動操作。對此，設備不宜過重、過大。另外一方面，金屬管線的橫向線圈制作工藝較為繁瑣。本文采取兩豎一橫的定位方法。線圈導磁材料以合金材料為主，比傳統的硅片在耗能上表現得要低得多[3]。在管線走向設計上，采取橫直雙線圈定位法對金屬管線的走向進行定位，而最小二乘法就是國外學者在提出的橢圓曲線擬合法的基礎上改進而來，該方法適合用于城市內各種復雜模型的判斷，并能夠直觀、具體地給出關于定位的檢測，具有定位精度高的優勢。二次曲線方程的表現形式為：

當約束條件B2-4AC＞0時，二次曲線就屬于雙曲線，那么限定條件B2-4AC=1就必不可少，將曲線限制為雙曲線形式時，就能獲得雙曲線表現形式的最小二乘法擬合雙曲線，從而根據結果，準確定位金屬管線。

2 實驗與效果分析

為了更加清楚、具體的探究三維探地雷達在地下金屬管線定位探測中的應用效果，特與傳統方法進行對比，對其定位精度大小進行比較。

2.1 實驗準備

以河北某電鐵牽引站配套220kv輸變電工程為例，全線采取架空方式，路徑總長7.5 km，電纜隧道總長為7.5km，架空長度為1km，全線位于平原。

本工程此次勘察的目的就是借助現場調查，利用探地雷達對管線進行定位探測。

2.2 實驗結果與分析

通過對實測三維探地雷達數據的處理和分析，得出最終的定位精度圖，見下圖。

圖1 實驗效果對比圖

實驗結果表明，本文提出的基于三維探地雷達的地下金屬管線定位方法相比于傳統定位方法設計而言，能夠最大限度地提高金屬管線的定位準確率，從而大大降低定位失誤率，節約成本，更好地為城市生活而服務。

3 結束語

對三維探地雷達在地下金屬管線定位探測中的應用進行分析，依托三維探地雷達的技術要求，根據地下金屬管線的特性，對方案設計內容及時進行調整。實踐表明，三維探地雷達對金屬管線的探測效果最好。希望本文對三維探地雷達的探究可以為未來有關地下金屬管線定位探測以及城市管理提供一定借鑒意義。