三維探地雷達(dá)在地下金屬管線定位探測(cè)中的應(yīng)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(nèi)的所有城市在設(shè)計(jì)時(shí)都擁有一張極其復(fù)雜迂回的地下金屬管結(jié)構(gòu)，它就好像是人類身體的“神經(jīng)”與“血管”，承擔(dān)著城市內(nèi)信息傳遞、排澇抗災(zāi)、排放廢棄物等功能，這也是城市基礎(chǔ)建設(shè)的重要組建內(nèi)容，關(guān)系到城市居民的正常起居以及社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展，所以其也稱之為城市經(jīng)濟(jì)的“生命跳躍線”[1]。

在城市中，地下管道管線錯(cuò)綜復(fù)雜，擔(dān)負(fù)著重要任務(wù)，如果不能完全掌握地下管線的具體位置等屬性信息，就會(huì)喪失對(duì)城市的控制，不利于城市生活和施工建設(shè)，因而進(jìn)行地下管線的定位探測(cè)是極其重要的。對(duì)于早期鋪設(shè)于地下的城市金屬管線絕大多數(shù)都在信息資料上表現(xiàn)不佳，已有管線資料也存在內(nèi)容不完整、不精確的問題，針對(duì)此種情況，就急需高效率、高準(zhǔn)確度的定位技術(shù)對(duì)城市地下金屬管線進(jìn)行檢測(cè)。

1 基于三維探地雷達(dá)的地下金屬管線定位探測(cè)

1.1 信息采集板設(shè)計(jì)

在對(duì)地下金屬管線進(jìn)行采集板設(shè)計(jì)時(shí)，第一步精確判斷采集板流動(dòng)方向，對(duì)接收到的指令進(jìn)行預(yù)處理，第二步將受到的金屬管線具體位置信息進(jìn)行上傳，根據(jù)指令發(fā)出信號(hào)到天線，第三步對(duì)所接收到的回波信號(hào)進(jìn)行下一步采集處理。

按照總體結(jié)構(gòu)要求，上位機(jī)的指令信息必須是以16位為一個(gè)單位進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，高8位為數(shù)據(jù)內(nèi)容，低八位為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存地址，詳細(xì)的指令內(nèi)容如表1所示。

表1 上位機(jī)下達(dá)到采集板的指令

其中，采樣的具體點(diǎn)數(shù)上傳至FPGA內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）內(nèi)，控制ADC芯片對(duì)下一幀數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行采集。直達(dá)波延時(shí)、采樣頻率均利用數(shù)字頻率合成器（DDS）上傳至DDS部件內(nèi)，使其可以根據(jù)城市具體要求產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)。按照脈沖重復(fù)頻率對(duì)其進(jìn)行分頻處理，分頻后上傳至雙D型觸發(fā)器（DDFF）內(nèi)，因而產(chǎn)生兩個(gè)反方向的觸發(fā)信號(hào)，即雙通道天線觸發(fā)信號(hào)。采集板內(nèi)部各個(gè)控制模塊的屬性、FPGA和各個(gè)芯片之間互相連接，控制整體數(shù)據(jù)的流向。

1.2 探地雷達(dá)信號(hào)預(yù)處理

三維探地雷達(dá)在檢測(cè)到地下金屬管線的存在時(shí)，因受地質(zhì)介質(zhì)所處環(huán)境的影響，所探測(cè)到的信號(hào)通常是混合信號(hào)，包括以下幾種類型，含有噪聲干擾的交雜信號(hào)、回波信號(hào)、直波信號(hào)、曲波信號(hào)[2]。出現(xiàn)不同類型的檢測(cè)信號(hào)是由于我們通常是利用天線接收信號(hào)，完成成像。而利用三維探地雷達(dá)進(jìn)行信號(hào)采集，會(huì)接收到檢測(cè)工作中所不需要的無用信號(hào)、干擾信號(hào)，對(duì)地下金屬管線的信號(hào)接收工作造成障礙。所以，三維探地雷達(dá)檢測(cè)中的雜波問題也是信號(hào)處理工作過程中一個(gè)重要問題。當(dāng)目標(biāo)深度較淺時(shí)，目標(biāo)信號(hào)和雜波信號(hào)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，此時(shí)目標(biāo)信號(hào)極容易被覆蓋掉，埋地金屬管線反射信號(hào)探測(cè)到，對(duì)目標(biāo)信號(hào)的采集和收集造成一定影響，所以為了在下一步目標(biāo)提取時(shí)獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，怎樣高效抑制三維探地雷達(dá)信號(hào)內(nèi)的雜波就成為其信號(hào)預(yù)處理的一個(gè)重要內(nèi)容。

綜上，三維探地雷達(dá)的定位性在一定程度上會(huì)受到其他干擾波的影響，對(duì)圖像的精準(zhǔn)識(shí)別造成干擾，因此為避免此類現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，盡可能篩選出金屬管線相關(guān)信息內(nèi)容，從而使三維探地雷達(dá)可以更為精準(zhǔn)地反映出地下金屬管線的實(shí)際位置，以方便下一步目標(biāo)雙曲線的提取，提高定位的準(zhǔn)確度。

本文所采取的GPR數(shù)據(jù)預(yù)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(huán)境下，可規(guī)避原目標(biāo)圖像的模糊問題，過濾掉檢測(cè)中的一些干擾信號(hào)，實(shí)際應(yīng)用流程簡(jiǎn)單，操作流程為：設(shè)定一個(gè)包含數(shù)個(gè)奇數(shù)點(diǎn)的滑動(dòng)濾波窗口，根據(jù)值域大小對(duì)窗口內(nèi)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，將窗口排列后的中間值取代原窗口中心值。

假設(shè)一組數(shù)據(jù)包含n個(gè)數(shù)據(jù)，記為f1,f2,f3,f4, ...,fn，對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波處理，就會(huì)有效提取到一個(gè)包含m（m為奇數(shù)）個(gè)數(shù)據(jù)的濾波窗口，根據(jù)大小選取出2m+1個(gè)數(shù)據(jù)：

fi-m, ...,fi-1,fi,fi+1,...fi+m，那么整個(gè)濾波窗口的中心位置就是，對(duì)選擇出來的2m+1個(gè)數(shù)據(jù)的根據(jù)其值的大小排序，排序后的值就會(huì)立即覆蓋窗口中心值。中值濾波算法的表達(dá)式如下：

三維中值濾波對(duì)噪聲的抑制作用相比于二維表現(xiàn)得更好。三維中值濾波器可根據(jù)所檢測(cè)噪聲形狀差異對(duì)其進(jìn)行過濾，如方形、圓形、十字形、棱形等等，形狀差異對(duì)濾波效果也造成一定影響，在操作中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行篩選，以便為定位的準(zhǔn)確度提供依據(jù)。

1.3 管線定位

管線的定位通常在野外或室外進(jìn)行，這就必須借助手持移動(dòng)操作。對(duì)此，設(shè)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(dǎo)磁材料以合金材料為主，比傳統(tǒng)的硅片在耗能上表現(xiàn)得要低得多[3]。在管線走向設(shè)計(jì)上，采取橫直雙線圈定位法對(duì)金屬管線的走向進(jìn)行定位，而最小二乘法就是國外學(xué)者在提出的橢圓曲線擬合法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，該方法適合用于城市內(nèi)各種復(fù)雜模型的判斷，并能夠直觀、具體地給出關(guān)于定位的檢測(cè)，具有定位精度高的優(yōu)勢(shì)。二次曲線方程的表現(xiàn)形式為：

當(dāng)約束條件B2-4AC＞0時(shí)，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(shí)，就能獲得雙曲線表現(xiàn)形式的最小二乘法擬合雙曲線，從而根據(jù)結(jié)果，準(zhǔn)確定位金屬管線。

2 實(shí)驗(yàn)與效果分析

為了更加清楚、具體的探究三維探地雷達(dá)在地下金屬管線定位探測(cè)中的應(yīng)用效果，特與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其定位精度大小進(jìn)行比較。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)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(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，利用探地雷達(dá)對(duì)管線進(jìn)行定位探測(cè)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)實(shí)測(cè)三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理和分析，得出最終的定位精度圖，見下圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于三維探地雷達(dá)的地下金屬管線定位方法相比于傳統(tǒng)定位方法設(shè)計(jì)而言，能夠最大限度地提高金屬管線的定位準(zhǔn)確率，從而大大降低定位失誤率，節(jié)約成本，更好地為城市生活而服務(wù)。

3 結(jié)束語

對(duì)三維探地雷達(dá)在地下金屬管線定位探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，依托三維探地雷達(dá)的技術(shù)要求，根據(jù)地下金屬管線的特性，對(duì)方案設(shè)計(jì)內(nèi)容及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。實(shí)踐表明，三維探地雷達(dá)對(duì)金屬管線的探測(cè)效果最好。希望本文對(duì)三維探地雷達(dá)的探究可以為未來有關(guān)地下金屬管線定位探測(cè)以及城市管理提供一定借鑒意義。