一种城市埋地管道探地雷达校准方法

1.本发明涉及测量装置技术领域，尤其是一种城市埋地管道探地雷达校准方法。


背景技术：

2.探地雷达是一种高效的浅层地球物理探测技术，它通过发射高频电磁脉冲波，利用地下介质电性参数差异，根据回波的振幅、波形和频率等运动学和动力学特征来分析和推断介质结构和物性特征。在公路、铁路、水利、地质、考古、电力、采矿、航空等领域，探地雷达都有重要的作用，用于解决工程质量检测、场地勘查、线路选择、病害诊断、超前预报、地质构造研究等问题。例如，在公路面层厚度、隧道衬砌厚度检测方面，路面厚度是公路施工、竣工验收检查中路面工程质量控制的最重要指标之一。为此，交通运输部相继出台了jt/t 940-2014《公路断面探伤及结构层厚度探地雷达》和jt/t 1060-2016《桥梁隧道结构用工程雷达》行业标准，jjg(交通)124-2015《公路断面探伤及结构层厚度探地雷达》和jjg(交通)130-2016《桥梁隧道结构用工程雷达》计量检定规程，来规范探地雷达的产品质量与计量检定。但是，在上述标准中，探地雷达的校准方法均采用纯净水层、亚克力板层、金属板层来代替真实城市道路或隧道。由于不同材料的介电常数不同、材料成分不同，校准结果往往也存在较大的偏差。
3.随着技术的不断成熟，探地雷达分辨率和准确度不断提升，在城市地下管道探测的应用越来越广泛。例如，城市道路开挖施工前，需采用雷达探明城市通讯、电力、燃气、给排水等管道的埋深位置及走向。相较公路断面探伤和桥路隧道结构探测，所需探测的分辨率和准确度要求更高，而且还要求能准确分辨出探测管道的走向和材料介质属性。所以，jt/t 940-2014《公路断面探伤及结构层厚度探地雷达》和jt/t 1060-2016《桥梁隧道结构用工程雷达》行业标准并不适用于城市地下管道探测用雷达。因此，需要对城市地下管道探测用雷达的技术性能和计量性能提出全面的要求与规定。然而，目前国内尚无针对城市地下管道探测雷达的标准以及检定规程。不同厂家生产的探地雷达虽原理相近，但功能上各有特点，计量性能参差不齐。市场上探地雷达计量特性参差不齐，其工作频率跨度在mhz到ghz，分辨率从mm到cm量级。频率低，探测深度深，但探测精度低；频率高，探测深度低，但探测精度高。所以，对于不同频率与分辨率的测量要求，其校准标准也不一致。而且，探地雷达测量准确度容易受外界各种因素干扰，例如被测对象中的材料成分、水分、均匀性等都会对测量结果产生偏差。此外，由于尚未建立完整的城市地下管道探测雷达量值溯源体系，计量部门无法依据相关技术文件进行检定、校准，无法给其出具证书。


技术实现要素：

4.本发明提出一种城市埋地管道探地雷达校准方法，以探地雷达探测真实仿真的城市道路分层结构以及管道埋设位置，更真实地检验了雷达对道路分层结构的计量性能和对管道走向和管道介质属性的探测性能，解决了由于介电常数不同、材料成分不同、噪声干扰等因素对测量结果产生偏差的问题。
5.本发明采用以下技术方案。
6.一种城市埋地管道探地雷达校准方法，包括以下步骤；
7.步骤s1、设计并制造不同厚度、材料成分、介电常数、埋地管道属性的标准块，通过组合为不同的分层模型来形成各种标准样块，所述标准样块用于对真实城市道路分层及其埋地管道进行仿真；
8.步骤s2、将被校准探地雷达在标准样块上方从左到右连续扫过，记录探地雷达回波信息并生成可视化图片；
9.步骤s3、根据生成的图片，计算不同分层的厚度、管道埋深、管道间距、管道走向、管道介质属性；
10.步骤s4、将步骤s3得到的计量参数与标准样块设计制造的参数标准值进行比对，计算被校准雷达的计量性能误差，实现对其计量性能的校准；同时，检验被校雷达对管道走向和管道介质属性的判断是否准确；
11.步骤s5、根据步骤s4的结果判断该雷达性能是否合格。
12.所述标准样块包括沥青层样块、混凝土层样块、混凝土稳定碎石层样块、泥土层样块；不同样块可以自由组合，仿真模拟不同的城市道路场景。
13.所述泥土层样块中埋设有两层走向相互垂直的管道。上层管道中包含有在真实城市管道埋设中在该埋深位置所埋设的通讯管道、电力管道或燃气管道；下层管道中包含有在真实城市管道埋设中在该埋深位置所埋设的给水管道、排水管道或雨污水管道；上层管道与下层管道的垂直距离满足国家标准规定的最小间距。
14.在步骤s2中，雷达探测的标准样块仿真真实的城市道路分层结构以及管道埋设位置，用于检验雷达对道路分层结构的计量性能和对管道走向和管道介质属性的探测性能，避免了由于介电常数不同、材料成分不同、噪声干扰因素而引入的误差。
15.所述校准方法还可用于公路断面探伤及结构层厚度探地雷达和桥梁隧道结构用工程雷达的校准。
16.本发明仿真城市道路分层结构以及管道埋设位置，设计了标准样块。通过探地雷达对标准样块的探测，更真实地检验了雷达对道路分层结构的计量性能和对管道走向和管道介质属性的探测性能，以掌握不同探地雷达产品在各种干扰因素下的计量特性，进而形成统一的校准标准器、校准方法，建立其溯源体系，解决了由于介电常数不同、材料成分不同、噪声干扰等因素对测量结果产生偏差的问题，可保证探地雷达准确度水平，规范了探地雷达市场秩序。
17.本发明立足于探地雷达标准化检测及计量方法，其通用性和适用性不仅限于城市埋地管道探地雷达范围，对于其他探测雷达，例如公路断面探伤及结构层厚度探地雷达、桥梁隧道结构用工程雷达等，具有良好的普适性。。
附图说明
18.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
19.附图1是本发明的标准样块的示意图；
20.附图2是本发明的实施示意图；
21.附图3是是探地雷达进行深度探测时的示意图；
22.附图4是管道水平位置探测示意图；
23.图中：1-探地雷达；2-标准样块平台；11-控制单元；12-发射天线；13-接收天线；14卫星定位系统；
24.21-沥青层样块；22-混凝土层样块；23-混凝土稳定碎石层样块；24-泥土层样块；25-木框；26-上层管道；27-下层管道；
25.261-波纹管；262-pvc管；263-pe管；264-镀锌管；271-排水管道；272-雨污水管道。
具体实施方式
26.如图所示，一种城市埋地管道探地雷达校准方法，包括以下步骤；
27.步骤s1、设计并制造不同厚度、材料成分、介电常数、埋地管道属性的标准块，通过组合为不同的分层模型来形成各种标准样块，所述标准样块用于对真实城市道路分层及其埋地管道进行仿真；
28.步骤s2、将被校准探地雷达1在标准样块上方从左到右连续扫过，记录探地雷达回波信息并生成可视化图片；
29.步骤s3、根据生成的图片，计算不同分层的厚度、管道埋深、管道间距、管道走向、管道介质属性；
30.步骤s4、将步骤s3得到的计量参数与标准样块设计制造的参数标准值进行比对，计算被校准雷达的计量性能误差，实现对其计量性能的校准；同时，检验被校雷达对管道走向和管道介质属性的判断是否准确；
31.步骤s5、根据步骤s4的结果判断该雷达性能是否合格。
32.所述标准样块包括沥青层样块21、混凝土层样块22、混凝土稳定碎石层样块23、泥土层样块24；不同样块可以自由组合，仿真模拟不同的城市道路场景。
33.所述泥土层样块中埋设有两层走向相互垂直的管道。上层管道中包含有在真实城市管道埋设中在该埋深位置所埋设的通讯管道、电力管道或燃气管道；下层管道中包含有在真实城市管道埋设中在该埋深位置所埋设的给水管道、排水管道或雨污水管道；上层管道与下层管道的垂直距离满足国家标准规定的最小间距。
34.在步骤s2中，雷达探测的标准样块仿真真实的城市道路分层结构以及管道埋设位置，用于检验雷达对道路分层结构的计量性能和对管道走向和管道介质属性的探测性能，避免了由于介电常数不同、材料成分不同、噪声干扰因素而引入的误差。
35.所述校准方法还可用于公路断面探伤及结构层厚度探地雷达和桥梁隧道结构用工程雷达的校准。
36.实施例：
37.本例中，所述标准块组成的平台包括沥青层样块21、混凝土层样块22、混凝土稳定碎石层样块23、泥土层样块23、木框25。不同样块可以自由组合，模拟不同的道路场景。所述泥土层样块中埋设有两层走向相互垂直的管道。上层管道26中包含有在真实城市管道埋设中在该埋深位置所埋设的通讯、电力、燃气等管道所用的波纹管261、pvc管262、pe管263、镀锌管264。下层管道27中包含有在真实城市管道埋设中在该埋深位置所埋设的给水管、排水管271、雨污水管272等管道所用的pe管、镀锌管。上层管道与下层管道的垂直距离应满足相关国家标准规定的最小间距；
38.步骤s2中，如图2所示，将探地雷达1置于标准样块平台2上，将被校准探地雷达在标准样块上方从左到右连续扫过，探地雷达记录回波信息并生成可视化图片。重复探测该标准样块三遍。
39.如图3所示，探地雷达由控制单元11、发射天线12和接收天线13等部件组成。发射天线按照控制单元的指令向介质中发射特定频率范围的电磁波，电磁波在传播过程中遇到物性变化的介质时将发生反射和折射，反射的电磁波被接收天线所接收并传送回控制单元，从而探测出需要的目标或界面信息。
40.依据公式计算探测目标的深度，
[0041][0042]
式中：h——探测目标的深度；
[0043]
t——电磁波在介质中往返的双程时间；
[0044]
v——电磁波在介质中的波速。
[0045]
管道间距测量采用各管道的空间绝对位置来计算，原理如图4所示，采用探地雷达配备的卫星定位系统14探测各管道的水平空间位置，然后依据两个空间位置的差值来计算各管道之间的水平间距。
[0046]
步骤s4、将步骤s3得到的计量参数与标准样块设计制造的参数标准值进行比对，计算被校准雷达的计量性能误差，实现对其计量性能的校准。同时，检验被校雷达对管道走向和管道介质属性的判断是否准确；
[0047]
依据公式计算不同测量分层厚度的误差，
[0048][0049]
式中：δdi——第i层标准样块的测量厚度误差；
[0050]di,j
——第i层标准样块第j遍测量的厚度；
[0051]
——第i层标准样块设计制造标准厚度。
[0052]
依据公式计算不同管道的深度测量误差，
[0053][0054]
式中：δhi——第i根管线深度测量误差；
[0055]hi,j
——第i根管道第j遍测量的深度；
[0056]
——第i根管道设计制造的标准深度。
[0057]
依据公式计算不同管道的水平定位误差，
[0058][0059]
式中：δli——第i根管线的水平定位误差；
[0060]
l
i,j
——第i根管道第j遍测量的水平定位位置；
[0061]
——第i根管道设计制造的水平定位标准值。
[0062]
第m和第n根管道之间的间距由公式计算得到，
[0063]
l
mn
＝δl
i＝m-δl
i＝n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式五；
[0064]
式中：l
mn
——第m和第n根管道之间的间距。
[0065]
此外，从生成的图片中，识别出所述泥土层中的各管道走向，并依据探测出的管道图像的扩张角判断出管道的介质属性。
[0066]
步骤s5、根据步骤s4的计算结果和判断结果，判定该雷达性能是否满足设计要求或相关标准要求。
[0067]
所述校准方法还可用于其他探测雷达，例如公路断面探伤及结构层厚度探地雷达、桥梁隧道结构用工程雷达等，具有良好的普适性。