探地雷达探测地下管道实验

指导老师：郭晨

组员:      郑宝峰 201124080107 时  敏201124080117                                                                             夏渭鸽 201124080127 孔浚帆201124080207

                    马晓莎 201124080217张  蕊201124080227

               摘要

       本实验中采用了探地雷达技术测量地下管道。根据探地雷达的工作原理,工作时发射天线向地下管道发射高频脉冲电磁波(1 MHz～2 GHz),电磁波在其中传播时,其传播路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电磁属性(介电常数)和几何形态的变化而变化。雷达主机将接收此部分的反射波,并根据其双程传播时间t和计算所得速度计算出各结构层的厚度。当其遇到下水管管道或其他障碍物时会反射部分电磁波，当接收天线接收反射波后，计算机进行数据处理并显示雷达图像，分析图像，得出雷达测量该处下水管道的深度大致为0.510±0.010m  (k=3)，与实际值0.523m十分接近，可信度很高，由此可知该雷达测量精度很高。

目录

摘要....................................2

.正文.....................................4

   .实验目的..............................4

   .背景介绍..............................4

   .实验方法及原理........................6

   .实验步骤..............................7

   .数据采集..............................8

   .数据处理及图像分析...................11

   .实验结论.............................20

   .参考文献.............................21

   .附录（实验中常见的问题）..............22

                      正文

  .实验目的

    1、了解探地雷达的背景及相关文献； 

    2、了解探地雷达的的工作原理；

    3、掌握WGPR探地雷达的使用； 

    4、掌握简单的探地雷达进行地下管道探测的方法； 

    5、学会分析探地雷达测量过程中的波形变化； 

6、掌握从测量图上获得数据信息的方法并能做出正确处理； 

7、增强团队合作意识及动手能力。

.背景介绍

      探地雷达的原义为Ground  Penetrating  Radar，简称GPR。探地雷达和探空雷达相似，它利用宽频带高频时域电磁波脉冲的反射来探测地下目标，由于探测的目标是地下物体的反射，故称之为探地雷达。目前探地雷达的频率介于106～109Hz之间。

（1）探地雷达的发展历史

探地雷达是近几年问世的高科技现代探测仪器，它能够进行地下管线探测、公路质量检测、地下地质结构探测、断层探测、考古等。自从上世纪德国科学家提出用高频电磁波脉冲探测目标物以来，这引起了多国科学家的兴趣，1910年德国利用探地雷达探测地下目标体分布特征的理论；1968年美国开发了最早的探地雷达设备，其初期设备仅限于冰层、岩层等对高频电磁波吸收较弱的介质中；1970年美国地球物理探测仪器公司生产第一台商用探地雷达研究领域走向无损、快速探查；上世纪80年代我国开始引进国外的探地雷达技术，并开始广泛应用与许多领域。

    探地雷达在地下管道检测方面的应用

探地雷达的下列技术特性已为其开拓应用领域，尤其是在工程地质领域的应用铺平了道路： 探地雷达是一种非破坏性的探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场。工作场地条件宽松，适应性强(对于轻便类的仪器)；

抗电磁干扰能力强，可在城市内各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；便携微机控制数字采集、记录、存储和处理。轻便类仪器现场仅需3人或更少人员即可工作，工作效率高。当然，由于使用了高频率，电磁波能量在地下的衰减剧烈，因而在高导厚覆盖条件下，探测范围受到。

目前我国城市建设发展迅速，城市地下管道纵横          交错，地下管道维修与改建工作变得十分复杂，有效           的探明地下管道显得越来越重要。而在地下管道建设           中 ，探明地下管道的分布，一直是人们所关注的重点          传统的探测方法已无法适应目前的发展需要，人们开           始寻找一种理想的探测方法。探地雷达作为一种高分辨的探测技术，可以对深浅地质问题进行详细填图和对地下目标进行无损探测等。相对于传统方法来说有很多优点，因此探地雷达测量技术在未来的前景越来越明朗。

.实验方法及原理 

  探地雷达利用高频电磁波(主频为数十兆赫至数百兆赫以至兆赫)以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线T送入地下，地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线R所接收(图1)。脉冲波行程需时：

当地下介质中的波速v为已知时，可根据测到的精确的t值(ns，1ns=lO-9s)。由上式求出反射体的深度(m)。式中x(m)

值在剖面探测中是固定的：v值(m/ns)可以用宽角方式直接测量，也可以根据近似算出(当介质的导电率很低时)，其中c为光速(c=0.3m/ns)，ε为地下介质的相对介电常数值，后者可利用现成数据或测定获得。

图1是一个管状目标电磁波示意图。当测垂直穿过管状目标物的上方时，在目标侧上方两侧仍能接收到来自管状目标的反射。 

设在管状体正上方（x=0）所接收到的反射波双程走时为t0，偏移距离x时的反射波双程走时为tx，则管状体的埋深d为：

.实验步骤

    1、实验探测对象： 

     本实验探测对象选定为图书馆前的地下管道。

    2、实验器材准备：

    .探地雷达雷达一台； 

    .笔记本电脑一台；  

    .卷尺；

    3、熟悉雷达及Gprview软件的使用： 

      .通过网络连接线将雷达和电脑连接，检查连接状况                           是否完好；

      .打开GPRVIEW软件，根据实验测量对象（本实验为地下管道），合理地设定采样频率、采样点、介电常数等参数，选择合适的工作窗口； 

     .检查工作状态，确认无误后开始测量；

     .实际测量工作；

.数据采集

   1.打开探地雷达电源开关和电脑，确保所有数据线都准确连接； 

   2.打开GprView软件，使用ping命令检查雷达是否与电脑联网成功；

选择“网络（NetWork）”→“检测（Detection）”→“ping命名（General）”或者用鼠标选择工具栏上的按钮。

弹出Ping命令窗口，如有正常回复，则表示雷达与电脑联网成功，反之则不成功。

      3、硬件预热

如果雷达工作的自然环境比较恶劣时，如工作环境温度低于-10℃或高于40℃，在使用雷达前，请进行硬件预热，对雷达进行热补偿。其它工作环境温度无需进行预热。选择“设置（Setting）”中的“硬件预热（Hardware Warming Up）”，将会弹出如下窗口：

硬件预热需要15分钟。预热完成后，对话框会自动关闭。

    4、硬件参数设置

选择手动设置：允许用户手动设置所有的硬件参数。选择“设置（Setting）”→“手动设置（Manual Setting）”(快捷键Ctrl+A或工具栏按钮)将会弹出如下窗口：

计划设定的参数：

数据采集有三种类型，

当探地雷达参数设置完成后，开始数据采集。点击工具栏按钮，或者按回车键开始采集，特别说明：对于点测模式，在按下采集按钮后，然后再点击（快捷键“P”）。

     6、停止数据采集

点击工具栏“停止”按钮 ，或者按下       空格键停止数据采集；

    7. 保存数据文件

停止数据采集后，点击“文件”中的“保存”保存数据。

    8. 保存参数文件

停止数据采集后，如果想要保留这些参数以便以后使用，点击“参数设置”中的“保存参数文件为”，随后根据需要命名文件。已保存的文件可以在“参数设置”中的“调用已存在的参数文件”读取。

.数据处理及图像分析

点击“文件”中的“打开”来打开文件，也可以点击按钮

图像分析：

   1、由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅被减小，波形变得与原始发射波形有较大的差别此外，不同程度的各种随机噪声和干扰波，也歪曲了实测数据，因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善数据资料，为进一步解释提供清晰可辨的图像。数字处理主要是对所记录的波形作处理。例如取多次重复测量的平均，以抑制随机噪声；取邻近的不同位置的多次测量平均，以压低非目的体杂乱回波，改善背景；做滤波处理或时频变换以除去高频杂波或突出目的体、降低背景噪声和余振影响。图像解释的第一步是识别异常，然后进行地质解释。

       2、 减去参考值

功能：将测量的数据减掉一个参考值,使得异常凸显出来。参考值可以是已保存的雷达数据文件，也可以是当前屏幕上任一回波。

操作：选择“数据处理”中的“减去参考值”

     3、回波对齐

功能：用来使地面反射波形成一条直线。由于测试用车辆或推车的移动，地面反射波会在不同时刻到达。导致测试出来的曲线凹凸不平。该功能可以使凹凸不平的曲线变成直线，以便用户分析。

操作：选择“数据处理”中的“回波对齐”。

      4、回波平均

功能：可以提高测量数据的信噪比。但是，分辨率也会相应地降低。

选择“数据处理”中的“平均次数”，然后选择需要平均的回波个数。软件可以选择的平均回波数值有：2，4，8，16，32，。

     5、增益调整

功能：分段调整雷达曲线的增益，增加非正常反射介面可见度。硬件增益的调整是自动进行的（参见实时数据采集中的第三点）。而此项功能是软件调整增益, 不会增加信噪比。增益被划分为16个区，每个区的增益可以任意调整。

选择“数据处理”→“增益调节”。每个曲线会被划分为16个区，每个区的增益可以被单独调整。

    6、自动识别层

功能：此功能突出选定层，使其更加明显。

方法：A.选择“数据处理”

      B.点击选择“正峰”或“负峰”。

      C.点击“自动选择层”。有三个选项：“所有回波”     和“从当前点开始”，“两个回波之间”（选择开始回波，选择结束回波）。

      D.点击色图区选择图层。软件允许最多同时显示5个图层。选择出来的图层用白色曲线显示。

注意：如果对当前的操作不满意，并需要撤销操作时，只需在菜单上再次点击相应的功能，操作就会被取消。这使用于所有的“信号处理”功能。

实验中我们对雷达的增益进行三次的设定，其中一次为系统自动生成参数，另外两次参数分别为80、110，如下图所示：

增益系数为80时：

增益系数为110时：

系统自动生成增益：

数据处理：

处理前的数据分析：

其一，实验中我们设定的增益分别是80、110和系统自动生成的增益参数，观察这三幅图像不难发现，当增益为80或110时，雷达的功率过低，波纹不够明显，这对数据的采集带来一定的影响，因此我们决定选用系统自动生成参数的那组数据。其二，从我们附上的场地照片可以看出，这个下水道管是大管套小管，以下我们主要针对大管的深度进行分析。对于数据处理部分如下所示：

实验前我们先用直尺对下水管道的深度进行测量，测量10次求平均值：

将雷达的测量结果与实际测量高度进行比较，对其数据进行进一步的误差分析，如下所示：

1、标准不确定度的A类评定

设A为待测量，在重复性条件下，进行n次观测得到的测量列为x1,x2,……xn。

（1）测量列的算术平均值为：     0.510m

（2）实验标准偏差,实验标准偏差也就是测量列的标准偏差，它是X所服从的统计分布的标准差σ的估计值,计算得到标准差为：

                   =0.009m

（3）平均值的实验标准偏差。=0.004m

2、标准不确定度的B类评定

B类不确定度评定的一般做法是：先利用一切可以利用的信息和经验判断被测量X的值落入区间(x-a,x+a)的概率p，再假设被测量的概率分布，进而获得对应于置信水平p的置信因子k，则B类标准不确定度可由下式计算：

                  =a/k

式中，a为置信区间，k为置信因子。

分辨力是指仪器能有效辨别的最小示值差。 在获得仪器的分辨力为δx的情况下，其分辨力就是最末一位读数改变“1”时的读数误差。此时，取a=δx，并认为误差分布为均匀分布，则

             =a/=δx/=0.29δx

               取δx为0.004m

3、确定标准不确定度

标准不确定度就是确定公式U=k中包含的因子k。对于U=kuc，一般采取k=3。

4、确定近似值为

     0.510±0.010m  (k=3)

结果分析与总结：

    经数据分析，将雷达测量结果与我们的实际测量值比较发现，测量结果的相对误差大致落在0.034%附近，最后得到雷达测量下水管道的深度大致为0.510±0.010m  (k=3)，与我们的实际值测量值0.523已经十分接近了，可信度很高。当然，实际测量中同样存在一定的误差，这些是不可避免的，只要将误差控制在一定的范围内，对结果的影响就不会特别大，由此可知该雷达测量精度很高。

.实验小结

   首先，这次实验不同于我们之前做过的实验，它是依靠我们的团队合作能力完成的，因此这次实验的机会是非常宝贵的，最深刻的就是第一次看到雷达的实物，我们倍感兴奋，对实验有了很大的兴趣。其次，在实验前我们已经书写了较为详细的实验计划书，这对实验原理及操作有很大的帮助，这种撰写实验计划书的形式也是以前从没有过的。最后，   在实验的过程中我们不仅要培养自己分析问题，和解决问题的能力，而且要主动去做实验，而不是抄袭别人的。遇到问题积极思考，在做实验的过程中，我们不能人云亦云，要有自己的看法，当然，前提是我们要有充分的准备。实验总是与课本知识相关的，我们必须回顾课本知识，知道实验的要用到的原理知识等等。

     根据探地雷达探测的能力，在现场得到反映地下管线位置的记录不成问题，然而，更深入一步，如从中分析求证出管线的粗细、材质，以及其中的充填物和其他信息，则需要进行从施工参数的选取到后期数据的处理和解释等一系列的细微工作。因为，探地雷达在应用过程中效率高、无损伤并能实时展示地下图像，适合在城市各种场合使用，因此，随着人们对探地雷达进一步研究，它必将成为城市管线探测的最有效工具。

.参考文献

《探地雷达概论》  王惠廉 

《探地雷达培训讲义》 戴呈祥 

《无线探地雷达使用说明书》武汉天毅达电子科技有限公司 

《探底雷达技术与应用》 周正欧

.附录

1、实验场地选择：

我们对水管实际高度进行十次测量，其中一次的测量数据为0.50m，如下图所示：

2、实验中常见的问题

    打开探地雷达后，如果电源指示灯不亮，请先将电池充满。

    如果电脑第一次连接到雷达，需要设置电脑的网络IP：

IP地址:192.168.2.X（从2到254的任意值），

子网掩码：255.255.255.0，

默认网关：192.168.2.1，

DNS:192.168.2.1。

无线连接需要手动将电脑连接到雷达网络，并且设置电脑的网络密码是gpr123456,无线的安全类型为：WPA2-个人，并且将网络信息保存到电脑中。当下次再打开雷达的时候，电脑会自动连接到雷达。当使用软件的“普通”和“高级”网络检测来判断网络正常与否时，如果超过5分钟网络仍不可用，请检查电池是否电量不足或者重新启动雷达。

    、当设置参数时，如果出现“失败”字样，请重新设置。如果同样的问题继续出现，请关闭雷达电源开关，10秒钟后再打开雷达。

   、 雷达的最大回波数是50000。在进行测量的时候，请注意软件信息栏中显示的当前最大回波数，及时保存数据。

  、停止雷达数据采集的快捷键是“空格”键。如果按了“空格”键后，数据采集仍未停止，请重复按“空格”键直到数据采集停止。下载本文