Page 28 - 2021年第52卷第7期

水区管道的反射模式有了初步认识。Hyun 等 ［11］ 在实验室建立了缩尺模型来模拟管道泄漏，通过探地
雷达初步识别了泄漏前后雷达图像的不同特征。Crocco 等 ［12］ 最早采用了微波层析的方法对管道泄漏
进行了反演分析。David 等 ［13］ 对探地雷达图像特征提取的可行性进行了研究，提出了一种基于多智能
体系统的特征提取方法，使用密集矩阵处理 GPR 输出的预处理图像，并对初始数据进行分类，实现
塑料管道的自动定位，之后他们的研究认为对雷达原始数据的预处理非常重要，这不仅有利于对雷
达图像特征的获取，还有利于对泄漏类型的自动处理分类 ［14］ 。Lai 等 ［15-16］ 在实验室里模拟管道泄漏，
绘制了 PVC 管道泄漏引起探地雷达图像信号的不同扰动模式，包括反射和吸收机制，并用于识别
PVC 管道的现场漏水。此外，一些学者针对泄漏雷达波图像的辨识，研究应用了不同的算法和滤波
器 ［17-18］ 对图像进行处理，帮助检测和定位地下管线和特定的漏损工况，以实现管道和泄漏特征的可视
化，如 Silvia J.等 ［19］ 采用二阶方差滤波器来突出管道和漏水等感兴趣的特征，并根据特征提取结果开
发了 3D 模型对泄漏状况作进一步解释。
总体来说，目前国内利用探地雷达对土壤含水率探测的研究较多，但对探测管道泄漏的研究
还处于起步阶段，基本停留在正态模拟，或是对管道本身的探测研究，不足是缺乏仪器设备研发
和对漏水的现象、机理与反馈图像的比对，也没有相应的试验平台手段。国外在这方面的机理研
究走在前列，但在以下方面也有较大不足。一是现有针对供水管道模型试验采用封闭的塑料或者
木质的箱体，底板没有下渗，与现实埋地管道不符，这种情况下雷达反射波真实信号会被底板壁
等干扰；二是一些学者的室内实验比尺小 ［15-16］ ，埋深浅（如 100 mm），这与实际输水管道埋深差距
较 大 ， 同 时 未 进 行 泄 漏 沙 土 分 层 采 样 对 比 试 验 ； 三 是 正 在 泄 漏 和 检 测 停 水 泄 漏 后 的 状 态 区 别 较
大，因为泄漏后随着时间推移，水会进一步下渗，泄漏后和正在泄漏带来的雷达反射波差异须区
别对待。
鉴于此，本文首先给出了探地雷达检测泄漏的原理，搭建更接近真实埋地输水管道状态的实验
室管道漏损雷达检测试验平台，首次开展系统的输水管漏水检测试验，并详细对比研究泄漏后、泄
漏时等工况下雷达回波图像的异同，目的是为解析漏水现象和雷达检测机理提供支撑，并为研发漏
损探地雷达检测设备和软件提供参考。

2 探地雷达检测原理及设备

2.1 检测原理 图 1 给出了雷达波垂直管道方向扫描时发射、接收电磁波信号的示意图。可以建立
双程传播时间 t、电磁波在土体介质中的传播速度 v 与探地雷达任意位置行程 L 之间的关系 ［15］ 。
2
æ
æ
2
(H + r ) + ç L + d ö ÷ + (H + r ) + ç L - d ö ÷ 2
2
t = è 2 ø è 2 ø （1）
v
式中：H 为管道覆土厚度；r 为管道半径；d 为探地雷达系统发射、接收天线之间的距离，这里发

图 1 雷达垂直地下管道扫描时雷达波发射与接收示意

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