Page 29 - 2021年第52卷第7期

射、接收天线耦合集成在一个盒子内，是固定值，d=10 cm。
当 L=0，即探地雷达位于管道正上方时，有：
2
4(H + r ) + d 2
t = （2）
v
电磁波在土体介质中的传播速度 v 可表示为：
v = c （3）
ε
式中：c为电磁波在真空中的传播速度，c=30 cm/ns； ε 为介质各层的介电常数， ε = ε m ε ，其中 ε 为介
m
0
质介电系数； ε 为空气介电系数。对于管道探测或者管道泄漏探测来说，H、r 和 ε 为未知量，需要
0
解译雷达回波图像并辨识出来。
由上几式，可得管道埋深为：
c t - εd 2
2 2
H + r = （4）
4ε
需要指出，一般假设管道覆土介质为均质，因此 ε 值恒定。如雷达波扫描中遇到其它不同介
质，由于介质 ε 值不同，雷达波传播速度和回波图像都将受到影响。
当沙土中输水管道泄漏时，水向外渗漏，浸润沙土导致土或沙的含水率增大。沙土的含水率 θ

与其介电常数密切有关，研究表明 ［20］ ，含水率与介电常数的平方根呈线性相关，即：
θ = 0.128 ε - 0.204 （5）
随着沙土介质介电常数的增大，雷达电磁波的反射效果也逐渐增大，相应接收机接收到的能量
越大，波幅振幅绝对值随之增大。
一般的，空气介电常数为 1，沙土在 2 ~ 6 之间，而水的介电常数在 81 左右，正是因为二者介电
常数差异较大，才使得利用雷达反射波图像中因泄漏引起管道周围土壤介电常数剧烈变化而表征出
来的管道深度变化来辨识漏损位置成为现实。
2.2 便携式雷达设备 本次试验所使用的便携式探地雷达是由中国水利水电科学研究院和大连中睿
科技发展有限公司联合研发的管线雷达，主要由雷达发射机、雷达接收机、主控单元、显控单元、
领结天线、雪崩三极管电路等部件组成。特点是：雷达接收机采用等效采样，信号发射依靠测距轮
触发；经试验比对确定的探地雷达天线频率为 400 MHz；软件中对原始雷达数据进行了滤波、背景消
除、增益等处理，在后处理算法中采用了冰水情雷达类似的相关性层位追踪算法 ［21］ ；开发了利用雷
达反射波图像自动解译检测泄漏的新算法。

3 模型试验平台

为研究不同材质管道在不同覆盖层介质下的雷达回波特性和辨识算法，搭建了雷达健康检测室
内试验平台。试验池几何尺寸为 3 m×3 m×1 m，采用混凝土制作。为避免现有模型试验平台底板无下
渗或者封闭而与真实情况不相符的不足，在试验槽底部四周每隔 0.5 m 布设 1 个排水管，且设置田字
型排水垫层，用于水体下渗，尽可能复演真实情况下的渗漏特点。试验池一侧设置一个长为 1m 的门
洞，待检测钢管呈 L 形，直径 100 mm，埋设距离池上缘 400 mm，末端封堵并设排气孔，首端球阀连
接市政供水进水口和水表。与以往泄漏孔设置（仅在管道中央钻直径为 2 ~ 4 mm 的泄漏孔）不同，本次
试验在管道中部泄漏孔上焊接一小段短管并通过螺丝行程控制多个 2 mm的泄漏孔，以实现管道均匀泄漏。
当试验池埋管覆沙土后，在顶端铺设厚度 1 cm 的木板便于雷达测距轮行走。为便于后期数据处
理分析，在木板上布设测线，分别沿管道垂直和平行方向每隔 15 cm 设置一条测线，共计 42 条，待
检测管道位置处在试验池中部 X11 测线上，泄漏点位于管道中部正上方，测线 X11 和垂直于管线的
Y9 交点上，如图 2、图 3 所示。

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