城市道路空洞的地面-管道雷達(dá)協(xié)同探測(cè)與聯(lián)合成像

劉 海，賴思聰，陳俊宏，岳云鵬，陳志杰，劉鳳洲，孟 旭，胡群芳

（1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東省濱海軟土地區(qū)地下結(jié)構(gòu)安全防護(hù)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006；3.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；4.同濟(jì)大學(xué) 上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海 200092；5.城市安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，高密度的城市道路給維護(hù)工作帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)［1］。缺乏維護(hù)的城市道路不僅影響正常使用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)地面塌陷事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失［2］。地下空洞是城市道路塌陷的主要內(nèi)因，空洞在車輛荷載或自然條件影響下不斷惡化，并導(dǎo)致上覆土體發(fā)生破壞及淺層地表失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全［3］。由于空洞具有隱蔽性強(qiáng)、不易探查等特點(diǎn)，亟需一種高效、快速的城市道路缺陷探測(cè)手段，在道路空洞形成的初期進(jìn)行探測(cè)并進(jìn)行維養(yǎng)，避免地面沉降、塌陷事故的產(chǎn)生［4］。

探地雷達(dá)（ground penetrating radar，GPR）作為一種無(wú)損、高效的淺地表地球物理探測(cè)技術(shù)，近年來(lái)在地下結(jié)構(gòu)隱蔽缺陷無(wú)損檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用［5］。GPR 通過(guò)發(fā)射天線對(duì)地下發(fā)射高頻電磁波脈沖信號(hào)，電磁波在地下介質(zhì)傳播過(guò)程中遇到電性差異界面時(shí)發(fā)生反射或散射，反射波被接收天線接收后可根據(jù)雷達(dá)圖像特征分析地下空洞的位置、大小及埋深［6-7］。但GPR對(duì)地下空洞檢測(cè)的主要局限性在于，電磁波的物理特性決定了電磁波信號(hào)頻率越低，穿透能力越強(qiáng)，可探測(cè)深度越深，但信號(hào)分辨率低；當(dāng)信號(hào)頻率越高時(shí)，衰減越快，穿透能力弱，可探測(cè)深度較淺，但信號(hào)分辨率高［8］。因此，在地面通過(guò)GPR對(duì)埋深較深的地下空洞進(jìn)行探測(cè)時(shí)，難以兼顧其分辨率和探測(cè)深度。此外，大面積的城市道路檢測(cè)會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致交通擁堵，增加了人力、物力成本。

研究表明，60%～80%的路面塌陷事故發(fā)生于地下管線附近［9］，原因在于管線隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)導(dǎo)致耐腐蝕能力下降，管道在水壓作用下發(fā)生破損引發(fā)管線滲漏［10-11］。滲漏發(fā)生后，管道破損處的土體在水的侵蝕下逐漸軟化并形成流失通道，土顆粒在水流沖刷作用下逐漸形成空洞［12］，如圖1 所示。進(jìn)行管內(nèi)探測(cè)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下管道的破損點(diǎn)，但現(xiàn)有的管道機(jī)器人搭載攝像頭進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)的方式無(wú)法對(duì)管道外部病害進(jìn)行探測(cè)［13］。基于此，結(jié)合GPR的管道雷達(dá)（pipe penetrating radar，PPR）技術(shù)被提出，其目的是針對(duì)管道外部的脫空或空洞進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)控制搭載雷達(dá)天線的管道機(jī)器人進(jìn)入城市雨污排水管道中從管道內(nèi)部向外發(fā)射電磁波進(jìn)行探測(cè)［14］。PPR 對(duì)管道外部空洞進(jìn)行探測(cè)，由于距離探測(cè)目標(biāo)更近，可有效兼顧探測(cè)深度與分辨率的要求［15］，對(duì)空洞進(jìn)行高精度探測(cè)，相較于在路面進(jìn)行地下空洞的GPR 檢測(cè)，有更高的檢測(cè)效率［16］。此外，管道機(jī)器人前部裝載的高清攝像頭可以對(duì)管道內(nèi)環(huán)境進(jìn)行全方位表觀病害檢測(cè)，而雷達(dá)天線可以對(duì)管道外環(huán)境空洞進(jìn)行探測(cè)，結(jié)合視覺(jué)檢測(cè)與雷達(dá)檢測(cè)的結(jié)果，能有效提高檢測(cè)精度［17］。PPR 考慮了實(shí)際工程的需要，可探測(cè)由雨污排水管道破損泄露引起的管道周邊空洞，以規(guī)避相關(guān)的地面塌陷事故。

圖1 管道滲漏誘發(fā)路面塌陷示意Fig.1 Illustration of road collapse caused by leakage of underground pipeline

綜上，由于目前針對(duì)管道雷達(dá)對(duì)城市道路塌陷隱患探測(cè)的研究相對(duì)較少，且由于管道GPR相對(duì)依賴管道位置，在管線較少的城市路面，空洞探測(cè)覆蓋率相對(duì)較低?；诖?，本文針對(duì)城市道路空洞探測(cè)的問(wèn)題，提出了一種地面-管道雷達(dá)協(xié)同探測(cè)技術(shù)，通過(guò)建立地下管道探測(cè)足尺試驗(yàn)平臺(tái)，在管道上方埋設(shè)不同尺寸空洞開(kāi)展協(xié)同探測(cè)試驗(yàn)；對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。并結(jié)合考慮天線方向圖修正的背向投影（BP）算法，提出了一種地面-管道雷達(dá)聯(lián)合成像技術(shù)，對(duì)管線滲漏產(chǎn)生的空洞進(jìn)行高精度成像，為雷達(dá)圖像解譯提供參考。

1 地面-管道雷達(dá)協(xié)同探測(cè)技術(shù)

1.1 探地雷達(dá)（GPR）

GPR 系統(tǒng)由主機(jī)、收發(fā)天線以及顯示器組成，其主機(jī)通過(guò)接收天線收到的返回信號(hào)將結(jié)果顯示在顯示器上。其主要原理是在地面通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，以脈沖的形式輻射到地下，經(jīng)地下介質(zhì)分層界面或目標(biāo)體反射后返回地面，通過(guò)接收天線接收反射信號(hào)回波實(shí)現(xiàn)對(duì)地下目標(biāo)的探測(cè)［18］。電磁波在介質(zhì)中的傳播特性由地下界面介質(zhì)的電性差異決定，主要包括介質(zhì)的介電常數(shù)與電導(dǎo)率，當(dāng)相鄰介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射信號(hào)越強(qiáng)［19］。

當(dāng)進(jìn)行二維橫向掃描時(shí)，GPR 天線沿著測(cè)線移動(dòng)，經(jīng)過(guò)相同距離時(shí)測(cè)距輪或測(cè)線盒上的編碼器觸發(fā)雷達(dá)主機(jī)記錄雷達(dá)數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)以波形圖的方式堆疊形成雷達(dá)剖面圖［20］。通過(guò)分析雷達(dá)剖面圖中反射信號(hào)的振幅、相位、雙程走時(shí)等信息，可以分析地下介質(zhì)或目標(biāo)體的位置、幾何形態(tài)以及物理性質(zhì)。當(dāng)天線收發(fā)距遠(yuǎn)小于目標(biāo)體埋深時(shí)，可計(jì)算空洞的埋藏深度為

式中：h為空洞埋深；c為電磁波在真空中的傳播速度；t為探地雷達(dá)信號(hào)的雙程旅時(shí)；εr為地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。對(duì)于雙程旅時(shí)的計(jì)算，可以假設(shè)有一理想點(diǎn)散射體位于點(diǎn)（x，z），其中x表示天線掃描方向，z表示地下深度方向，發(fā)射與接收天線在坐標(biāo)上的位置分別為xT和xR。在均勻介質(zhì)中，從發(fā)射天線到地下任意成像點(diǎn)的雙程走時(shí)為

式中：v為電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度；LTx是從發(fā)射天線至成像點(diǎn)P（x，z）的信號(hào)反射路徑；LRx是從成像點(diǎn)P（x，z）至接收天線的信號(hào)反射路徑；xT和xR分別為發(fā)射天線和接收天線的水平坐標(biāo)。電磁波反射能量強(qiáng)弱主要由界面的反射系數(shù)R進(jìn)行決定，其表達(dá)式如式（3）［21］：

目前淮山的加工產(chǎn)品主要有鮮切淮山、速凍淮山、淮山干制、淮山果蔬復(fù)合飲料、淮山保健酸奶、淮山焙烤食品、速溶淮山粉等。

式中：ε1為邊界材料的介電常數(shù)；ε2為傳播介質(zhì)的介電常數(shù)。反射系數(shù)主要用于描述入射波與反射波相位與幅度的關(guān)系，當(dāng)相位與發(fā)射波脈沖相同時(shí)反射系數(shù)為正，反之為負(fù)。

1.2 管道雷達(dá)（PPR）

PPR主要由管道無(wú)人車和GPR組成，針對(duì)管道四周土質(zhì)疏松、土壤富水以及脫空等病害，通過(guò)改變管道無(wú)人車的探測(cè)角度對(duì)管道周邊環(huán)境進(jìn)行全空間探測(cè)，如圖2 所示。PPR 沿管道軸向及環(huán)繞管道徑向進(jìn)行檢測(cè)，可對(duì)管道外部區(qū)域進(jìn)行三維切片分析。通過(guò)PPR的探測(cè)方式可完成對(duì)管道外部空間的高分辨率探測(cè)，以機(jī)器代替人工的方式提高了雷達(dá)的探測(cè)效率。PPR 還可根據(jù)探測(cè)需要，更換不同中心頻率的雷達(dá)天線［22］，由于距離探測(cè)目標(biāo)更近，對(duì)電磁波的穿透深度要求減小，可以保證對(duì)管道外部3～5 m的范圍內(nèi)的空洞進(jìn)行探測(cè)，提升管道周圍目標(biāo)體的識(shí)別能力。此外，管道周邊檢測(cè)可以解決大部分的路面塌陷問(wèn)題，相較于地面雷達(dá)探測(cè)城市地下空洞，其投入產(chǎn)出比更高［9］。

圖2 PPR沿管道徑向與環(huán)向探測(cè)Fig.2 Circumferential and longitudinal cavity de?tection using PPR

但在地下目標(biāo)探測(cè)中，PPR 只能對(duì)管線附近地下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，其可探測(cè)空間范圍較小且由于電磁波衰減導(dǎo)致只能對(duì)空洞下表面進(jìn)行探測(cè)。為保證其探測(cè)有效探測(cè)范圍，提出了一種地面-管線雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)方法，如圖3 所示，可對(duì)城市道路地下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，兼顧探測(cè)深度的同時(shí)提升雷達(dá)圖像分辨率。得到地面-管道雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)后，可對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并對(duì)其成像，幫助探測(cè)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)解譯。

圖3 地面-管道雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)示意Fig.3 Illustration of ground-pipeline penetrating radar joint detection technology

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 背向投影（BP）成像算法

偏移成像能夠獲取地下結(jié)構(gòu)和目標(biāo)的幾何形狀，并對(duì)管道上部空間的隱蔽缺陷位置進(jìn)行精確定位［23］。鑒于電磁波和地震波在地下傳播機(jī)理的相似性，GPR 數(shù)據(jù)的偏移成像主要借鑒地震勘探領(lǐng)域常用的一些方法，本文結(jié)合地面-管道雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，采用考慮天線輻射方向的BP算法，獲取地下空洞的幾何形狀和位置。

BP 成像算法是一種根據(jù)射線理論建立的偏移方法，假設(shè)在均勻傳播介質(zhì)的條件下，雷達(dá)散射信號(hào)的相位與電磁波具有的行程時(shí)間成正比［24］。在進(jìn)行BP成像時(shí)，需要確定成像區(qū)域的范圍以及像素點(diǎn)的采樣間隔，將成像空間的每個(gè)像素點(diǎn)視為理想點(diǎn)散射目標(biāo)，該點(diǎn)散射目標(biāo)在雷達(dá)剖面圖中表現(xiàn)為一條繞射雙曲線，通過(guò)疊加沿該雙曲線的信號(hào)振幅計(jì)算該像素點(diǎn)的散射場(chǎng)。對(duì)于第i道接收時(shí)域信號(hào)，成像空間點(diǎn)（x，z）處的散射電場(chǎng)值為接收電場(chǎng)對(duì)應(yīng)經(jīng)過(guò)該點(diǎn)處散射信號(hào)振幅，最后將m道接收數(shù)據(jù)計(jì)算的成像空間點(diǎn)散射電場(chǎng)值疊加作為偏移后的結(jié)果［25］如式（4）：

式中：Ei（ti）為式（4）中雙程旅時(shí)ti處在第1 個(gè)天線位置記錄的GPR信號(hào)的振幅。由于BP成像算法未考慮天線方向圖的影響，忽略了天線輻射電磁波信號(hào)強(qiáng)度隨入射和出射角度的變化，在成像結(jié)果中會(huì)出現(xiàn)偽影，影響數(shù)據(jù)解譯的精度。

2.2 天線方向圖修正

圖4 發(fā)射天線在地下介質(zhì)中的輻射方向Fig.4 Radiation patterns of an infinite line source lying on a homogeneous air-soil model

式中：fT，i和fR，i分別為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)輻射模式對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)。采用無(wú)限線源半空間遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖解析解來(lái)計(jì)算式（4）中的方向圖修正系數(shù)，其表達(dá)式為［24］

2.3 地面-管道雷達(dá)聯(lián)合成像算法

針對(duì)提出的地面-管道雷達(dá)協(xié)同探測(cè)技術(shù)，通過(guò)地面與管道的2 對(duì)天線同時(shí)對(duì)地下目標(biāo)進(jìn)行疊加，對(duì)地下道路空洞進(jìn)行成像，如圖5 所示。對(duì)地面與管道雷達(dá)各個(gè)像素點(diǎn)同時(shí)偏移進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，由此得到的成像空間像素點(diǎn)（x，z）的疊加偏移結(jié)果為

圖5 地面-管道雷達(dá)聯(lián)合BP成像方法Fig.5 Illustration of ground-pipeline penetrating radar joint imaging method

式中：為聯(lián)合偏移成像數(shù)據(jù)為地面雷達(dá)偏移成像數(shù)據(jù)；為管道雷達(dá)偏移成像數(shù)據(jù)。通過(guò)地面-管道雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)的數(shù)據(jù)可對(duì)城市道路地下目標(biāo)進(jìn)行高精度成像，在提升雷達(dá)探測(cè)地下目標(biāo)深度的同時(shí)提高成像分辨率。

3 模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)建立

為了研究GPR 與PPR 對(duì)地下空洞的雷達(dá)成像效果，搭建了含有不同尺寸預(yù)設(shè)空洞/含水空洞的地下目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)并開(kāi)展了地面-管道雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)試驗(yàn)。如圖6 所示，搭建的試驗(yàn)平臺(tái)由兩環(huán)地鐵隧道標(biāo)準(zhǔn)塊管片（隧道管片用于其他用途）以及三面磚墻組成，底部平行埋設(shè)了內(nèi)徑為40 cm 的PVC與混凝土管道各1條?；炷凉芡鈴綖?0 cm，兩管道間距為40 cm，管線頂部埋深約1 m所示。管線上方預(yù)先埋設(shè)5 個(gè)缺陷體用以模擬道路內(nèi)部空洞，由于泡沫體的介電特性與空氣相似，采用立方體泡沫塊模擬道路內(nèi)部空洞。其中1#、2#、3#為不同規(guī)格的立方體泡沫塊，4#、5#為立方體密閉亞克力水箱，用于模擬含水空洞，如表1所示。其中3#搭載在混凝土管的中部上方，距離PVC 管頂部10 cm。在平臺(tái)內(nèi)部填充40 目標(biāo)準(zhǔn)石英砂，用以模擬道路土層，試驗(yàn)室測(cè)得石英砂介電常數(shù)為3。

表1 試驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部空洞尺寸Tab.1 Specifications of cavities in established de?tection platform

圖6 地下目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)及空洞布置Fig.6 Underground object detection platform and its cavities sketch map

3.2 數(shù)據(jù)采集過(guò)程

探測(cè)試驗(yàn)共布置4 條測(cè)線，每條測(cè)線長(zhǎng)度為5 m，其中2 條測(cè)線分別布置于PVC 與混凝土管道內(nèi)。對(duì)于PPR 探測(cè)，需確保雷達(dá)天線與管道頂部緊密接觸，通過(guò)搭載便攜式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)管道的徑向測(cè)量。其余2 條測(cè)線布置于沙面且分別平行于管道測(cè)線，保持GPR前進(jìn)方向與PPR一致，如圖7所示。天線采用測(cè)距輪觸發(fā)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，道間距設(shè)置為10 mm。為兼顧GPR 探測(cè)深度與成像精度的需求，選取中心頻率為900 MHz 的天線，時(shí)窗設(shè)置為60 ns，采樣點(diǎn)設(shè)置為2 048個(gè)。

圖7 GPR與PPR探測(cè)過(guò)程示意Fig.7 Measurement of underground cavities from established detection platform using GPR and PPR

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 探測(cè)結(jié)果分析

采集數(shù)據(jù)后，為提高信噪比和突出目標(biāo)反射，需要對(duì)原始雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。主要處理步驟包括去除直流分量、背景去除、帶通濾波、增益處理和零時(shí)校正。

首先對(duì)地面雷達(dá)探測(cè)2 條測(cè)線進(jìn)行分析解釋，依次采集30 cm 空洞、80 cm 空洞以及30 cm 含水空洞的雷達(dá)信號(hào)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后的PVC管與混凝土管上方地面雷達(dá)圖像如圖8a、8b 所示。3個(gè)預(yù)設(shè)空洞的反射信號(hào)均用線框標(biāo)出，2個(gè)管道上方的雷達(dá)剖面圖均存在相同位置的異常體反射，可以分辨PVC管位于3 ns處的80 cm空洞反射以及遠(yuǎn)端9 ns 的30 cm 空洞與含水空洞反射。含水空洞相較于空氣空洞呈現(xiàn)出更強(qiáng)的反射，且反射波會(huì)發(fā)生相位反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，原因在于，水的介電常數(shù)為81，遠(yuǎn)大于試驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部填充石英砂的介電常數(shù)3，通過(guò)式（3）計(jì)算可知R小于零，此時(shí)反射波的相位相對(duì)于首波發(fā)生180°翻轉(zhuǎn)［21］。此外，混凝土管底部測(cè)線可以觀測(cè)到管道內(nèi)部鋼筋，由于鋼筋直徑小于波長(zhǎng)，鋼筋在雷達(dá)圖像中呈雙曲線形態(tài)。

對(duì)PPR采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行上述相同的預(yù)處理步驟后，分析雷達(dá)圖像可知，相較于地面雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)，PPR采集的數(shù)據(jù)有更高的分辨率。在PVC管內(nèi)探測(cè)時(shí)，2 ns 處可觀察到管道上方空洞底部的強(qiáng)反射信號(hào)，3 ns 處可觀察到80 cm 空洞的底部反射，15 ns 處可觀察到沙面與空氣的分界面，如圖8c 所示；在混凝土管內(nèi)探測(cè)時(shí)，能在2 ns 處觀察到3個(gè)空洞的反射信號(hào)，且由于混凝土管內(nèi)部設(shè)有單層鋼筋網(wǎng)，能明顯識(shí)別鋼筋網(wǎng)形成的雙曲線反射信號(hào)。因?yàn)槊芗匿摻钏介g距（50 cm）會(huì)造成電磁波的多次散射，對(duì)雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，影響空洞的識(shí)別（圖8d）。然而，僅從預(yù)處理后的圖像難以直觀且準(zhǔn)確地得到道路內(nèi)部空洞的空間位置及尺寸信息。

4.2 BP成像結(jié)果分析

首先通過(guò)引入天線方向圖修正的BP 算法對(duì)圖8a、8b 的地面雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移成像，結(jié)果如圖9a、9 b所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，本文采用的偏移成像算法能夠?qū)斩?含水空洞產(chǎn)生的繞射波進(jìn)行歸位，將能量完全聚焦到空洞所在的準(zhǔn)確位置，還原空洞的真實(shí)形狀和尺寸，且混凝土管上方的雷達(dá)圖像在偏移重構(gòu)后，鋼筋的微弱的反射信號(hào)也被聚焦。但因?yàn)殡姶挪ǖ念l率越高，在介質(zhì)中傳播的衰減速度越快［26］，使空洞底部信號(hào)未被完全探測(cè)，無(wú)法準(zhǔn)確分辨空洞面積。

圖9c、9d 為管道GPR 數(shù)據(jù)（圖8c、8d）的偏移成像結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)由于管道GPR 天線距離空洞更近，空洞能量被聚焦地更為明顯，在PVC 管和混凝土管道內(nèi)部均可以對(duì)空洞進(jìn)行準(zhǔn)確成像，并還原空洞真實(shí)寬度。在圖9b中，鋼筋的反射信號(hào)也被聚焦地更加明顯。在雷達(dá)剖面0.1 m與0.9 m處，管線的界面以及沙坑頂部的界面也被清晰成像。但由于空洞底部與管線的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生疊加，使空洞底部信號(hào)未被完全聚焦，仍無(wú)法完全準(zhǔn)確分辨空洞面積。

圖9 GPR與PPR空洞探測(cè)BP成像結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparisons of cavities above PVC and concrete pipe migrated by BP method

4.3 聯(lián)合成像結(jié)果分析

采用本文提出的地面-管道雷達(dá)聯(lián)合成像算法，將地面與管道的雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行偏移成像，如圖10，由于PPR從管道向地面進(jìn)行探測(cè)，聯(lián)合成像過(guò)程對(duì)PPR成像數(shù)據(jù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。從圖10可以看出，無(wú)論是在PVC管還是混凝土管的上方，空洞頂部和底部的反射均被清晰成像，且空洞位置與尺寸均與實(shí)際埋設(shè)情況相符。在圖10a 中，3#空洞底部與PVC 管道頂部的10 cm 間距可被清晰觀測(cè)，證明所提出的聯(lián)合成像方法具有較高的精確度，可以分辨出空洞與地下管線的垂直距離。此外，混凝土管頂部的鋼筋在圖10b中被清晰成像。

圖10 地面-管道雷達(dá)數(shù)據(jù)聯(lián)合成像結(jié)果Fig.10 Results of cavities migrated by proposed joint imaging method

地面-管道雷達(dá)聯(lián)合成像技術(shù)的目的是獲得道路內(nèi)部空洞的高分辨率重構(gòu)圖像，需要對(duì)雷達(dá)重構(gòu)圖像的成像精度進(jìn)行評(píng)估。本文選用對(duì)比度特征評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)比值越大，證明圖像重構(gòu)精度越高，其表達(dá)式［23］為

式中：um、un分別為圖像像素點(diǎn)的行數(shù)和列數(shù)；u(xi，zj)為圖像中的某個(gè)像素點(diǎn)。

對(duì)于不同雷達(dá)數(shù)據(jù)的重構(gòu)圖像，采用式（8）進(jìn)行對(duì)比度特征值C(k)的計(jì)算，并針對(duì)BP 與聯(lián)合探測(cè)成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)應(yīng)最大對(duì)比特征量值的圖像被認(rèn)為有最好的偏移效果，如表2所示。結(jié)果表明，相較于地面雷達(dá)的成像結(jié)果，PPR 具有較高的探測(cè)精度及分辨率。在PVC 管以及混凝土管的探測(cè)試驗(yàn)中，聯(lián)合成像的對(duì)比度特征值均大于傳統(tǒng)的BP成像算法，證明地面-管道雷達(dá)聯(lián)合成像可以提升圖像的精度，并準(zhǔn)確提供地下目標(biāo)位置及面積信息。

表2 不同成像方法的對(duì)比度特征值Tab.2 Contrast metric results of different imaging methods

5 結(jié)論

針對(duì)地下管線破損滲漏引起的管道周邊空洞工程探測(cè)問(wèn)題，提出了地面-管道協(xié)同探測(cè)技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)地下目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展地面與管道雷達(dá)對(duì)管線附近空洞的探測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)比地面與管道雷達(dá)空洞/含水空洞圖像的差異。同時(shí)，針對(duì)考慮天線方向圖修正的BP 成像算法，提出地面-管道雷達(dá)聯(lián)合成像方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的地面雷達(dá)，PPR 探測(cè)管道附近空洞有更高分辨率。提出的地面-管道聯(lián)合成像方法比傳統(tǒng)成像方法可更直觀地觀測(cè)到空洞的頂部與底部界面以及混凝土管內(nèi)部鋼筋，并能夠準(zhǔn)確表征管線頂部空洞位置及面積。

通過(guò)足尺模型試驗(yàn)證明地面-管道協(xié)同探測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確判斷管線外環(huán)境空洞的位置，提出的聯(lián)合成像算法可以估計(jì)空洞/含水空洞的面積大小。需要指出的是，試驗(yàn)中的背景介質(zhì)為相對(duì)均勻的石英砂，因此聯(lián)合成像的空洞圖像特征較為明顯。在環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的城市道路，考慮到背景介質(zhì)不均勻，需要對(duì)所提的聯(lián)合成像算法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，以確保更為有效的探測(cè)和成像。

作者貢獻(xiàn)聲明：

劉 海：研究方向確定，論文修改。

賴思聰：試驗(yàn)開(kāi)展，數(shù)據(jù)采集，論文撰寫(xiě)。

陳俊宏：試驗(yàn)開(kāi)展，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析。

岳云鵬：試驗(yàn)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)分析。

陳志杰：數(shù)據(jù)分析。

劉鳳洲：試驗(yàn)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)分析。

孟 旭：數(shù)據(jù)分析，論文修改。

胡群芳：技術(shù)方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析，論文修改。