地質(zhì)雷達(dá)在武警部隊(duì)地埋油罐監(jiān)漏中的應(yīng)用研究

李維亮 張漢華 宋勇平 王建楠（國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與通信工程學(xué)院一所，湖南長(zhǎng)沙 410073）

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地質(zhì)雷達(dá)在武警部隊(duì)地埋油罐監(jiān)漏中的應(yīng)用研究

李維亮 張漢華 宋勇平 王建楠
（國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與通信工程學(xué)院一所，湖南長(zhǎng)沙 410073）

【摘要】近幾十年來，國(guó)內(nèi)外使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)土壤及地下水中的有機(jī)污染，已有很多成功的實(shí)例，應(yīng)用效果良好，值得借鑒。針對(duì)武警部隊(duì)部分加油站儲(chǔ)油罐超期服役狀態(tài)，隨時(shí)都有可能發(fā)生滲漏危險(xiǎn)的實(shí)際背景，此次實(shí)驗(yàn)選擇了某型工作頻段為1.9-2.5GHz的超寬帶步進(jìn)頻雷達(dá)進(jìn)行了探測(cè)實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)述了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、過程以及數(shù)據(jù)處理分析。雷達(dá)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明淡水及柴油在干砂土中發(fā)生泄露是可以檢測(cè)出來，并可以進(jìn)一步區(qū)分開來。這一研究成果證實(shí)了地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)部隊(duì)加油站地埋油罐底部漏油的可行性。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)雷達(dá) 砂土 泄漏 介電常數(shù)

由于部隊(duì)加油站都是以地埋油罐的方式進(jìn)行油料的儲(chǔ)存與收發(fā)，所以，隨著使用時(shí)間的增加，銹蝕、腐蝕等因素的作用，對(duì)于油罐是否漏油很難從外觀上直觀看到，所以要通過一定的檢測(cè)方法來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的目的，現(xiàn)今大多數(shù)油庫依然使用的通過罐內(nèi)油位變化和感官檢漏的方法［1，2］已經(jīng)不能有效地實(shí)現(xiàn)油罐底部的實(shí)時(shí)監(jiān)漏，傳統(tǒng)方法［3-8］往往存在著發(fā)現(xiàn)微小滲漏困難、發(fā)現(xiàn)滲漏不及時(shí)等問題。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)的探索及應(yīng)用正在展開，在“長(zhǎng)江三角洲地區(qū)地下水污染綜合研究”項(xiàng)目中，周迅［9，10］等對(duì)宜興地區(qū)地下儲(chǔ)油罐滲漏污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)及在蘇南地區(qū)加油站地下儲(chǔ)油罐滲漏污染研究的過程中使用了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下石油烴污染，應(yīng)用效果較好；2008年，白蘭［11］等對(duì)垃圾填埋場(chǎng)等污染場(chǎng)地使用地質(zhì)雷達(dá)和高密度電阻率法進(jìn)行探測(cè)，初步探索了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下污染物的適用性。但是，不能很好的作為實(shí)時(shí)檢測(cè)的手段，所以油罐底板的實(shí)時(shí)監(jiān)漏技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)和研究的重點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 實(shí)驗(yàn)背景

為了對(duì)油罐底部是否漏油進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，我們首先應(yīng)該了解清楚地埋油罐的物理特性及其周圍的環(huán)境。如圖1所示。

從圖1，我們可以看出罐體周圍的環(huán)境是經(jīng)過混凝土處理過的墻壁，底部及周圍均由砂土墊襯填埋，所以直接監(jiān)測(cè)油罐是否發(fā)生泄露不好實(shí)施，但是我們可以通過對(duì)砂土進(jìn)行無損監(jiān)測(cè)，通過判斷砂土內(nèi)介電常數(shù)是否發(fā)生變化而判斷油罐是否發(fā)生泄露，這樣我們就能夠有效解決監(jiān)測(cè)的問題，那么雷達(dá)是否能夠有效監(jiān)測(cè)砂土內(nèi)介電常數(shù)發(fā)生變化呢，我們將通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究分析。

1.2 探測(cè)原理

探地雷達(dá)是利用高頻電磁波（從十到上千MHz）的反射來探測(cè)有電性差異的界面或目標(biāo)體的一種物探技術(shù)。探地雷達(dá)探測(cè)時(shí)，通過發(fā)射天線向地下（或其它方向） 定向發(fā)射脈沖電磁波，脈沖電磁波能量就向地下（或其它方向） 定向輻射，當(dāng)脈沖電磁波傳播過程中遇到有電性差異的界面或目標(biāo)體（介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同），就會(huì)發(fā)生反射和散射現(xiàn)象［12］，雷達(dá)探測(cè)時(shí)電磁波傳播示意見圖2。

從圖2所示，反射界面的深度可以通過下面公式計(jì)算：

式中： v為電磁波在真空中的傳播速度，m/s；rε為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)： t為界面的反射波雙向傳播時(shí)間。某一介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)rε，是把雷達(dá)在已知反射點(diǎn)上實(shí)際探測(cè)，用反射波雙向走時(shí)時(shí)間t和深度 H來計(jì)算：

雷達(dá)波在介質(zhì)中傳播速度取決于介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率，通常工程勘探和檢測(cè)中所遇到的介質(zhì)都是以位移電流為主的低損耗介質(zhì)，在這類介質(zhì)中雷達(dá)波的反射系數(shù)和波速（ μ）取決于相對(duì)介電常數(shù)［2］，即：

1.3 影響因素

一般而言，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法適用于金屬、非水相液體和其它有機(jī)污染的探測(cè)。影響地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度、分辨率以及精度的因素主要是環(huán)境的電導(dǎo)率，介電常數(shù)以及探測(cè)方法，包括探測(cè)所采用的頻率，采樣速度等［13，14］。一般的地質(zhì)雷達(dá)都擁有多種頻率的天線，低頻可達(dá)到16 MHz，高頻可達(dá)到2GHz［15］。

2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

利用雷達(dá)對(duì)水和油在砂土中的滲透過程進(jìn)行探測(cè)，通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理分析判斷出其變化規(guī)律與不同。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，在試驗(yàn)開始前應(yīng)做好充分的實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備、了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)工作的基本原理和明確實(shí)驗(yàn)所采取的基本方法。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)器材

94.5cm×64.5cm×49cm塑料沙箱1個(gè)，沙土0.5立方米，地質(zhì)雷達(dá)1臺(tái)，1L淡水，1L柴油，卷尺1把，500ml點(diǎn)滴瓶及輸液軟管一套。

2.2.2 雷達(dá)基本參數(shù)

此次實(shí)驗(yàn)采用某型超寬帶步進(jìn)頻雷達(dá)，工作頻段1.9-2.5GHz，頻跳間隔4MHz，慢時(shí)間采樣率5Hz，采用多普勒處理。多普勒處理是指對(duì)接收到的來自某一固定距離單元、一段時(shí)間內(nèi)（對(duì)應(yīng)于幾個(gè)脈沖）的信號(hào)進(jìn)行濾波或譜分析處理。靜止目標(biāo)會(huì)出現(xiàn)在零多普勒頻率處，而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)會(huì)出現(xiàn)在譜的任何位置，這個(gè)位置取決于它們相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度［16］。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）將砂土晾曬烘干，攪拌均勻后裝入準(zhǔn)備好的砂箱內(nèi)，攪拌均勻，并使其表面平整。

（2）將雷達(dá)架設(shè)并固定于砂箱上方，使其與水平面成45°夾角，固定實(shí)驗(yàn)液體瓶及輸液管，防治液體流動(dòng)過程中水管產(chǎn)生擾動(dòng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾，致使誤差增大。具體如圖3所示：

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)備架設(shè)完畢后，首先利用雷達(dá)對(duì)干燥砂箱采集背景數(shù)據(jù)，時(shí)常為8分鐘，共計(jì)2400幀。

（4）首先進(jìn)行注水實(shí)驗(yàn)，采集完背景信息后，讓1L水以均勻的速度進(jìn)行滴漏，共錄制8分鐘，共計(jì)2400幀；第二，將砂箱內(nèi)濕砂按要求進(jìn)行更換，柴油參照注水方法進(jìn)行測(cè)試。

（5）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)完畢，我們通過數(shù)據(jù)分析，探討我們利用雷達(dá)檢測(cè)滲漏的可行性。

3.1 注水實(shí)驗(yàn)分析

如圖4所示，每張圖片中左側(cè)為對(duì)背景對(duì)消、抑制零頻雜波后的圖像，本次采用參數(shù)為5幀/次。

我們通過左側(cè)對(duì)消圖像可以發(fā)現(xiàn)，水在不斷注入過程中，在系統(tǒng)收斂穩(wěn)定后，隨著水在砂土里邊滲透面積及空間不斷擴(kuò)大，這一過程的變化是能夠被雷達(dá)檢測(cè)到，并且能在圖像上清晰看到，此時(shí)它的零頻已經(jīng)被濾除，只是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信息圖像；圖片的右側(cè)為注水前采集的空背景數(shù)據(jù)圖像，與注水圖做一些對(duì)比。剛開始水流比較大，這種雷達(dá)探測(cè)圖像反映較強(qiáng)，能夠清楚的看到水在砂土里面的運(yùn)動(dòng)，如圖4。

通過對(duì)注水實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水從外界流入砂土中滲透時(shí)，這一過程是可以被雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的，這也為我們?cè)噲D利用雷達(dá)對(duì)油罐底部水泄露監(jiān)測(cè)的可行性提供了有效支撐。

3.2 注油實(shí)驗(yàn)分析

剛才我們分析了注水在砂土中的滲透過程，現(xiàn)在我們分析一下注油在砂土中的滲透情況，如圖5所示，背景對(duì)消圖像參數(shù)不變，圖像左側(cè)為注水過程背景對(duì)消圖像，右側(cè)為注油前采集的空背景圖像。通過圖像我們可以看出，柴油由于自身的粘滯性比水要強(qiáng)，所以在軟管中的流速要比水緩慢一些，在砂土中滲透也就比較緩慢一些，所以從每張圖片中的左側(cè)圖像可以看出在柴油進(jìn)入砂土后，滲透運(yùn)動(dòng)要比水弱一些，雖然弱，但是也能夠被雷達(dá)采集到，這與實(shí)際是相符的。

通過對(duì)注油實(shí)驗(yàn)的分析，為我們利用雷達(dá)監(jiān)測(cè)油罐底部漏油可行性提供了依據(jù)。

3.3 比較分析

前面我們分別對(duì)注水及注油實(shí)驗(yàn)做了分析，為了進(jìn)一步深入研究，我們對(duì)比分析一下注水及注油實(shí)驗(yàn)。如圖6所示，每張圖片中左側(cè)為注水實(shí)驗(yàn)，右側(cè)為注油實(shí)驗(yàn)，均為背景對(duì)消圖像，為了實(shí)驗(yàn)條件的統(tǒng)一性，我們依舊采用參數(shù)為5幀/次，從圖片中可以明顯看出注水與注油的不同，在對(duì)注油實(shí)驗(yàn)分析的過程中，我們提到了一些它們的區(qū)別，從這些區(qū)別中我們也可以看出水和油在砂土中的滲透是不同的，是可以通過雷達(dá)監(jiān)測(cè)并區(qū)分出來，這就為區(qū)分罐底是否單純漏水監(jiān)測(cè)提供了可能。

通過比較分析，我們可以直觀的從數(shù)據(jù)圖像上區(qū)分出水與油滲透的不同，這為我們研究雷達(dá)監(jiān)測(cè)罐底漏油提供了很大的支持。

4 結(jié)語

綜上，通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理分析，我們基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目的，發(fā)現(xiàn)了水和油在干砂土滲透過程中可以被雷達(dá)適時(shí)的監(jiān)測(cè)到，而且水跟油的雷達(dá)監(jiān)測(cè)圖像也有很明顯的區(qū)別，為后期做好實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了很好的理論參考。這一研究成果證實(shí)了地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)部隊(duì)加油站地埋油罐底部漏油的可行性。雖然有很多收獲，但也存在很多不足，如：雷達(dá)探測(cè)信息圖像中只能反映有無，并不能精確反映出其滲透面積及深度，對(duì)油或水不能做出定性及定量的研究；實(shí)際工作中數(shù)據(jù)量大，不能長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)控等。

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【Abstract】In recent decades，there are many successful examples of using ground penetrating radar to detect organic contamination in soil and groundwater in domestic and foreign countries.Part of gas station oil tank for CAPF extended state， at any time may be leaking .Above these dangerous actual background， the experiments chose a certain working band 1.9- 2.5 GHz ultra-wideband step frequency radar detection experiment was carried out. This paper briefly describes the experimental scenario， the process and the analysis of the data processing. Radar data analysis results show that the fresh water and diesel oil spills in dry sand can be detected， and can be further distinguish. The findings confirmed the GPR monitoring the forces gas station buried at the bottom of the tank leak is feasibility.

【Key words】ground penetrating radar；oil tank；leakage；permittivity