地质雷达在武警部队地埋油罐监漏中的应用研究
【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.
【Keywords】ground penetrating radar；oil tank；leakage；permittivity
由于部队加油站都是以地埋油罐的方式进行油料的储存与收发，所以，随着使用时间的增加，锈蚀、腐蚀等因素的作用，对于油罐是否漏油很难从外观上直观看到，所以要通过一定的检测方法来实现监测的目的，现今大多数油库依然使用的通过罐内油位变化和感官检漏的方法[1，2]已经不能有效地实现油罐底部的实时监漏，传统方法[3-8]往往存在着发现微小渗漏困难、发现渗漏不及时等问题。虽然国内对于地质雷达的探索及应用正在展开，在“长江三角洲地区地下水污染综合研究”项目中，周迅[9，10]等对宜兴地区地下储油罐渗漏污染现状进行评价及在苏南地区加油站地下储油罐渗漏污染研究的过程中使用了地质雷达探测地下石油烃污染，应用效果较好；2008年，白兰[11]等对垃圾填埋场等污染场地使用地质雷达和高密度电阻率法进行探测，初步探索了地质雷达探测地下污染物的适用性。但是，不能很好的作为实时检测的手段，所以油罐底板的实时监漏技术一直是国内外关注的焦点和研究的重点。
1 实验原理
1.1实验背景
为了对油罐底部是否漏油进行实时检测，我们首先应该了解清楚地埋油罐的物理特性及其周围的环境。如图1.1所示。
从图1，我们可以看出罐体周围的环境是经过混凝土处理过的墙壁，底部及周围均由砂土垫衬填埋，所以直接监测油罐是否发生泄露不好实施，但是我们可以通过对砂土进行无损监测，通过判断砂土内介电常数是否发生变化而判断油罐是否发生泄露，这样我们就能够有效解决监测的问题，那么雷达是否能够有效监测砂土内介电常数发生变化呢，我们将通过实验进行研究分析。
1.2 探测原理
探地雷达是利用高频电磁波（ 从十到上千MHz） 的反射来探测有电性差异的界面或目标体的一种物探技术。探地雷达探测时，通过发射天线向地下（或其它方向） 定向发射脉冲电磁波，脉冲电磁波能量就向地下（或其它方向） 定向辐射，当脉冲电磁波传播过程中遇到有电性差异的界面或目标体（ 介电常数和电导率不同） ，就会发生反射和散射现象[12] ，雷达探测时电磁波传播示意见图1.2。
从图1.2 所示，反射界面的深度可以通过下面公式计算：
式中： 为电磁波在真空中的传播速度，m/s ；为介质的相对介电常数： 为界面的反射波双向传播时间。某一介质的相对介电常数，是把雷达在已知反射点上实际探测，用反射波双向走时时间 和深度来计算：
雷达波在介质中传播速度取决于介质的相对介电常数和电导率，通常工程勘探和检测中所遇到的介质都是以位移电流为主的低损耗介质，在这类介质中雷达波的反射系数和波速（ ）取决于相对介电常数 ，即：
1.3影响因素
一般而言，地质雷达探测法适用于金属、非水相液体和其它有机污染的探测。影响地质雷达的探测深度、分辨率以及精度的因素主要是环境的电导率，介电常数以及探测方法，包括探测所采用的频率，采样速度等[13，14]。一般的地质雷达都拥有多种频率的天线，低频可达到16 MHz，高频可达到2GHz[15]。
2实验实施
2.1 实验目的 利用雷达对水和油在砂土中的渗透过程进行探测，通过实验及数据处理分析判断出其变化规律与不同。
2.2 实验准备
为了实验顺利进行，在试验开始前应做好充分的实验器材准备、了解实验设备及系统工作的基本原理和明确实验所采取的基本方法。
2.2.1 实验器材
94.5cm×64.5cm×49cm塑料沙箱1个，沙土0.5立方米，地质雷达1台，1L淡水，1L柴油，卷尺1把，500ml点滴瓶及输液软管一套。
2.2.2雷达基本参数
此次实验采用某型超宽带步进频雷达，工作频段1.9-2.5GHz，频跳间隔4MHz，慢时间采样率5Hz，采用多普勒处理。多普勒处理是指对接收到的来自某一固定距离单元、一段时间内（对应于几个脉冲）的信号进行滤波或谱分析处理。静止目标会出现在零多普勒频率处，而运动目标会出现在谱的任何位置，这个位置取决于它们相对于雷达的径向速度[16]。
2.2.3 实验方法
（1）将砂土晾晒烘干，搅拌均匀后装入准备好的砂箱内，搅拌均匀，并使其表面平整；
（2）将雷达架设并固定于砂箱上方，使其与水平面成45°夹角，固定实验液体瓶及输液管，防治液体流动过程中水管产生扰动，对实验造成干扰，致使误差增大。具体如图2.1所示：
（3）实验设备架设完毕后，首先利用雷达对干燥砂箱采集背景数据，时常为8分钟，共计2400帧。
（4）首先进行注水实验，采集完背景信息后，让1L水以均匀的速度进行滴漏，共录制8分钟，共计2400帧；第二，将砂箱内湿砂按要求进行更换，柴油参照注水方法进行测试。
（5）对实验结果进行分析处理。
3实验分析
实验完毕，我们通过数据分析，探讨我们利用雷达检测渗漏的可行性。
3.1注水实验分析
如图3.1所示，每张图片中左侧为对背景对消、抑制零频杂波后的图像，本次采用参数为5帧/次。
我们通过左侧对消图像可以发现，水在不断注入过程中，在系统收敛稳定后，随着水在砂土里边渗透面积及空间不断扩大，这一过程的变化是能够被雷达检测到，并且能在图像上清晰看到，此时它的零频已经被滤除，只是运动目标的信息图像；图片的右侧为注水前采集的空背景数据图像，与注水图做一些对比。刚开始水流比较大，这种雷达探测图像反映较强，能够清楚的看到水在砂土里面的运动，如图3.1。
通过对注水实验的数据进行研究发现，当水从外界流入砂土中渗透时，这一过程是可以被雷达监测到的，这也为我们试图利用雷达对油罐底部水泄露监测的可行性提供了有效支撑。
3.2注油实验分析
刚才我们分析了注水在砂土中的渗透过程，现在我们分析一下注油在砂土中的渗透情况，如图3.2所示，背景对消图像参数不变，图像左侧为注水过程背景对消图像，右侧为注油前采集的空背景图像。通过图像我们可以看出，柴油由于自身的粘滞性比水要强，所以在软管中的流速要比水缓慢一些，在砂土中渗透也就比较缓慢一些，所以从每张图片中的左侧图像可以看出在柴油进入砂土后，渗透运动要比水弱一些，虽然弱，但是也能够被雷达采集到，这与实际是相符的。
通过对注油实验的分析，为我们利用雷达监测油罐底部漏油可行性提供了依据。
3.3比较分析
前面我们分别对注水及注油实验做了分析，为了进一步深入研究，我们对比分析一下注水及注油实验。如图3.3所示，每张图片中左侧为注水实验，右侧为注油实验，均为背景对消图像，为了实验条件的统一性，我们依旧采用参数为5帧/次，从图片中可以明显看出注水与注油的不同，在对注油实验分析的过程中，我们提到了一些它们的区别，从这些区别中我们也可以看出水和油在砂土中的渗透是不同的，是可以通过雷达监测并区分出来，这就为区分罐底是否单纯漏水监测提供了可能。
通过比较分析，我们可以直观的从数据图像上区分出水与油渗透的不同，这为我们研究雷达监测罐底漏油提供了很大的支持。
4结语
综上，通过实验及数据处理分析，我们基本达到了实验的预期目的，发现了水和油在干砂土渗透过程中可以被雷达适时的监测到，而且水跟油的雷达监测图像也有很明显的区别，为后期做好实时监测提供了很好的理论参考。这一研究成果证实了地质雷达监测部队加油站地埋油罐底部漏油的可行性。虽然有很多收获，但也存在很多不足，如：雷达探测信息图像中只能反映有无，并不能精确反映出其渗透面积及深度，对油或水不能做出定性及定量的研究；实际工作中数据量大，不能长时间的连续监控等。
