城市排水管道渗漏探地雷达正演模拟及信号处理研究

作     者：李玉 

作者单位：西华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘保县;陈超政

授予年度：2023年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0815[工学-水利工程] 

主      题：管道渗漏 探地雷达 模型试验 三维正演模拟 信号处理 

摘      要：城市地下排水管道渗漏带来严重的安全隐患,探地雷达因其独特的无损、非接触、高效、分辨率高等检测特点,在地下管线渗漏方面具有光明的应用前景,但是目前相关研究成果还比较少,尚未形成系统的探地雷达图谱解译体系。同时,信号处理也是探地雷达领域一个经久不衰的研究方向。因此,本文基于理论研究、物理模型试验、正演模拟等方法,对地下UPVC管道未渗漏和渗漏的探地雷达图谱特征以及探地雷达信号去噪方法进行了研究。主要研究内容及成果如下:(1)利用探地雷达对建立的UPVC管道未渗漏及渗漏两种工况进行了物理模型试验研究,从二维和三维的角度对探地雷达图谱特征进行了总结分析。研究表明:当测线垂直于管道时,回波呈双曲线;当测线平行于管道时,回波呈直线。渗漏发生后,回波图像有震荡信号出现,通过三维图像能识别管道走向及初步判断渗漏发生的位置。(2)编写了基于单轴各向异性完全匹配层吸收边界的探地雷达三维时域有限差分法正演模拟程序,并对建立的管道未渗漏及渗漏两种模型进行了模拟。研究表明:三维正演模拟得到的结果与物理模型试验基本一致。(3)提出了一种改进小波阈值方法并将其与硬阈值去噪方法、软阈值去噪方法通过设计的仿真去噪试验进行了对比。研究表明:改进小波阈值去噪后的信号波形与原始信号波形最为相似,信噪比比硬阈值方法、软阈值方法分别提升了约11.66%、11.27%,均方根误差比硬阈值方法、软阈值方法分别降低了约20.16%、19.61%。(4)将改进后的阈值去噪方法与自适应噪声完备集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise,CEEMDAN))方法相结合,通过探地雷达仿真数据和实测数据对CEEMDAN去噪算法、硬阈值去噪算法、软阈值去噪算法以及CEEMDAN-改进小波阈值去噪算法的去噪效果进行了主观和客观的分析评价。研究表明:联合算法对仿真数据的去噪效果优于其余几种算法。使用联合算法对实测信号去噪后的峰值信噪比为46.6592d B,相比于CEEMDAN去噪算法、硬阈值去噪算法、软阈值去噪算法分别提升了约35.56%、15.70%、13.24%。(5)基于联合算法去噪处理和前文总结的探地雷达图谱特征,使用探地雷达对西华大学排水管网的渗漏情况进行了检测。研究表明:联合算法应用于探地雷达检测工程实际的效果不错,同时,本文总结的探地雷达图谱特征是正确有效的。