基于RIS探地雷達的地下管線探測實例

郭曉南，馮 磊，程 涌

（河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作454000）

1 引言

近年來，中國城市化進程加快，城市建設和改造等各類工程項目日益增多，而每個城市的地下都是管線交錯、復雜異常，如光纜線、電力線、自來水管道、燃氣管道、排污管道等。由于時間久遠，許多城市地下管線的分布無據可查，再加上不同的管線屬于不同的部門管轄，在對管線進行維修活動或工程施工時，盲目開挖常會破壞其它管線，導致人員傷亡、通訊中斷、燃氣泄漏、停水停電事故，造成每年大約450億的巨大經濟損失。如果預先使用探地雷達查清地下管線的詳細分布情況，在進行施工時就可以有針對性地開挖、大幅度減少工程量，同時大大降低了破壞管線和引發事故風險，避免了不必要的經濟損失。

探地雷達作為一種先進的物探手段，具有分辨率高、無損性、輕質便攜、抗干擾能力強并能適應野外作業等優點而得到了廣泛應用。本文在對探地雷達進行了可行性試驗的基礎上，對河南理工大學馨月湖南側排水管道進行探測。經過詳細研究，查清了該區排水管道的空間位置及埋藏深度，為排水管道維護維修和后期建設施工提供了基礎資料，為全面查清河南理工大學地下水管道提供了經濟高效且可靠的手段。

2 探地雷達發展現狀

探地雷達技術經過近幾十年來的深入研究和不斷發展，取得了巨大的突破，目前在生產實際中已得到了廣泛的應用。國外儀器生產廠商由于科研實力強、經費充足、技術水平遙遙領先，迅速占領了國際市場。70年代初我國才開始研究探地雷達，技術水平相對落后。目前市場上幾種主流探地雷有：美國地球物理探測儀器公司（GSSI）的SIR系列、意大利IDS公司的RIS系列和瑞典MALA公司的RAMAC系列等。

河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室（河南理工大學）經過調研對比，購置了意大利IDS公司生產的RIS K2高精度探地雷達（圖1）。主要參數為：控制單元多至8個通道，可接8個單天線同時測量；時窗長度：4～9999nsec；迭加：最大至32768；發射速率：400k Hz；掃描速度：850掃／s；工作溫度：－10～50℃；工作功率：20W；A／D轉換率：16bit；分辨率：5psec。該雷達具有信號穩定、分辨率高、軟件功能強大、輕質便攜及能適應惡劣的環境等優點。本次排水管道探測借助于此探地雷達進行了實際應用。

3 探地雷達工作原理

圖1 意大利RIS高精度探地雷達

圖2 探地雷達工作原理

探地雷達在探測地下管線時，產生周期性的高頻毫微秒信號，由發射天線T向地下發射高頻電磁波，電磁波經過地下介質界面的反射后由接收天線R接收（圖2）。電磁波在地下材料介質中傳播時，由于通過的材料介質的電性質與幾何形態不斷發生變化，電磁波的傳播路徑、電磁場強度和波形亦將產生變化。因此，根據接收到波的雙旅程時間、振幅與波形資料，就可以推斷地下分界面、介質結構和目標地質體的空間位置、結構、形態以及埋藏深度等相關信息。

由于地下管線材料與周圍巖石、土壤介質材料的介電常數不同，電磁波在其分層界面處發生反射和透射，一部分電磁波能量衰減，另一部分電磁波返回地面，被接收天線接收，形成反射界面。根據接收天線收到的電磁波的特點就可以推斷地下管線的空間位置、粗細、材料及埋藏深度等相關信息。

4 探地雷達管線探測步驟

4．1 雷達參數的選擇

探地雷達測量參數選擇直接關系到測量結果的準確性。需設置的參數有很多，現選擇重要的幾個參數進行敘述。

（1）天線中心頻率：天線中心頻率的選擇很重要，因為探測深度、分辨率與之息息相關，而探測深度和分辨率直接體現探地雷達探測能力，即中心頻率控制著探地雷達的探測能力。根據對探測區域排水管道的埋深和地面介質的分析，本次實驗采用200MHz的屏蔽天線進行探測。

（2）A／D采樣分辨率：雷達的 A／D轉換有8Bit、16Bit、24Bit可供選用，隨著位數增加探測深度變大，動態記錄能力強，但采集速度會減慢，根據需要適宜選擇。

（3）增益方式選擇：適合選擇自動方式，當地面介質發生明顯變化時，自動增益曲線應重新拾取，以適應相應的探測環境，然后在新環境下進行探測。

如果想要獲得理想的、準確的探測數據，還要合理的設置掃描樣點數，掃描速率，增益點數，濾波設置，合理的采集方式和顯示方式等。

4．2 工作思路和流程

具體工作分為三個階段：第一階段——分析探測區地下排水管道概況，設置探地雷達參數，設計探地雷達測線布置方案；第二階段——戶外數據采集，本階段主要是根據室內設計的測線布置方案，利用探地雷達對探測區區域進行探測，采集相關的剖面數據；第三階段——數據處理和解釋，本階段通過對探地雷達采集的數據進行處理和分析，結合探測區的實際情況，綜合各個雷達剖面的解釋結果，最終得到排水管道的地下埋藏情況。

5 管線探測可行性試驗

為驗證探地雷達儀器性能，尋找最合適的雷達參數，對河南理工大學校園內已知地下管線區域進行探測實驗。分別選擇兩個區域進行測試，區域一位于河南理工大學電氣學院樓南側，區域二位于河南理工大學安全學院樓南側。

圖3 電氣學院地下管線井蓋及對應探地雷達剖面

通過對區域一（圖3）的探測，一方面測試了儀器能否正常使用，另一方面通過這一測試對金屬管道形成的雷達剖面有一個形象的認識，由于金屬管線的介電常數與周圍介質明顯不同，電磁波射到地面金屬管道時，將發生明顯的反射。我們在這次試驗中認識到了運用探地雷達探測地下管線時應注意的問題，掌握了探地雷達的正確使用方法。

圖4 安全學院地下管線井蓋及對應探地雷達剖面

區域二（圖4）的測試對于我們進一步認識地下管道對電磁波的反射特點起到很大作用，尤其是非金屬管道。由于介質的吸收系數與電導率成正比，因此非金屬管道反射電磁波波衰減很大，其反射曲線明顯沒有金屬管道波峰值高。

通過這兩個試驗還可以了解到：（1）管道存在的標志——剖面雙曲線形態；（2）波峰的大小和管道的直徑和材質等有很大關系；（3）地下管線的地面分布位置由探地雷達的雷達剖面上雙曲線同相軸的極小點位置確定；（4）根據探地雷達圖像上雙曲線同相軸的極小點在垂直剖面的位置，可以從圖中讀出地下管線頂部位置埋深。

6 地下管線實際探測

經過前期多次試驗分析，取得了此次探測最理想的探地雷達采集參數，針對河南理工大學馨月湖橋南側局部公路排水管道走向進行了探測（圖5和圖6），目的在于為今后在該區域的工程施工提供地下排水管道分布資料，同時也證明了探地雷達在地下管線探測應用的可靠性。

排水管線探測結果分析：

根據圖7中測線3、5、6對應的雷達探測剖面，結合探測區現場情況，在距所定基線附近4．7～5．3m范圍內，瞬時信號能量團比較集中，有明顯的剖面雙曲線異常，具體管道位置雙曲線同相軸的極小點確定為距基線5m左右，埋深由雷達剖面圖可以看出大約1．3m左右，雜亂反射較少，推斷為管線，并且由于管道的非金屬材質原因，目標體反射能量并不是很大，造成雙曲線幅值變小，圖像顏色淺。

圖5 測線工程布置示意圖

圖6 現場探測照片

測線2對應的雷達探測剖面，在距基線5m左右，存在雜亂的雷達反射信號，從雷達剖面圖像中即可看出，其反射波波形復雜凌亂，同相軸錯亂，存在繞射，推斷該段管線可能由于年久失修，出現泥沙淤積管線現象。

通過對實地排水管道在馨月湖一側的露頭觀測，管線的分布情況與探地雷達的探測結論相一致。經過雨天同類排水管道排水能力的實際對比，該管道的排水能力明顯低于其他管道，驗證了以上推斷的正確性。

7 結論

本次探測采用RIS K2探地雷達查明了探測區排水管道的分布，確定了河南理工大學馨月湖南側地下排水管道地下走向分布，為學校對該區地下排水管道的維護維修和后期建設施工提供可參考依據。在實際應用中，選擇合適的探測儀器和正確的工作方法，才能采集到高質量的野外數據；另外在數據解釋時，可采用多種勘探手段相結合、縱橫雷達剖面相互配合的方法，才能減弱甚至消除地下管線實際探測中的諸多干擾因素，真實準確地確定地下管線的空間分布情況。

圖7 測線2、3、5、6對應的雷達探測剖面

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