探地雷達在探測地下管線中的應用研究

丁肇偉

摘 要：根據探地雷達的探測原理及技術參數影響因素，以工作實例，介紹如何根據管徑、埋深確定天線頻率、天線距、采樣點距、時窗等探地雷達技術參數；并選擇已知埋深的管線，對波速進行實地測定，以便在探地雷達剖面上對目標體的埋深作出精確解釋。

關鍵詞：地下管線 探地雷達 分辨率

中圖分類號：U415.12 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（a）-0000-00

自2007年起至今，我公司成功引進了瑞士瑪拉公司的RAMAC_GPR型探地雷達，并運用探地雷達對探測地下管線空間屬性的參數選擇方面做了探測研究。

1 研究內容

① 探地雷達現有性能研究；② 探地雷達針對各種情況下的管線探測的參數對比選擇；③ 利用分辨率對獲得的圖像進行目標識別；④ 利用工作頻率對雷達的探測能力進行控制。

2 探測方法與技術

探地雷達的觀測方法主使用反射法，反射法可分為剖面法、寬角法和多天線法等。

圖1 探地雷達主要使用探測方法

剖面法的特點是發射天線（T）和接收天線（R）的間距（稱為收發距或天線距）固定，沿測線同步移動逐點測量的一種方式。天線距由式 =2D/ ε-1（D為目標體埋深）計算；測點間距應小于波長的1/4。記錄點位于T 和R 的中點，發射天線和接收天線在每一測點都可以得到一個記錄。當發射天線與接收天線沿著測線同步移動時，就能得到由一個個記錄組成的探地雷達剖面圖象。在剖面圖象上，橫坐標為測點位置，縱坐標為雷達脈沖從發射天線出發經地下界面反射后返回到接收天線的雙程走時。

2.1分辨率

分辨率就是指區分兩個以上目標體或識別小目標體的能力。探地雷達的分辨率又分為縱向（即垂直）分辨率和橫向（即水平）分辨率。影響分辨率的主要因素有以下幾個方面。

①主頻和頻帶寬度。縱向分辨率和橫向分辨率都與反射波的主頻有關，信號主頻越高，分辨率也就越高，為了提高探地雷達的分辨率，應當在提高脈沖主頻的同時，加寬脈沖頻率響應的頻帶寬度。②信噪比。在實際工作中，需要對所采取的方法和技術作具體分析。在某些情況下，提高信噪比與提高分辨率是相互矛盾的，難以對二者同時兼顧。例如，在探測上、下重疊相距較近的平行管線時，為了不使上部管線的反射回波因延續時間太長而對下部管線的反射造成干擾，或者說為了使兩管均能分辨，應當盡量壓縮脈沖寬度，也就是拓寬頻帶寬度，但有可能將干擾電磁信號記錄下來，從而降低了信噪比。③子波相位與形態。高分辨率的子波應該是具有主瓣寬度窄、旁瓣與主瓣振幅比值小且尾部振幅衰減快等特征的零相位子波。④采樣率。采樣率包括時間采樣率和空間采樣率兩個方面。無論在時間域還是空間域進行采樣，采樣間隔都應滿足采樣定理。

2.2工作頻率

探地雷達的探測深度和分辨率是表明其探測能力的重要技術參數，而探測深度和分辨率都與工作頻率有關，所以工作頻率的高低直接控制探地雷達的探測能力。探地雷達工作頻率（即天線中心頻率）的選擇應同時考慮到探測深度與分辨率的要求。在無磁性介質中，電磁波的趨膚深度δ=503 ，可見δ隨介質電阻率的增加和頻率的減小而增大。當介質性質一定時，天線中心頻率越高，不但波形特征會發生變化，且波的能量衰減更劇烈，探測深度也越小。然而，當頻帶寬度一定時，探地雷達的分辨率卻是隨工作頻率的提高而變好的。

3工程實例

3.1單管線探測實例

在上海寶山區，采用探地雷達方法（雷達儀器型號：RAMAC-GPR型）對一條管徑為600mm的雨水砼管進行探測。探測時所選的技術參數為：天線頻率為100MHZ，天線距為0.6m，采樣點距為0.1m，時窗為100ns。根據被測管線在雷達剖面上反射同相軸極小點的水平位置，可得到管道中心的地面投影在測線上2.2m處。為了求出該給水砼管的埋深，在該管附近另一條已知埋深的排水管道上進行原位波速測定。

已知該排水砼管直徑為800mm，管頂埋深h=1.08m， 從雷達剖面上讀得單程反射回波走時t=13.33ns，故求得電磁波在該地段的速度v=0.081m/ns。給水管道反射回波同相軸極小點的雙程走時為21.5ns，由此，求得該管頂埋深為0.87m。

為了選擇恰當的探測參數，使探地雷達方法在對該砼管中取得高質量的記錄剖面，我們對該區域另一條1200mm 的雨水砼管進行了對比試驗。觀測時所采用的技術參數及雷達圖象的解釋結果均在圖中作了相應說明。從解釋結果可以看出，兩種天線頻率對給水管道的平面定位相同，均為2.5m；但定深有微小差別，二者相差僅1cm。然而通過對比還可以看出，當天線中心頻率由100MHZ 提高至250MHZ，波長由0.81m減小到0.324m，所以使得圖記錄分辨率有了明顯的提高，縱向上的分層能力得到了加強，管道兩側介質的變化也在剖面上有了顯示。這說明，在探測平行密集的金屬管道或非金屬管道時，應提高天線的中心頻率，并拓寬頻帶寬度。以上結果可以看出：在應用探地雷達方法進行探測時，技術參數的選擇是非常重要的。另外，為了在探地雷達剖面上對目標體的埋深作出精確解釋，應在不同地區、不同路段，選擇已知埋深的管線，對波速進行實地測定。

3.2 多管線探測實例

根據雷達記錄，可以解釋出在該剖面上共有五條地下管線，其平面位置分別為：2.2m、6.4m、8.6m、12.0m以及20.0m；反射波同相軸極小點所表示的管頂埋深分別為1.4m、1.8m、1.4m、1.4m和1.8m。其中，水平位置分別在6.4m 和8.6m 兩處的異常響應較弱。結合實地情況，并運用管線儀驗證，它們是專業屬性分別為電力電纜（槽盒底）、排水管道（管頂）、煤氣管道（管頂）、給水管道和給水管道（管頂）的反射異常。

從以上雷達剖面可以看出，由于探地雷達所接收的信號是地下具有不同電磁性質介質的界面反射，所以，當包括地下管線在內的地下埋設物以及局部不均勻體的分布十分復雜時，脈沖在通過地下介質的過程中，波形和波幅將發生較大的變化。另外，由于脈沖余震、系統干擾、地下介質不均勻引起的散射以及剖面環境干擾，均使得雷達實時記錄圖象容易發生變化而難以分辨。如果覆蓋層中有較多的雜填土（如磚塊、水泥塊等建筑垃圾），則使雷達反射波組變得紊亂，難以對管道反射異常作出正確得判斷，更談不上精確定位和定深。因此，在復雜地區進行管線探測時，應結合實地調查，并將探地雷達與金屬管線探測儀密切配合，發揮各自優勢。

4 總結

本文應用研究理論和實際工程相結合證明，探地雷達探測技術能夠對地下管先進行可行性的探測。

探地雷達作為一種無損檢測設備，具有快速、連續、高精度、高分辨率、實時成像的特點，探地雷達的探測深度和分辨率是表明其探測能力的重要技術參數，而探測深度和分辨率都與工作頻率有關，所以工作頻率的高低直接控制探地雷達的探測能力，只有合理選擇收發天線間距、測點點距、記錄時窗、時間采樣率、天線的工作方位、天線尺寸與脈沖寬度等參數，才能獲得比較理想的探地雷達探測記錄資料，更全面地反映地下管線真實情況。

在探地雷達的實際應用中，地表的強烈反射波、直接耦合波、噪聲干擾等干擾因素很可能會將有用信息掩蓋，嚴重影響圖像的質量，并且獲得的圖像資料需要專業人士進行解釋，這就使得資料解釋有很大的主觀性，并且無法人為的分辨出地下管線的精確位置，也就無法采取相應的緊急措施。

參考文獻

[1] 李大心，探地雷達方法與應用，北京：地質出版社1994.12 ISBN 7-116-01771-2

[2] 劉傳正，地質災害勘查指南，北京：地質出版社