探地雷達在地下管線探測中的應用

郭志偉 潘長風

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

·測量·

探地雷達在地下管線探測中的應用

郭志偉 潘長風

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

介紹了探地雷達探測技術的原理，從天線中心頻率、波速、時窗、測線四方面，總結了數據采集時參數的設置，并結合工程實例，闡述了數據處理的流程和方法，為今后同類研究提供參考。

探地雷達，地下管線，數據采集技術，波速

隨著國家經濟的快速發展，促使城市基礎建設投入不斷加大，地下管線在有限空間中呈現出縱橫交叉、密集并行等復雜的敷設狀態。現有的管線數據資料不完善，在地下管線維護、維修過程中難以精確定位各管線的空間位置，同時給城市地下設施的建設、規劃帶來諸多不便[1]。基于探地雷達探測地下管線技術，地下管線雷達圖像解譯時主要取決于探測人員的工程經驗，缺乏判識的客觀標準，故亟需建立豐富的地下管線雷達圖像庫[2,3]。雷達圖像的正確識別為今后地下管線的維護、維修等工作提供了保障，同時也為城市地下空間的開發利用提供可靠信息。

1 探地雷達探測技術的原理

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是以目標體與周圍介質的電性差異為基礎的一種電磁探測方法。它一般由控制單元、發射天線、接收天線、測距輪、計算機等幾部分組成。它以寬頻帶短脈沖形式向地下發射電磁波，電磁波在傳播過程中遇到電性差異(介電常數、電導率、磁導率)的介質，其路徑、波形及電磁場強度會隨之發生變化，通過接收天線收到來自不同介質分界面的反射波，確定地下被測目標體的空間位置[4,5]，如圖1所示。

2 探地雷達的數據采集技術

探地雷達參數的設置直接影響著探測效果，關系著是否可以準確獲得地下目標體的位置信息，合理地設置探測參數是取得最佳探測效果的保障，主要的探測參數有天線中心頻率、波速、時窗、采樣率等[6-8]。其次，在探測過程中，測線的布置方法對探測效果起著不可忽視的作用，故在數據采集時一定要遵循地下管線探測原則，確保探測效果達到最佳。

2.1 天線中心頻率的選定

探地雷達的探測深度主要由地下介質的電性和天線的中心頻率決定，介質導電性越好，其探測深度越小；天線的中心頻率越低，其分辨率越低，但探測深度卻增大。探測時的天線中心頻率由式(1)確定。

(1)

其中，f為天線的中心頻率，MHz；x為空間分辨率，m；εr為地下介質的相對介電常數，見表1。

表1 常見介質的物理參數表

2.2 波速的設置

探測地下管線時，對于地下不同的介質，介電常數、導電率均不同，其電性差異又關系著電磁波在地下介質中的傳播速度。如表1所示，已知地下介質的相對介電常數，利用式(2)直接求得波速。

(2)

其中，c為電磁波在空氣中的傳播速度，取3×108m/s；εr為對應介質的相對介電常數。

但在多數情況下，由于復雜的地下環境因素，雷達探測者并不能準確知道介質的介電常數，這時可以通過探測已知深度的目標體計算波速。假設目標體的深度值是h，電磁波在地下介質中的雙程時間為t,電磁波的速度見式(3)。

(3)

通過已知深度的目標體校對得到的波速具有更高的可信度，用求得的波速探測目標體埋深時精度更高。一般情況下，在現場數據采集時用式(2)估算電磁波的速度，但在后期數據處理中，為了準確地獲取地下目標體的有效信息，可采用式(3)校驗波速，然后確定地下目標體的埋深。

2.3 時窗的設置

時窗直接關系著雷達圖像中呈現的深度范圍，為了確保所探測目標體的回波信號有效性，應合理地設置時窗。時窗可按式(4)估算。

(4)

其中，ω為時窗，ns；hmax為雷達所探測的最大深度，m；1.3為電磁波傳播速度和目標深度的變化留出的余量值。

2.4 測線的布置

探地雷達和其他地球物理探測方法具有相似之處，探測時均需要遵循一定的探測原則，合理布置測線是保障良好探測效果的前提。測線布置時應注意以下幾個方面：1)基于探地雷達工程探測中，多數情況是將雷達天線貼地進行探測，天線與地面耦合越好，直達波的干擾影響越小。為了確保探測時不由天線顛簸影響探測效果，測線盡量布置在場地較為平整的地方。2)在探測地下管線前，探測人員首先要對現場的基本情況有所了解，布置的測線盡可能地避開對探測效果有影響的干擾源。3)對于地下管線這一目標體的探測，為了確保后期解譯圖像的準確性，探地雷達探測時的測線應盡量與所測管線垂直。

3 地下管線的探測實例

3.1 工程背景

工程實例是哈爾濱市某園區的地下管線探測。近幾年隨著該園區的不斷建設，地下管線種類繁多，敷設工況復雜，地下管線資料數據“打架”在所難免。為了方便今后地下管線維護、維修，在施工建設中避免挖斷管線的現象，該園區已建立一個完善的管線資料數據庫。依據該園區相關部門提供的管線走向圖紙及管線屬性資料，采用250 MHz的天線對部分管線進行探測試驗。

3.2 數據處理及探測結果分析

探地雷達采集的圖像是以脈沖反射波的波形形式進行記錄。在采集過程中，由于受地下多種因素的影響，采集的原始數據有或多或少的干擾波，致使所測圖像難以直接解譯。為了能準確解譯圖像，數據處理過程中必須提高信噪比，即削弱干擾波，增強有

效信號。筆者運用Reflexw后處理軟件對原始數據進行處理，主要流程如圖2所示，經處理后的雷達圖像如圖3，圖4所示。

從圖3中可以看出，在距離探測起點7.8 m和20.6 m處均有埋深為2.2 m的地下管線，電磁波反射的雙曲線清晰光滑，在兩條雙曲線的下方均有一條小弧線，這條小弧線是電磁波在管線底部的反射。根據電磁波在不同介質中的傳播特性，可以斷定這兩根管線均為非金屬材質，從雙曲線的曲率及兩翼長度判斷其兩管線直徑大小相近。圖4中左側有兩條相交的雙曲線，其中有一根管線在管頂和管底均有波反射，可以判斷其為非金屬管線，另一根管線波反射強度較弱，推測均為非金屬管線。圖像右側的雙曲線與圖像左側相似，兩條雙曲線頂點在同一深度，并且雙曲線曲率、兩翼長度相近，判斷其為兩根直徑大小一樣的管線。

4 結語

探地雷達技術具有高效、經濟、無損等優勢，它作為一種新型的探測技術，其可靠度逐漸被人們所認可。探地雷達技術應用在地下管線探測中，依據雷達圖譜特征可以提高判識圖像的精度，有利于對地下管線的維護、維修等工作。對于地下介質復雜的環境，可將探地雷達與管線探測儀結合使用，充分發揮各自的優勢，使探測效果最佳。

[1] 張 鵬,王旭東,王曉文,等.基于GPR的地下管線圖譜特征的正演研究[J].地下空間與工程學報，2014，10(2):304-311.

[2] 向 偉.基于探地雷達城市地下空間圖像的探測識別研究[D].長沙：湖南大學，2014.

[3] 尹光輝.基于GprMax的道路空洞探地雷達圖像正演模擬[D].長安：長安大學，2015.

[4] 于 穎.地質雷達技術在公路路面檢測中的應用[J].交通標準化，2014，42(12):5-7.

[5] 王先桃，包 太.地質雷達在某公路路面檢測中的應用[J].貴州大學學報，2010，27(3):114-117.

[6] 胡少偉，陸 俊，王國群.地質雷達在探測地下富含水區域中的應用[J].水利水運工程學報，2012(6):33-37.

[7] 趙艷玲，胡振琪，楊俊國，等.基于探地雷達的農田地埋管管徑探測[J].農業工程學報，2012，28(12):153-158.

[8] 蘇兆峰,陳昌顏,肖 敏.探地雷達探測地下管線的機理和應用研究[J].巖土工程技術，2013，27(4):191-195.

Application of Ground Penetrating Radar detect underground pipelines

Guo Zhiwei Pan Changfeng

(SchoolofArchitectureandCivilEngineer,HeilongjiangUniversityofScience&Technology,Harbin150022,China)

The paper introduces the principle for the Ground Penetrating Radar technique, sums up the allocation for the parameter in the data collection from the antenna center frequency, wave velocity, time window, and measurement, and illustrates the procedure and methods by combining with the engineering cases, so as to provide some reference for similar research.

GPR, underground pipeline, data collection technique, wave velocity

1009-6825(2017)20-0202-02

2017-04-24

郭志偉(1989- )，男，在讀碩士； 潘長風(1987- )，男，在讀碩士

TU195

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