地質雷達探測非金屬管線技術探討

文/謝宏橋 長沙市規劃勘測設計研究院 湖南長沙 410000

1、引言

隨著我國城市化進程愈來愈快，人們開始重視地下空間的有效利用，相應的，地下管線的數量也不斷增多，隨著新材料的發展，管線材質也在不斷地推陳出新，非金屬材質（如：PVC、PE、PCCP、PP等）的管道被大范圍地應用到了地下管線的建設中去。特別地，由于非金屬管線具有重量輕、便于運輸、便于安裝、防腐性強、不會對介質造成二次污染等優勢，能夠使得地下管線工程的施工更加方便順利，所以，非金屬管線被大量應用到了給排水管道與煤氣管道中。在市政工程施工時，為了避免工程對地下管線造成破壞，施工單位必須在開始施工前對施工區域內的地下管線進行詳細的排查，此排查工作的探測技術一般采用的是地質雷達探測技術。

2、地質雷達探測技術的原理

如果使用傳統的地質探測技術來探測非金屬管線，并不能得到理想的效果，也不能滿足探測要求，但是，利用地質雷達探測技術就可以得到滿意的效果。對于地質雷達探測技術，利用其對非金屬管線進行探測依據的主要原理是電磁波的傳播。當地質雷達向有耗介質發射高頻的電磁波時，其傳播形式主要是寬頻帶短脈沖。在對地下管線進行探測時，如圖1所示，若被探測地區的地下介質完整且均勻時，電磁波不會有反射現象，即使有，被反射的能量也是非常弱的，但是，若被探測地區的地下有探測目標的存在或者有其他異?，F象，雷達發射的高頻電磁波會被反射，而且，電磁波反射的路線、波形、強度會隨著探測介質的幾何特性、電性特性的變化而變化，所以，當技術人員在進行探測時，可以通過雷達所發射的電磁波有沒有發生發射、反射的信號是什么樣的、接受電磁波的時間等實際情況來分析探測地區的地下介質的構造、結構等情況，比如，在探測非金屬管線時，簡單來說，如果地下無探測目標，則雷達發射的信號不會發射反射，接受到波的時間會比較早，波形會很均勻；反之，接收到波的時間會比較晚，而且波形會因高頻電磁波發生了反射而變得復雜。具體來說，地質雷達發射的電磁波的信息傳播分為水平層面和豎直層面，其中，水平層面的電磁波波形是一條水平線，如果被探測區域的地下沒有管線，水平層面的電磁波的回波會同時回到雷達系統中，反之，電磁波會產生反射，碰到管線側邊的電磁波回因反射傳播更久的時間，其回到雷達系統中的時間也會更晚，此時，電磁波就不再是水平傳播，會呈拋物線。由此原理來看，地質雷達探測技術的工作過程并不會對管線、建筑物等造成破壞，將其應用到建筑工程的探測中，不僅有分辨率高、精度高的有點，還不會造成任何破壞，因此，地質雷達探測技術被廣泛地應用到了工程中去。

圖1 地質雷達的工作原理

3、地質雷達探測發非金屬管線的具體方法

3.1 選取恰當的儀器設備參數

在地質雷達探測技術的應用中，最主要的設備就是雷達，在工作開始前，應當先對儀器設備的參數進行設置，需要設置的參數主要有：中心頻率、時窗、采樣率等。

3.1.1 選擇合適的中心頻率

在選擇時，首先應當對計劃探測的非金屬管線（下文中稱為探測目標）的深度、大小結構進行確定，然后了利用公式確定中心頻率。一般情況下，可用頻率分別為100MHz、300MHz、500MHz的雷達天線利用剖面法測量。

3.1.2 確定時窗的具體數值

確定時窗的數值時應當考慮探測的最大深度、電磁波在相應介質中的傳播速度，根據公式（2.6h/v，h：最大深度，v：電磁波在相應介質中的傳播速度）得出時窗的具體數值。

3.1.3 確定采樣率

采樣率能夠反映反射波的采樣點間相差的時間。確定采樣率時，可采用Nyquist采樣定律，一般來說，采樣率比反射電磁波的最高頻率的兩倍還要大。對于大多數雷達系統，其發射的脈沖的能量可覆蓋很廣范圍的頻率，所以，采樣率至少應是中心頻率的3倍。為了使探測過程足夠完整，一般選擇采樣率為中心頻率的7倍左右。

3.2 確定管道的深度

設定好儀器設備的參數后，就可以確定管道的埋設深度。管道的埋設深度固定且可通過公式（v＊t/2,v：電磁波在土層中的傳播速度 ,t：電磁波從地表傳播到管線和土層的分界面所需時間的2倍值）計算得出。

實際上，技術人員一般用專用的雷達測試軟件來確定管道的深度，我們只需要輸入電磁波在土層中的傳播速度，軟件就能輸出深度剖面圖或者地下各處的深度值，軟件的輸出很直觀，所以應用非常便捷。此外，從土層的反射波振幅與截面反射波相位特征，我們能夠大致得到管線的頂界面和大小，再結合反射波的相位特征還能夠得到管線的底界限。

圖2 圓形水泥管的雷達圖像

3.3 合理布置探測線路

布置探測線路也是一個很關鍵的步驟。理想情況下，探測地下管下應當垂直布線，這需要我們非常熟悉管線的分布與位置，這是不可能的，由于在探測的實際操作中，很多信息，尤其是管線的分布，都是未知的，為了使管線的探測更加準確、有效率，我們需要認真布置探測線路。

在探測的實際操作中，我們首先要對探測區域內的具體資料及管線進行初步的分析，在確定探測線路的間距后，對區域用等距測線進行分區，沿橫向、縱向兩個測量方向進行掃描，就能夠完成對整個探測區域的掃描。這樣得到的布設路線圖就是雷達區域測網。這個線路圖需要技術人員根據實際的地質情況進行設計，如果設計出了合理的探測線路，就能夠高效地完成探測任務。

3.3.1 確定測線間距

確定測線間距是布置測線的基礎步驟、關鍵工作，進行這個步驟時必須考慮到整個被探測區域的情況，需要根據區域情況調整測線間距，需要重點探測的局部位置，應當適當增加測線數量，相應地，也要減小測點距離，這樣能夠使探測的質量更高、更準確。

此外，探測線路與雷達的天線有某種聯系。在實際的探測中，會存在探測盲區，隨著探測間距的增大，探測盲區的深度和面積也會增大，他們都和天線主瓣的寬度角有關系。若地下管線埋設位置比較淺，那么應當選擇較小的探測間距，但是，與其他探測目標不同的是，地下管下是細長狀的，其截面大小固定，所以在探測時，可以將其側線間距適當放寬，從而減少探測次數、提高效率。

3.3.2 確定測線方向

在完成探測間距的確定工作后，還要確定其方向，如果能夠選擇一個合適的側線防線，就能夠使得探測圖像的質量有效提高，也能使得探測質量大大提高。在選擇測線方向時，一般會選擇垂直走向，所以，技術人員在進行探測工作之前，需要先詳細了解管線的相關資料、摸清管線的走向，然后選擇垂直于管線長軸的方向作為測線方向，這就是最佳測線方向。在城市中，由于大部分非金屬管線的管線會比較小，如果將平行管線方向確定為測線方向，很容易出現漏測情況，使得探測質量整體下降。

4、對探測數據的處理

一般情況下，技術人員會用專業軟件對探測數據進行處理。從地質雷達探測技術的探測結果中，我們獲得的主要信息是探測目標的形狀、位置、結構，在采集探測目標的時候，雷達系統在接受反射信息的同時，會接收到各種類型的干擾信息，只有將數據進行處理，對干擾電磁波進行壓制、減少，才能使得有效信息凸顯出來，從而使雷達能夠準確分辨出來，從而使得數據的判斷更加準確。去除干擾波常用的方法有三種，分別是：數字濾波、影像的增強處理、反褶積。

結語：

綜上所述，對于非金屬管線的探測，地質雷達探測技術有非常顯著的識別能力與實踐效果。在利用地質雷達技術進行實際探測操作時，應當先從實際情況出發，將以雷達為首的儀器設備的參數合理設定，然后在布置測線時，要先進行管線埋深的確定，在此基礎上進行探測線路的合理布置，再因地制宜確定探測線路的具體間距與方向。此外，為了避免干擾波對數據的干擾，應當對其進行處理。