面向電力建設地層情況勘探的探地雷達系統設計

摘要：輸電線路和變電站作為電力系統的重要組成部分，針對其建設過程中可能出現的地層情況不明帶來的施工問題，文章設計了一種探地雷達系統。該系統由雷達本體和介質分析軟件2部分構成，其中介質分析軟件部分可以準確判別并顯示地層介質的埋深和類型，通過變電站現場實測證明了該系統的有效性。

關鍵詞：探地雷達；地層探測；成像分析

中圖分類號：TM757.1" 文獻標志碼：A

作者簡介：陳秋航（1994— ），男，助教，碩士研究生；研究方向：雷達探測技術。

0" 引言

隨著我國電力行業的蓬勃發展，輸電線路里程不斷增加。根據國際能源署頒布的報告，為了實現“雙碳”以及可持續發展的目標，目前全球需要改造或新建的輸電線路里程約為0.8億km。輸電線路和變電站一同作為發電廠和用戶間的紐帶［1］，其新建、擴建和改建都是必然趨勢。而無論是輸電線路還是變電站的建設，都離不開對地下情況的探測。尤其對于年代較為久遠的變電站內部，其地層介質種類多、地下管線布局復雜，考慮到可能存在變電站圖紙老舊等情況，貿然動工會對地下的重要管線（例如電纜、水管等）造成破壞。因此，對于地下管線的類型識別、深度定位都是值得研究的問題。目前，學術界對于電力類的地下勘探工作并無定法，主要是以公路探測、礦區探測和市政探測為主，主流方法為陀螺儀法［2］、雷達探測法等。本文介紹了一種適用于電力工程行業的地層情況勘探探地雷達系統，能夠有效完成地層介質類型的識別和定位。

1" 探地雷達工作原理介紹

探地雷達作為一種應用廣泛的地下介質探測裝置，目前在城市地下管線探測、公路地下情況探測和電力工程類探測方面應用較為廣泛。相較于其他地下管線探測方法，探地雷達在探測深度、便攜性具有明顯優勢，且其無須挖掘地表，不會造成地表破壞或工期延誤，實用價值高。探地雷達探測的基本原理如圖1所示。

探地雷達基本的工作原理是不同介質對于電磁波的反射波形有所差別，因此其能夠反映不同的介質類型。地層介質的埋深可表示為：

h=（vt）2-x22（1）

其中，t和v分別為電磁波在地層中的雙向傳播時間和傳播速度，x為探地雷達接收天線和發射天線間的距離［3］。

考慮到雷達接收天線和發射天線之間的距離一般遠小于地層介質的埋深，即滿足xh，此時可對式（1）進行簡化，得到式（2）。

h=ct2εr（2）

其中，c為發射電磁波的波速，一般取其在真空中的速度，為常數；εr為相對介電常數。

考慮探地雷達在應用時，地層介質的表面多為水泥、土壤或堅硬的巖石，上述物質對電磁波的損耗通常可以忽略。故本文不考慮該類介質對于電磁波的衰減作用，僅考慮地層介質對電磁波的反射作用。

2" 探地雷達系統介紹

2.1" 雷達系統構成

本探地雷達系統由雷達本體和探測軟件2部分構成，其構成如圖2所示。

雷達本體的天線負責探測電磁波的發射與接收工作，其內置的微處理器單元能夠將探測信號傳遞到電腦主機的探測軟件中。考慮到地層介質的埋深有所不同，可通過功能按鍵和微處理器對探測信號的頻率進行設定，設定頻率的大小與探測深度成反比，設定探測頻率越高，其分辨率越大。探測頻率和探測深度關系如表1所示。噪聲處理單元用于降低探測過程中出現的噪聲信號，以提高信噪比。

探測軟件利用便攜式筆記本電腦作為探測數據接收端，對探測數據進行實時處理和探測波形顯示。地層介質解析部分可以顯示地層介質的具體類型和深度。利用配套的Wi-Fi裝置可以實現雷達主機和探測軟件的連接，避免有線連接的各種不便。接收天線的回波經過算法處理變成直觀的波形數據供探測人員查看，地層介質解析部分利用表格和標注的形式對地層介質給出直觀的解釋，避免人為判斷帶來的失誤。

2.2" 數據采集方式

本系統采用A-Scan法對地層介質進行掃描，A-Scan法是一種一維掃描方式，可顯示在不同深度下地層介質的反射波形。地下電纜A-Scan波形如圖3所示，該波形是某一路段地下電纜的反射波形。

圖中，橫軸代表采樣時窗，縱軸為反射波形的電壓值。該反射波形表示隨著時間變化的探測物體的反射波形值。縱軸變化越劇烈，表面其反射越強。由于電纜周圍存在明顯的電磁場效應，通常情況下其波形反應較為劇烈。

3" 探地雷達系統的應用

本章通過實地探測驗證本系統的實用性，選取擬擴建變電站的某一區域作為實地探測點。該變電站投入運行時間較久，加之中途歷經擴建、改造，原有圖紙無法準確反映其地下各類管道的走線，對其進行探測具有很好的實際意義。實地探測現場如圖4所示。

分別對2段道路的探測圖像進行分析，如圖5所示為第一次地層情況實時探測的數據。

由圖5可以看出：2和3處的反射波形特點相似，為尖銳短波，該波形一般為水管等不帶電介質。1處的波形持續時間長且雜亂無章，振蕩十分劇烈，符合電纜對于電磁波的反射特性。后經過現場開挖，確定探測結果無誤。

如圖6所示為一段較長距離的探測波形的地層介質分析。

本文利用地層介質分析軟件對生成的探測波形圖進行一鍵分析。上方區域為探測波形的反射波形，下方區域為探測波形具體的參數。各類介質通過紅色方框進行標記，標明其序號、具體介質類型以及埋深。其A-scan波形可通過點擊上方區域進行顯示，下方區域的具體參數與上方區域灰度圖的標記一一對應。后經現場開挖驗證，地層介質分布、埋深和類型均與本系統探測情況相同。

4" 結語

探地雷達作為一種成熟的地層介質探測方式，已經被廣泛應用于不同的探測場景。本文針對電力行業地層介質探測的問題，設計了一種適用于輸電線路、變電站等場景的探地雷達系統，該系統不僅可以實時顯示地層探測結果的波形，還能夠對探測結果進行一鍵分析，直接顯示各類介質的類型、埋深等數據，避免了人工查看煩瑣的工作流程、判斷地層介質缺乏準確性等問題。通過某變電站內部以及不同區域的實地探測和開挖驗證，本文證明了該系統的準確性和實用性。本探地雷達系統體積較小、通信方式簡單，便于攜帶、組裝，具有很好的推廣價值。

由于條件所限，目前該雷達系統還不能做到對介質進行具體的劃分，例如在復雜的地層情況下，非金屬類介質可能包括地層空洞、水管、不同類型的巖石等，而目前該系統只能將上述介質全部歸結為非金屬類介質。此外，該系統在擴展性上存在提升空間，例如結合全球定位系統對探測到的介質進行實時標記并導入相應的繪圖軟件，從而生成具體的地層介質分布圖。

參考文獻

［1］戴璐.智能機器人在輸配電線路巡檢中的應用［J］.無線互聯科技，2024（5）：87-89.

［2］胡玉洋，葉榮華，陳長青.寧波市深埋非開挖管線探測方法與應用研究［J］.測繪通報，2021（增刊2）：156-161.

［3］耿宵慧，陳秋航.探地雷達技術在電力建設中的應用研究［J］.重慶電力高等專科學校學報，2023（6）：17-20.

（編輯" 沈" 強）

Design of ground penetrating radar system for exploration of strata conditions in power construction

CHEN" Qiuhang

（Chongqing Electric Power College， Chongqing 400053， China）

Abstract： Transmission lines and substations are the important components of the power system. In order to solve the construction problems caused by unknown stratum conditions that may occur during their construction， a ground penetrating radar system is designed. The system consists of two parts：the radar body and the medium analysis software. The medium analysis software can accurately identify and display the buried depth and type of the stratum medium. The effectiveness of the system is proven through the field measurements of substations.

Key words： ground penetrating radar; stratum detection; imaging analysis