探地雷達技術在地下管線探測中的應用研究

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摘 要：探地雷達（Ground Penetrating Radar， GPR）技術是一種基于電磁波反射原理的無損、非侵入性探測手段，被廣泛應用于地下管線定位、城市基礎設施監測、地質勘探等多個領域。基于反射法和剖面法，GPR能夠獲取地下物體的反射信號，從而判斷其位置、形態和深度。然而，在復雜地質環境中，非金屬管線和光纜的探測仍然是技術難點。針對這一問題，雙曲線特征定位方法能夠增強管線定位的準確性；多頻天線組合應用能夠擴展GPR在不同管線類型探測中的適用性；數據濾波技術則能減少噪聲干擾，提升信號質量。

關鍵詞：探地雷達技術 地下管線探測 反射法 金屬管線探測

Application of Ground Penetrating Radar Technology in Underground Pipeline Detection

WANG Junxing

CNNC Seventh Research and Design Institute Co.， Ltd.， Taiyuan， Shanxi Province， 030032 China

Abstract： Ground Penetrating Radar （GPR） technology is based on the principle of electromagnetic wave reflection and is a non-destructive and non-invasive detection method widely used in various fields such as underground pipeline positioning， urban infrastructure monitoring， and geological exploration. Based on reflection and profiling methods， GPR can obtain the reflection signals of underground objects， thereby determining their position， shape， and depth. However， in complex geological environments， the detection of non-metallic pipelines and optical cables remains a technical challenge. To address this issue， the hyperbolic feature localization method can enhance the accuracy of pipeline localization， the combination of multi frequency antennas can expand the applicability of GPR in detecting different types of pipelines， and data filtering technology can reduce noise interference and improve signal quality.

Key Words： Ground penetrating radar technology; Underground pipeline detection; Reflection method; Metal pipeline detection

地下管線是工業廠區的重要組成部分，其高效管理對工廠的運行安全具有重要意義。由于管線埋設環境復雜，金屬和非金屬管線、光纜的分布特點各異，傳統探測方法（如開挖驗證）存在破壞性大、效率低等問題，已難以滿足現代工廠運維管理的需求。探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）技術以其高分辨率、非侵入性和實時性等優點，為地下管線探測提供了全新的解決方案。然而，地下介質的異質性與目標特性的差異仍對探測效果構成限制，表現為信號衰減、噪聲干擾等具體問題。因此，如何優化GPR探測參數與數據處理方法，進一步提升其探測適用性，是當前技術發展的核心方向。

1探地雷達技術的基本原理

GPR技術基于高頻電磁波在地下介質中的傳播特性，通過分析電磁波的反射和折射行為，實現對地下結構的無損探測。其核心原理基于麥克斯韋方程組描述的電磁場理論，結合電磁波在不同介質界面上的反射系數和透射系數，確定地下目標的位置和特性^[1]。在GPR系統中，發射天線以脈沖形式發送高頻電磁波，頻率范圍通常在10 MHz～2.6 GHz之間。電磁波在地下介質中傳播時，其速度受介質的相對介電常數（ε_r）和電導率（σ）的影響。例如：干燥砂土的相對介電常數約為3～5，對應的電磁波傳播速度約為0.15～0.17 m/ns；水的介電常數高達80，波速僅為0.033 m/ns。介質間的電性差異導致電磁波在界面處產生反射和折射，反射系數R可表示為

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<！[endif]--><！--[if ！vml]-->式（1）中：Z₁和Z₂分別為入射介質和反射介質的阻抗，定義為

式（2）中：μ為介質的磁導率；ε為介質的介電常數；v為電磁波在該介質中的傳播速度。對于常見的非導電介質（如土壤和空氣），μ可近似為自由空間的磁導率（μ₀），因此，反射系數主要由介電常數的差異決定。

接收天線捕獲從地下目標反射回來的電磁波信號，這些信號的振幅、相位和到達時間包含了地下結構的信息。通過對接收到的時域信號進行傅里葉變換，可轉換為頻域信號，便于分析不同頻率成分的衰減和相位變化。隨后，應用數字濾波技術去除噪聲和不相關信號，提取有效反射信號的特征。通過對處理后的信號進行反演分析，確定地下目標的深度、形狀、材質等信息（如圖1所示）。GPR技術憑借其高分辨率和非侵入性的優勢被廣泛應用于地下管線探測、考古調查和地質勘探等領域。

2探地雷達用于管線探測的方法與位置判斷

2.1探測方法

2.1.1反射法

反射法是GPR管線探測中常用的一種高效方法。其原理是利用電磁波在地下介質中傳播時的反射特性，當波遇到介電常數差異較大的目標（如金屬或塑料管道）時，會產生明顯反射信號^[2]。通過分析回波信號的振幅、波形特征和到達時間，可以準確推斷管線的埋深、材質和走向。反射法的探測效果在很大程度上依賴于關鍵參數的設置。

（1）時間窗。其用于控制雷達記錄的時間范圍，直接影響探測深度的覆蓋范圍。根據公式（3）：

式（3）中：T 為時間窗寬度（單位：ns），即信號從發射到接收的總時間；d為探測目標的埋深（單位：m）；v為電磁波在介質中的傳播速度（單位：m/ns），可以通過地下介質的相對介電常數ε來計算。

常見時間窗設置為50 ～100 ns，以覆蓋1 ～5 m的埋深范圍。對于淺層目標（小于1 m），時間窗可縮短至20～30 ns，避免多余數據采集。

（2）天線間距。標準天線間距通常為0.5～1 m，以避免因距離過大而導致的信號衰減或目標失真。在目標管線密集分布區域，間距可適當縮小至0.3 m，以增強目標區分能力。

反射法適合探測單一目標、埋深適中的管線（1～5 m），在非金屬管線或高濕度環境中表現較為優越。對于存在交錯或復雜背景的區域，反射法信號需要結合剖面法進行交叉驗證，以確保探測精度和數據可靠性。

<p style='\"margin-left：23.95pt">2.1.2剖面法

剖面法是GPR技術中常用的一種探測方法。其通過多次采集不同位置的雷達掃描數據，生成地下介質的二維剖面圖，用于準確定位管線及評估其連續性。該方法基于雷達信號在水平和垂直方向的累積成像技術，能夠提供目標的完整形態特征。其步驟如下。

（1）平移掃描。沿管線走向或垂直于管線方向，布設均勻間距的測線，進行多次掃描，以采集不同位置的雷達數據。標準掃描間距為0.1～0.3 m，具體取決于管線分布的復雜程度和目標大小。在密集管線區域，掃描間距可減小至0.1 m，以提高分辨率和探測精度。

（2）數據疊加。對多組雷達記錄進行疊加處理，以生成高分辨率的剖面圖。處理過程中，常采用希爾伯特變換，用于增強反射信號的包絡特征，同時結合振幅歸一化技術，以突出目標與背景的差異。數據處理的關鍵在于濾除噪聲，增強目標特征，使剖面圖清晰呈現埋藏物的空間分布。

（3）圖像分析。利用剖面圖中的高亮反射帶和異常信號區域，結合速度校正和介電常數反演，精確計算管線的位置、埋深和走向。

剖面法在復雜管線網絡的探測中表現優越，特別適合處理多層交錯、彎曲管線等復雜情況。例如：用三維探地雷達（如：IDS STREAM-C）進行復雜管線的三維高精度探測，可以通過加密測線剖面實現大數據覆蓋，利用內置600 MHz雙極化高分辨率32通道天線獲取高精度信息，并結合RTK/TPS實現高精度軌跡追蹤和異常定位，最終提供類似“CT”般的三維切片，使管線判讀更加直觀、準確，作業效率更高（如圖2所示）。

2.2管線位置與埋深判斷

管線位置和埋深的精準判斷是GPR技術地下探測應用的關鍵，其核心在于回波信號的特征解析和數學模型的精確應用。目標管線的平面位置通常通過雷達圖像中的雙曲線頂點來確定，這種特征源于電磁波在圓柱形目標上反射形成的獨特模式。雙曲線的形狀和頂點位置與管線埋深、天線頻率和目標介質特性密切相關^[3]。例如：使用 250 MHz 天線探測埋深 2 m 的金屬管線時，其典型雙曲線頂點間距約為 0.5 m。埋深判斷依賴電磁波的傳播速度（v），該速度由目標周圍介質的相對介電常數（ε_r）決定，計算公式為

式（4）中：c為電磁波在真空中的速度，約為0.3 m/ns；ε_r 值范圍如下：干砂為4～6，濕黏土可達10～20。

利用多偏移距雷達數據，通常采用共中心點（Common Midpoint， CMP）法進行速度校正。結合雙曲線特征定位、速度校正、介電常數反演等技術，可以實現高精度的管線探測，為復雜地下環境中的規劃、建設及維護提供科學依據。

3探地雷達技術在地下管線探測中的應用

3.1金屬管線探測

在地下金屬管線探測中，GPR技術具有顯著技術優勢，其原理是基于高頻電磁波在不同介質界面上的反射特性和精確解析能力。金屬管線具有高導電性，能夠產生強烈的電磁波反射，形成特征明顯的雷達回波圖像，從而易于區分目標與背景噪聲^[4]。在實際探測中，天線頻率直接影響探測深度和分辨率。通常情況下，200 MHz屏蔽天線適用于探測埋深1～2 m的金屬管線，可以提供較高的圖像分辨率；對埋深超過5 m的管線，則需使用50 MHz天線，以確保電磁波的穿透能力。

在現場操作中，測線的布置需要與目標管線的走向保持垂直，測線間距通常為1～2 m，以充分覆蓋探測區域并減少盲區。為提高探測信號的質量，施工方應在布線前清理表面障礙物，確保天線與地面良好接觸，以減少耦合損失。時間窗的設置需要根據目標的最大埋深進行動態調整，例如：對于埋深2 m的目標管線，建議時間窗設置為80 ns。為進一步優化探測精度，建議采用背景去除技術消除環境靜態噪聲，通過快速傅里葉變換（Fast Fourier transform，FFT）增強反射信號特征，并結合時間切片方法快速定位目標深度。為確保復雜環境下的探測效果，可以結合多頻段探測和電磁建模技術，解決高導電性土壤或水分含量過高引起的信號衰減問題。

3.2非金屬管線探測

與金屬管線相比，非金屬管線的探測具有更大的技術挑戰，主要因其目標材質（如塑料、混凝土、陶瓷等）與金屬管線在電磁特性上有顯著差異。非金屬管線的探測精度和可識別性主要受電磁波傳播過程中介質的電導率和吸收指數影響。具體如下。

3.2.1介質電導率

非金屬管線周圍的介質通常具有較高的電導率，在潮濕土壤或黏性土壤中，電磁波的衰減顯著增加。例如：濕黏土的電導率可達到0.01～0.1 S/m，干燥砂土的電導率通常低于0.001 S/m。電導率高的介質會導致信號能量快速衰減，使探測深度和信號強度顯著降低。因此，在高電導率環境中，需選擇較低頻率的天線（如100～250 MHz）以增強穿透能力，同時結合數據增強技術（如去噪濾波）提高信號質量。

3.2.2電磁波吸收指數

電磁波吸收指數反映波在介質中傳播時的能量損耗。吸收指數隨頻率升高呈指數增長趨勢，因此，高頻天線雖能提供更高的分辨率，但在非金屬管線探測中可能受限于其穿透深度。例如：使用500 MHz天線探測塑料管道時，最大有效深度通常為1.5～2.0 m；200 MHz天線在同樣介質中可達3～4 m，但分辨率較低。因此，針對不同埋深和目標尺寸，應綜合考慮天線頻率和信號處理技術。

3.2.3數據處理技術

非金屬管線的介電常數與周圍介質差異較小，其回波信號相對弱且易混淆。為增強目標特征，常采用振幅歸一化和希爾伯特變換，突出目標物的包絡特性。

非金屬管線探測需要綜合考慮介質電導率、電磁波吸收特性與目標材質的介電常數。施工方應選擇合適的天線頻率、優化信號處理技術、采用智能算法，提高非金屬管線的探測精度和可識別性，為地下設施檢測提供有效支持。

3.3光纜探測技術

光纜探測技術是地下管線探測的重要領域之一。因光纜本身不具備顯著的電磁特性，其探測難度遠高于金屬管線和部分非金屬管線。光纜探測主要基于光纜與周圍介質之間的介電常數差異^[5]。例如：塑料包覆的光纜ε_r通常為 2～4；土壤的介電常數根據濕度和密度的不同而不同：干砂約為 4～6，濕黏土可高達 10～20。這種差異會在光纜邊界形成反射信號，成為探測的關鍵線索。然而，高濕度或高電導率的介質（如飽和土壤，其電導率 σgt;10^?2 S/m ）會顯著增強電磁波的衰減，降低探測靈敏度。

針對淺層光纜的探測需求，通常選用高頻天線（400～900 MHz），提高淺層目標分辨率。其中，600 MHz 天線因在穿透力與分辨率之間表現均衡，被廣泛應用于埋深不超過 2 m的光纜探測。例如：IDS GeoRadar 的 Stream-C 系統采用高頻雙極化天線，能夠精確定位埋深 0.5～3 m的光纜，其定位精度達到 0.05 m。

為解決光纜導電性低、尺寸小、埋設環境復雜等問題，GPR技術需要結合多種優化手段。一方面，在光纜外部附加金屬引導線或利用內部金屬加強芯（電導率 σgt;10⁷S/m）作為標識點，可以顯著增強反射信號。另一方面，多頻探測設備可以同時采集低頻段（如 200 MHz）和高頻段（如 800 MHz）信號，實現復雜管線網絡的整體定位與光纜的精確探測。

在數據處理方面，采用卷積濾波和信號疊加，增強技術提升目標與背景的對比度，并結合三維建模工具（如 GPR-SLICE 或 ReflexW），生成光纜的空間分布模型，提高探測的可視化精度。結合高頻天線、多頻探測和數據優化技術，GPR 在光纜探測中已展現出良好的性能，被廣泛應用于地下通信設施的規劃和維護中，為復雜管線網絡的管理提供了可靠的數據支持。

4 結語

GPR技術是一項具有革命意義的無損探測手段，其廣泛應用深刻改變了地下管線的運維管理模式。然而，復雜的地下環境仍對其性能提出了嚴峻挑戰，僅依賴技術的優越性難以徹底解決問題。在實際應用中，技術創新應超越當前單點問題的解決思路，著眼于多領域協同，既滿足現代工廠管理的精細化需求，又為地下空間的長遠規劃提供科學依據，為老舊小區的改造及安全運行、可持續發展奠定堅實基礎。

參考文獻

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