論地質(zhì)雷達(dá)在城市非金屬地下管線探測中的應(yīng)用

（西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司 陜西西安710199）

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隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，地下電纜、管道的密集度越來越大。它們的安全直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)建設(shè)、市民生活，同時(shí)，也影響到施工人員的人身安全。因此，地下工程中如何在施工時(shí)避免破壞這些地下管線就變得越來越重要。

非金屬管線地質(zhì)雷達(dá)傳播參數(shù)

隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，地下電纜、管道的密集度越來越大。它們的安全直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)建設(shè)、市民生活，同時(shí)，也影響到施工人員的人身安全。因此，地下工程中如何在施工時(shí)避免破壞這些地下管線就變得越來越重要。近年來，PE、PP、PVC、混凝土等非金屬管線被廣泛地運(yùn)用于城市地下管線建設(shè)工程之中，在給水、煤氣和排水管道中更是大量采用，使用傳統(tǒng)的金屬管線探測儀已無法完全滿足現(xiàn)有的管線探測需要。對這些非金屬管線的探測已逐漸成為管線管理部門和施工單位的一大難題。而今天地質(zhì)雷達(dá)的使用從本質(zhì)上解決了這一問題。

1 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，地質(zhì)雷達(dá)以寬頻帶短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波(100M～500MHz)，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)為均勻完整時(shí)，雷達(dá)波基本不發(fā)生反射或反射能量很弱；當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)存在較大差異或存在異常目標(biāo)體時(shí)，雷達(dá)波會在界面發(fā)生反射；其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性特征和幾何形態(tài)的不同而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間(亦稱雙程走時(shí))、幅度及波形資料，可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和反射界面的深度。

表1

在對接收天線接收到的雷達(dá)波進(jìn)行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)接收到的雷達(dá)波形、強(qiáng)度、雙程時(shí)間等參數(shù)便可推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對地下隱蔽目標(biāo)物的探測。我們可以看到，一個(gè)水平的層面的信息是一條水平的軌跡，而一些小的結(jié)構(gòu)物，諸如管線，則會形成一個(gè)拋物線式的軌跡。這是因?yàn)?，水平層面的回波同時(shí)回到雷達(dá)系統(tǒng)；而諸如管線之類的小的結(jié)構(gòu)物則因?yàn)楣芫€側(cè)邊上的回波需要更長的時(shí)間才能回到雷達(dá)系統(tǒng)。所以會形成拋物線的形態(tài)。這是一種非破壞性的探測技術(shù)，可以安全地用于城市建設(shè)中的工程場地，并具有較高的探測精度和分辨率。

2 地質(zhì)雷達(dá)在管線探測中的應(yīng)用

2.1 電磁波在地下介質(zhì)中的傳播參數(shù)

這里主要介紹與地質(zhì)雷達(dá)有關(guān)的傳播參數(shù)。地質(zhì)雷達(dá)的傳播參數(shù)主要是傳播的速度、衰減系數(shù)以及界面的反射系數(shù)。而這三個(gè)參數(shù)都與介質(zhì)的電磁性質(zhì)有關(guān)。常見介質(zhì)的電磁波傳播參數(shù)見表1。

2.2 垂向分辨率

無論地層或具體目標(biāo)體，都有上下2個(gè)面，假設(shè)這2個(gè)面跟圍巖或上下地層有明顯的電性差異，則在頂、底面上都能形成反射波，那么分辨率的概念就是分別從頂、底反射回來的2個(gè)脈沖不重疊，或重疊的不厲害，能分得開。我們將這段能分得開的最小距離稱為垂直分辨率。

2.3 橫向分辨率

如果把垂向分辨率說成時(shí)間分辨率，那么，橫向分辨率更多體現(xiàn)為空間分辨率的概念。射線理論認(rèn)為，地下界面上的反射來自由斯奈爾幾何定律描述的1個(gè)點(diǎn)，但實(shí)際上，雷達(dá)波的傳播還有波動(dòng)性的一面，由波動(dòng)理論，當(dāng)入射波前到達(dá)界面上形成反射波時(shí)，是以“反射點(diǎn)”為中心點(diǎn)的1個(gè)面上反射的綜合，它們是以干涉形式形成能量累加或相減的帶狀分布的。將圍繞反射點(diǎn)能量累加的這一圈反射干涉帶稱為菲涅爾帶(Fresnel帶)。

2.4 參數(shù)的選擇

在使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測時(shí)，進(jìn)行合適的參數(shù)設(shè)置和選取，對探測到目標(biāo)體以及正確反應(yīng)出目標(biāo)體的正確信息非常重要。地質(zhì)雷達(dá)主要須考慮的參數(shù)有中心頻率、采樣時(shí)窗、采樣率以及天線距。

2.5 不同管線雷達(dá)成像對比

這里以不同管徑、不同埋深的排水管線為例，儀器采用瑞典MALAX3M二維雷達(dá)，分別說明雷達(dá)在管線探測中的應(yīng)用。

（1）管徑、材質(zhì)和內(nèi)容物相同，深度不同。

（2）相同場地和材質(zhì)，近似深度，不同管徑。

3 結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)由于使用的是高頻寬頻帶短脈沖電磁波和高速采樣技術(shù)，其探測的分辨率要高于其它地球物理方法。但是，這不能說明地質(zhì)雷達(dá)就是無所不能的。事實(shí)上，地質(zhì)雷達(dá)在地下非金屬管線探測的應(yīng)用中也有其局限性，對于大埋深小管徑的管線地質(zhì)雷達(dá)也無能為力、地質(zhì)雷達(dá)的探測深度也是亟待解決的問題，一些目標(biāo)體異常尺寸足夠大但電性差異與周圍介質(zhì)相差不大也不易被探測出。為此，針對管徑小等問題還有待于人們的進(jìn)一步研究。

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論地質(zhì)雷達(dá)在城市非金屬地下管線探測中的應(yīng)用

■夏鵬王玉潔

F407.1[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-10-197-1