探地雷達(dá)在地下管線(xiàn)探測(cè)中的應(yīng)用

郭志偉 潘長(zhǎng)風(fēng)

(黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

·測(cè)量·

探地雷達(dá)在地下管線(xiàn)探測(cè)中的應(yīng)用

郭志偉 潘長(zhǎng)風(fēng)

(黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

介紹了探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的原理，從天線(xiàn)中心頻率、波速、時(shí)窗、測(cè)線(xiàn)四方面，總結(jié)了數(shù)據(jù)采集時(shí)參數(shù)的設(shè)置，并結(jié)合工程實(shí)例，闡述了數(shù)據(jù)處理的流程和方法，為今后同類(lèi)研究提供參考。

探地雷達(dá)，地下管線(xiàn)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)，波速

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，促使城市基礎(chǔ)建設(shè)投入不斷加大，地下管線(xiàn)在有限空間中呈現(xiàn)出縱橫交叉、密集并行等復(fù)雜的敷設(shè)狀態(tài)。現(xiàn)有的管線(xiàn)數(shù)據(jù)資料不完善，在地下管線(xiàn)維護(hù)、維修過(guò)程中難以精確定位各管線(xiàn)的空間位置，同時(shí)給城市地下設(shè)施的建設(shè)、規(guī)劃帶來(lái)諸多不便[1]?；谔降乩走_(dá)探測(cè)地下管線(xiàn)技術(shù)，地下管線(xiàn)雷達(dá)圖像解譯時(shí)主要取決于探測(cè)人員的工程經(jīng)驗(yàn)，缺乏判識(shí)的客觀(guān)標(biāo)準(zhǔn)，故亟需建立豐富的地下管線(xiàn)雷達(dá)圖像庫(kù)[2,3]。雷達(dá)圖像的正確識(shí)別為今后地下管線(xiàn)的維護(hù)、維修等工作提供了保障，同時(shí)也為城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用提供可靠信息。

1 探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的原理

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)GPR)是以目標(biāo)體與周?chē)橘|(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)的一種電磁探測(cè)方法。它一般由控制單元、發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)、測(cè)距輪、計(jì)算機(jī)等幾部分組成。它以寬頻帶短脈沖形式向地下發(fā)射電磁波，電磁波在傳播過(guò)程中遇到電性差異(介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率)的介質(zhì)，其路徑、波形及電磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨之發(fā)生變化，通過(guò)接收天線(xiàn)收到來(lái)自不同介質(zhì)分界面的反射波，確定地下被測(cè)目標(biāo)體的空間位置[4,5]，如圖1所示。

2 探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

探地雷達(dá)參數(shù)的設(shè)置直接影響著探測(cè)效果，關(guān)系著是否可以準(zhǔn)確獲得地下目標(biāo)體的位置信息，合理地設(shè)置探測(cè)參數(shù)是取得最佳探測(cè)效果的保障，主要的探測(cè)參數(shù)有天線(xiàn)中心頻率、波速、時(shí)窗、采樣率等[6-8]。其次，在探測(cè)過(guò)程中，測(cè)線(xiàn)的布置方法對(duì)探測(cè)效果起著不可忽視的作用，故在數(shù)據(jù)采集時(shí)一定要遵循地下管線(xiàn)探測(cè)原則，確保探測(cè)效果達(dá)到最佳。

2.1 天線(xiàn)中心頻率的選定

探地雷達(dá)的探測(cè)深度主要由地下介質(zhì)的電性和天線(xiàn)的中心頻率決定，介質(zhì)導(dǎo)電性越好，其探測(cè)深度越??；天線(xiàn)的中心頻率越低，其分辨率越低，但探測(cè)深度卻增大。探測(cè)時(shí)的天線(xiàn)中心頻率由式(1)確定。

(1)

其中，f為天線(xiàn)的中心頻率，MHz；x為空間分辨率，m；εr為地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)介質(zhì)的物理參數(shù)表

2.2 波速的設(shè)置

探測(cè)地下管線(xiàn)時(shí)，對(duì)于地下不同的介質(zhì)，介電常數(shù)、導(dǎo)電率均不同，其電性差異又關(guān)系著電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度。如表1所示，已知地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，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(duì)應(yīng)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

但在多數(shù)情況下，由于復(fù)雜的地下環(huán)境因素，雷達(dá)探測(cè)者并不能準(zhǔn)確知道介質(zhì)的介電常數(shù)，這時(shí)可以通過(guò)探測(cè)已知深度的目標(biāo)體計(jì)算波速。假設(shè)目標(biāo)體的深度值是h，電磁波在地下介質(zhì)中的雙程時(shí)間為t,電磁波的速度見(jiàn)式(3)。

(3)

通過(guò)已知深度的目標(biāo)體校對(duì)得到的波速具有更高的可信度，用求得的波速探測(cè)目標(biāo)體埋深時(shí)精度更高。一般情況下，在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)用式(2)估算電磁波的速度，但在后期數(shù)據(jù)處理中，為了準(zhǔn)確地獲取地下目標(biāo)體的有效信息，可采用式(3)校驗(yàn)波速，然后確定地下目標(biāo)體的埋深。

2.3 時(shí)窗的設(shè)置

時(shí)窗直接關(guān)系著雷達(dá)圖像中呈現(xiàn)的深度范圍，為了確保所探測(cè)目標(biāo)體的回波信號(hào)有效性，應(yīng)合理地設(shè)置時(shí)窗。時(shí)窗可按式(4)估算。

(4)

其中，ω為時(shí)窗，ns；hmax為雷達(dá)所探測(cè)的最大深度，m；1.3為電磁波傳播速度和目標(biāo)深度的變化留出的余量值。

2.4 測(cè)線(xiàn)的布置

探地雷達(dá)和其他地球物理探測(cè)方法具有相似之處，探測(cè)時(shí)均需要遵循一定的探測(cè)原則，合理布置測(cè)線(xiàn)是保障良好探測(cè)效果的前提。測(cè)線(xiàn)布置時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：1)基于探地雷達(dá)工程探測(cè)中，多數(shù)情況是將雷達(dá)天線(xiàn)貼地進(jìn)行探測(cè)，天線(xiàn)與地面耦合越好，直達(dá)波的干擾影響越小。為了確保探測(cè)時(shí)不由天線(xiàn)顛簸影響探測(cè)效果，測(cè)線(xiàn)盡量布置在場(chǎng)地較為平整的地方。2)在探測(cè)地下管線(xiàn)前，探測(cè)人員首先要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的基本情況有所了解，布置的測(cè)線(xiàn)盡可能地避開(kāi)對(duì)探測(cè)效果有影響的干擾源。3)對(duì)于地下管線(xiàn)這一目標(biāo)體的探測(cè)，為了確保后期解譯圖像的準(zhǔn)確性，探地雷達(dá)探測(cè)時(shí)的測(cè)線(xiàn)應(yīng)盡量與所測(cè)管線(xiàn)垂直。

3 地下管線(xiàn)的探測(cè)實(shí)例

3.1 工程背景

工程實(shí)例是哈爾濱市某園區(qū)的地下管線(xiàn)探測(cè)。近幾年隨著該園區(qū)的不斷建設(shè)，地下管線(xiàn)種類(lèi)繁多，敷設(shè)工況復(fù)雜，地下管線(xiàn)資料數(shù)據(jù)“打架”在所難免。為了方便今后地下管線(xiàn)維護(hù)、維修，在施工建設(shè)中避免挖斷管線(xiàn)的現(xiàn)象，該園區(qū)已建立一個(gè)完善的管線(xiàn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)。依據(jù)該園區(qū)相關(guān)部門(mén)提供的管線(xiàn)走向圖紙及管線(xiàn)屬性資料，采用250 MHz的天線(xiàn)對(duì)部分管線(xiàn)進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)。

3.2 數(shù)據(jù)處理及探測(cè)結(jié)果分析

探地雷達(dá)采集的圖像是以脈沖反射波的波形形式進(jìn)行記錄。在采集過(guò)程中，由于受地下多種因素的影響，采集的原始數(shù)據(jù)有或多或少的干擾波，致使所測(cè)圖像難以直接解譯。為了能準(zhǔn)確解譯圖像，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中必須提高信噪比，即削弱干擾波，增強(qiáng)有

效信號(hào)。筆者運(yùn)用Reflexw后處理軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要流程如圖2所示，經(jīng)處理后的雷達(dá)圖像如圖3，圖4所示。

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

4 結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)技術(shù)具有高效、經(jīng)濟(jì)、無(wú)損等優(yōu)勢(shì)，它作為一種新型的探測(cè)技術(shù)，其可靠度逐漸被人們所認(rèn)可。探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在地下管線(xiàn)探測(cè)中，依據(jù)雷達(dá)圖譜特征可以提高判識(shí)圖像的精度，有利于對(duì)地下管線(xiàn)的維護(hù)、維修等工作。對(duì)于地下介質(zhì)復(fù)雜的環(huán)境，可將探地雷達(dá)與管線(xiàn)探測(cè)儀結(jié)合使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，使探測(cè)效果最佳。

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

[2] 向 偉.基于探地雷達(dá)城市地下空間圖像的探測(cè)識(shí)別研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2014.

[3] 尹光輝.基于GprMax的道路空洞探地雷達(dá)圖像正演模擬[D].長(zhǎng)安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[4] 于 穎.地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在公路路面檢測(cè)中的應(yīng)用[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2014，42(12):5-7.

[5] 王先桃，包 太.地質(zhì)雷達(dá)在某公路路面檢測(cè)中的應(yīng)用[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27(3):114-117.

[6] 胡少偉，陸 俊，王國(guó)群.地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)地下富含水區(qū)域中的應(yīng)用[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2012(6):33-37.

[7] 趙艷玲，胡振琪，楊俊國(guó)，等.基于探地雷達(dá)的農(nóng)田地埋管管徑探測(cè)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(12):153-158.

[8] 蘇兆峰,陳昌顏,肖 敏.探地雷達(dá)探測(cè)地下管線(xiàn)的機(jī)理和應(yīng)用研究[J].巖土工程技術(shù)，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(zhǎng)風(fēng)(1987- )，男，在讀碩士

TU195

A