探地雷達(dá)在地下管線探測中的應(yīng)用

周義銓 吳樹濤 張盛旺 辛 躍 黃聿相

（國網(wǎng)福建省電力有限公司寧德供電公司，福建寧德352100）

1 探地雷達(dá)的工作原理

探地雷達(dá)又稱透地雷達(dá)，其整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主體構(gòu)成包括電腦終端、雷達(dá)主機(jī)、電磁波發(fā)射電路、反射波接收電路、發(fā)射天線、接收天線。其工作原理如圖2所示，當(dāng)電磁波發(fā)射電路發(fā)射的電磁波在地層中傳播時，若遇到地層中波阻抗差別較大的區(qū)域，即該區(qū)域內(nèi)存在不同性質(zhì)的介質(zhì)相毗鄰時，電磁波就會在不同介質(zhì)的交界面上發(fā)生電磁波反射現(xiàn)象，而電磁波的反射波則會被探地雷達(dá)的接收天線檢測并接收，最后通過分析反射波的頻率、幅值等特性，作為判斷地下介質(zhì)類型的依據(jù)，從而確定地下被測管線的具體位置。

圖1 探地雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 探地雷達(dá)原理示意圖

2 探地雷達(dá)探測數(shù)據(jù)的采集

探地雷達(dá)在使用前參數(shù)設(shè)置是否合理將直接影響到最后探測結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。在探測前需要提前設(shè)置的雷達(dá)內(nèi)部參數(shù)主要有發(fā)射天線的中心頻率、系統(tǒng)的時窗，此外，合理規(guī)劃探測路線也是提高探測結(jié)果準(zhǔn)確性的保障。

2.1 中心頻率的選擇

電磁波發(fā)射電路發(fā)射的電磁波的中心頻率是整個參數(shù)設(shè)置過程中非常重要的參數(shù)之一，它與探地雷達(dá)的探測分辨率和有效探測深度聯(lián)系十分緊密。電磁波發(fā)射電路發(fā)射的電磁波頻率越高，探地雷達(dá)在地層中的分辨率就越高，但電磁波頻率越高，在地質(zhì)中的衰減速度就越快，其有效探測深度就越淺；相反，電磁波頻率越低，電磁波在地質(zhì)中的衰減速度就越慢，探測的有效深度就越深，但其在地質(zhì)中的分辨率就越低。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，通過分析各種可能影響探地雷達(dá)分辨率的因素發(fā)現(xiàn)，傳播介質(zhì)的性質(zhì)對探測分辨率的影響只是次要因素，提高探地雷達(dá)探測分辨率的根本性方法還是要根據(jù)實(shí)際的探測深度需求合理地選擇發(fā)射電磁波的中心頻率。探地雷達(dá)的分辨率與探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波的中心頻率之間的關(guān)系分別如式（1）和（2）所示：

式中，（Δd）min為垂直分辨率；Hmin為水平分辨率；c為電磁波在真空環(huán)境中的傳播速度；fc為雷達(dá)發(fā)射電磁波的中心頻率；εr為地質(zhì)相對介電常數(shù)；μr為地層的磁導(dǎo)率；v為電磁波在地層中的傳播速度；d為目標(biāo)探測物的埋藏深度。

2.2 系統(tǒng)時窗的選擇

系統(tǒng)時窗值的大小即電磁波在地質(zhì)中往返一次傳播所需的有效時間大小，所以所選時窗值的大小與探地雷達(dá)的有效探測深度直接相關(guān)。系統(tǒng)工作時所選擇時窗值越大，則電磁波在地質(zhì)中的傳播時間越長，同一發(fā)射頻率下雷達(dá)探測的有效深度也就越深；相反，所選的時窗值越小，其探測的有效深度就越淺。一般來說，一個完整的系統(tǒng)中會預(yù)設(shè)多個大小不同的時窗供操作人員選擇，操作人員只需根據(jù)實(shí)際探測深度的需求選擇合適的時窗即可。時窗的大小可由式（3）計算：

式中，ω為計算的時窗值；dmax為實(shí)際所需要探測的最大深度。

3 地下管線的探測實(shí)例分析

探地雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)主要來源于電腦終端分析軟件對所接收到的反射電磁波的分析。在探地雷達(dá)的電腦終端系統(tǒng)中，探測到的介質(zhì)信息也主要是以波形的形式記錄下來。但在探地雷達(dá)工作過程中，由于地層下的介質(zhì)信息比較復(fù)雜，導(dǎo)致接收天線所接收到的信息中包含了大量的干擾信息，所以必須要利用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理軟件對探測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能獲得準(zhǔn)確的介質(zhì)探測信息。圖3為探測過程中電腦終端接收的雷達(dá)圖像，圖4為經(jīng)軟件處理后得到的雷達(dá)圖像。

圖3 電腦終端接收的雷達(dá)圖像

圖4 經(jīng)軟件處理后的雷達(dá)圖像

由圖4可以看出：（1）在距離原點(diǎn)1.8 m和30.8 m處，分別有埋深為1.30 m和1.46 m的地下纜線，這兩處的電磁波反射的波形相似，電磁波的影響深度較大，而且信號強(qiáng)度高，這主要是因?yàn)槔走_(dá)波一直在纜線處不斷重復(fù)反射；（2）在距離原點(diǎn)13.2 m和18.7 m處，有埋深分別為1.62 m和1.11 m的金屬物，這兩處的電磁波波形較為尖銳，信號強(qiáng)度高，而且電磁波在該介質(zhì)處并沒有重復(fù)反射的現(xiàn)象，所以可以判斷這兩處埋設(shè)有金屬；（3）在距離原點(diǎn)27.2 m處，距離地面0.83 m處存在明顯空洞，從圖像上看，此處雖然有波形變化，但電磁波的反射波形并不明顯，而且信號強(qiáng)度也非常弱，所以可以判斷此處為空洞區(qū)域。

4 結(jié)語

探地雷達(dá)技術(shù)是近十幾年來新興的一種地質(zhì)探測技術(shù)，其憑借制造成本低、探測效率高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各種工程檢測和地質(zhì)探測中。將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的地下管線探測，不僅有助于提高電力系統(tǒng)工作人員對未知區(qū)域地下管線的探測效率，而且還能提高檢修人員對地下管線的檢修與維護(hù)效率，有效降低地下管線發(fā)生重大事故的概率，提高供電質(zhì)量。但目前根據(jù)探測波形還只能分析出地層下是否埋設(shè)有管線，如果要達(dá)到能夠根據(jù)探測波形快速判斷出所埋設(shè)管線的數(shù)量以及管線管徑大小的目標(biāo)，則還需要以后開展進(jìn)一步的研究。