RIS-K2探地雷達(dá)在地下管線竣工測(cè)量中的應(yīng)用

李小強(qiáng)

摘要：本文首先研究分析了RIS-K2探地雷達(dá)儀器的具體構(gòu)成以及指標(biāo)、方法原理等;其次研究分析了RIS-K2探地雷達(dá)的特征以及相關(guān)參數(shù)選擇;最后對(duì)近間距平行管線、金屬與非金屬關(guān)系雷達(dá)探測(cè)的典型圖像給予了客觀形象的說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：RIS-K2探地雷達(dá);地下管線竣工測(cè)量;應(yīng)用

引言

最近幾年，我國(guó)的城市化建設(shè)進(jìn)程不斷加速，諸多類型的高標(biāo)準(zhǔn)工程項(xiàng)目數(shù)量也隨之增加，工程的勘察、埋設(shè)物探查以及工程質(zhì)量檢測(cè)等地質(zhì)工作，都對(duì)于地下空間三維數(shù)據(jù)的相關(guān)要求與標(biāo)準(zhǔn)不斷提升。探地雷達(dá)主要是用確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁波技術(shù)，由一個(gè)天線發(fā)射高頻率寬頻帶短脈沖電磁波，另一個(gè)天線接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波。在發(fā)揮電磁波作用，在介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形，或隨著所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)與幾何形態(tài)的變化對(duì)地質(zhì)狀況進(jìn)行客觀分析。由于具有經(jīng)濟(jì)、快速、對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的破壞性和對(duì)外界干擾影響小等特點(diǎn)，在解決城市地質(zhì)勘測(cè)問(wèn)題時(shí)顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

一、RIS-K2探地雷達(dá)儀器構(gòu)成與指標(biāo)

（一）RIS-K2探地雷達(dá)儀器構(gòu)成

RIS-K2探地雷達(dá)是意大利產(chǎn)的新一代探地雷達(dá)設(shè)備，同時(shí)也是當(dāng)前相對(duì)最小與最輕的多通道探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集單位。整機(jī)的重量大約是1.6KG，其中包含電池。升級(jí)到了8個(gè)數(shù)據(jù)通道，更高速的脈沖重復(fù)頻率會(huì)令數(shù)據(jù)收集的速度更快。其系統(tǒng)硬件的組成部分主要包含：天線、網(wǎng)絡(luò)電纜、筆記本電腦、DAD控制單元等。

DAD控制單元是與天線直接相連到一起的，有單通道、雙通道與四通道這幾種，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)的數(shù)字化，并且進(jìn)行相關(guān)傳輸。其接口主要包含如下幾方面：Battery Port與電池連接、Wheel Port連接測(cè)量輪位置傳感器的呢過(guò)。

天線主要分為了單天線與天線陣。天線的頻率大約有：80MHZ、100MHZ、150MHZ、400MHZ、600MHZ等。

（二）指標(biāo)

電性指標(biāo)：12V直流電源，電壓13.5～13.8V。

環(huán)境指標(biāo)：工作溫度大約是-10℃～40℃，相對(duì)濕度<90%，防水、防塵、防爆的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)到了IP65。

軟件指標(biāo)：數(shù)據(jù)的顯示方式主要是行掃掃描，時(shí)變?cè)鲆嬷饕侨斯せ蛘咦詣?dòng)調(diào)節(jié)的方式;垂直濾波大約包含高通和低通濾波器等。

二、RIS-K2探地雷達(dá)理論

（一）探地雷達(dá)原理

探地雷達(dá)主要是使用高頻電磁波對(duì)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)與特征進(jìn)行探測(cè)的一種物探技術(shù)，其主要由發(fā)射--接收裝置所組成，主要使用發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)放電磁波，電磁波在介質(zhì)中進(jìn)行傳播的時(shí)候，相關(guān)的路徑、波形也會(huì)隨著介質(zhì)的電磁波與幾何形態(tài)的不同而隨之出現(xiàn)變化。反射的電磁回波主要由接收天線來(lái)進(jìn)行接收的。依照接收到的探地雷達(dá)剖析圖，精準(zhǔn)定位地下目標(biāo)，明確其位置與埋深。

探地雷達(dá)的觀測(cè)方式主要包含剖面法、寬角法等幾種。本文所介紹的RIS-K2探地雷達(dá)所指的就是零天線距的相關(guān)剖面法。探地雷達(dá)的工作方式主要是反射剖面法，其采樣記錄則多數(shù)都是數(shù)字化形式。波形的正負(fù)峰可分別使用黑白與灰階段，或者是彩色表示。在雷達(dá)圖像上，管線異常的特征主要是一條雙曲線，一般可依照此異常的特征對(duì)管線的位置及深淺進(jìn)行客觀判定。

（二）常見(jiàn)介質(zhì)的電磁學(xué)特征

所謂探地雷達(dá)所使用的物性前提條件，假腿指的是在目標(biāo)管線與周邊介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、電磁波速等方面都存在著較大差異。諸多與管線探測(cè)有關(guān)系的介質(zhì)電磁表參數(shù)如下表1所示。

通過(guò)表1顯示可知，金屬的管壁與周邊介質(zhì)粉質(zhì)粘土的相關(guān)電常數(shù)間有著比較大的差距。金屬管道的上臂發(fā)生全反射，沒(méi)有底反射，再?zèng)]有能量進(jìn)入到下管壁中，此時(shí)金屬管線中，電磁波的波速基本判定為零。非金屬的管線自身材質(zhì)和周邊介質(zhì)有著較大的差異，例如混凝土介電常數(shù)是6.4，傳播的速度是0.12m/ns，并且管道內(nèi)的介質(zhì)像是水、氣體等，與周邊介質(zhì)電磁性相對(duì)，都存在著較大的差異。反射系數(shù)與波速基本由介電常數(shù)決定，如果設(shè)定反射系數(shù)為R，光速是c，周圍的介質(zhì)是ε1、管線或者管線內(nèi)介質(zhì)ε2，其相互關(guān)系表現(xiàn)為：

電磁波主要通過(guò)空氣滲透到地下中，并且也會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射。如果地下出現(xiàn)了管線或者疏松帶，這時(shí)雷達(dá)系統(tǒng)所接受的回波幅度會(huì)變大。同時(shí)在雷達(dá)剖面方面也會(huì)產(chǎn)生較為典型的雙曲線的反映。

若目標(biāo)管線反射系數(shù)|R|≥0.1，是與雷達(dá)探測(cè)的對(duì)應(yīng)無(wú)形條件十分契合的。

（三）地下管線的探地雷達(dá)異常特征

對(duì)管線探測(cè)而言，探地雷達(dá)的反射波組，實(shí)際從兩個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)應(yīng)解釋。

其一，反射波組的同相性所組成的同相軸，代表的是管線空間位置客觀判別的關(guān)鍵性標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是一種孤立的相關(guān)埋設(shè)物，其具體的反射波的同相軸表現(xiàn)在如下幾方面：管線表現(xiàn)是圓形管道的時(shí)候，是向下開(kāi)口的拋物線呈現(xiàn)傘狀的，頂部的反射振幅也相對(duì)較強(qiáng)。在表現(xiàn)為溝道式或管塊形狀時(shí)，同相軸是十分有限的平板狀，反射的實(shí)際界面中部是平板狀，兩端呈現(xiàn)出了半支下開(kāi)口拋物線。

其二，地下界面的上下介質(zhì)之間無(wú)形差異特征，基本確定了電磁波的具體傳播特征，無(wú)形差異的增大，代表著反射波往往更強(qiáng)，振幅也會(huì)隨之增加，上下介質(zhì)波速大小和反射波振幅方向存在直接的聯(lián)系，介電常數(shù)較小的進(jìn)入介電常數(shù)較大的介質(zhì)里，反射的系數(shù)則是負(fù)，因此代表著反射波振幅反向。

三、 RIS-K2探地雷達(dá)儀器及使用

（一）儀器特點(diǎn)

使用 RIS-K2探地雷達(dá)之時(shí)，一般會(huì)配備200MHZ、600MHZ兩種頻率的屏蔽天線，一般可以單獨(dú)使用，也可以將其組合起來(lái)合成天線陣使用，并且搭配Grswin2解釋軟件。此系統(tǒng)一般是多通道連續(xù)采樣雷達(dá)，可進(jìn)行單獨(dú)掃描，可2通道掃描一次，獲得多張同一斷面的雷達(dá)圖。進(jìn)行探測(cè)之時(shí)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)查看、標(biāo)注與分析探測(cè)結(jié)果。該系統(tǒng)的組成部分是DAD控制單元、發(fā)射與接受天線、測(cè)距輪、電纜與電池系統(tǒng)等。并且此系統(tǒng)的天線屏蔽相對(duì)較好，對(duì)于環(huán)境的抵抗干擾能力也相對(duì)較強(qiáng)，有著相對(duì)較高的分辨率。這一系統(tǒng)可對(duì)雷達(dá)探測(cè)管線的結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解釋。實(shí)時(shí)顯示以及回拖定位的功能，對(duì)提升探測(cè)速度與定位精度非常有益。另外，該軟件的界面比較友好，編輯與處理起來(lái)也非常便捷。

（二）探測(cè)參數(shù)選擇

在采樣時(shí)，時(shí)窗選取為探測(cè)深度的2倍左右;一般狀況下選擇自動(dòng)增益的方式方法，有助于獲得更顯著的探測(cè)效果，但需注意，地面或地下介質(zhì)出現(xiàn)變化之時(shí)，需及時(shí)重新收獲自動(dòng)增益曲線，之后繼續(xù)開(kāi)展探測(cè)活動(dòng)。

（三）選定波速V

一般選擇已知的管線標(biāo)定波速v的方式。進(jìn)行探測(cè)作業(yè)之前，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)選擇數(shù)個(gè)已知深度的管線點(diǎn)完成波速測(cè)量。

（四）管線狀況調(diào)查

為有效提升探測(cè)效率并控制工作出現(xiàn)失誤狀況的概率，開(kāi)展探測(cè)工作之前，不但需對(duì)管線的審核書、報(bào)建圖進(jìn)行深入研讀，同時(shí)還需調(diào)查了解目標(biāo)管線的材料、管徑、埋深、鋪設(shè)走向和其他埋設(shè)物等狀況。

（五）測(cè)線布設(shè)

測(cè)線彼此平行并垂直目標(biāo)管線軸向布設(shè);如果不清楚目標(biāo)管線的走向，需及時(shí)更改測(cè)線的具體方向，盡量防止出現(xiàn)目標(biāo)漏測(cè)的問(wèn)題。

四、管線探測(cè)典型圖像特征

（一）多條近距平行管線異常圖像

測(cè)區(qū)內(nèi)的管線種類往往比較多，并且多為平行鋪設(shè)，一旦使用管線儀對(duì)其進(jìn)行定位，測(cè)深時(shí)則可能出現(xiàn)較大的誤差，因此需使用GPR開(kāi)展定位與測(cè)深作業(yè)。

圖1是廣州某道路西側(cè)給水管線穿過(guò)道路處的GPR圖像，天線是200MHz。從圖中可清晰明確地看到在2.6m與3.5m處存在埋深分別為1.05m及1.0m的鑄鐵給水管，雙曲線比較明顯與完整，不存在多次反射波。如果使用管線儀進(jìn)行探測(cè)，由于兩條給水管間距比較小，并且處于平行鋪設(shè)狀態(tài)，不管使用峰值法還是谷值法都無(wú)法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分。4.8m與5.4m處是兩根電線預(yù)埋穿過(guò)公路的DN150鋼套管異常。

圖2為廣州某村，0.9m處是DN89煤氣鋼管的異常，埋深為0.51m。其特征主要是雙曲線十分明顯，有著較強(qiáng)的反射波，無(wú)多次波。在1.9m處是DN150PE給水管的異常，特征是雙曲線十分明顯，兩葉長(zhǎng)，反射波也較強(qiáng)，同時(shí)有著多次反射波。2.55m處是直埋中壓電力電纜的異常，其反射波相對(duì)十分弱。

（二）溝道異常圖像

圖3 所指的是廣州某區(qū)西湖路的0.4m至1.6m處1200mm×800mm電力溝的異常狀況，圖中可十分清晰的看到溝兩側(cè)的繞射波與底部反射波的特征剖面圖的上層異常狀況是正向連續(xù)同相軸板狀體異常，正向同相軸對(duì)應(yīng)內(nèi)部空間頂界面，下部是強(qiáng)反射異常與多次波異常。在大約2.1m深的地方是沒(méi)有拆除的DN200鑄鐵給水舊管的異常狀況，其主要埋深是0.5m;在4.95m處是DN200PE給水管，其埋深主要是1.25m，并且存在多次波，是目標(biāo)管線。

（三）金屬給水管異常圖像

金屬有著較大的導(dǎo)電率，并且電磁波的衰減也相對(duì)較大，金屬管頂反射出現(xiàn)了一些極性的反轉(zhuǎn)，并且也基本不存在無(wú)管底的反射信息。圖1左邊的DN200與DN300鑄鐵給水管、圖2左邊的DN89煤氣鋼管異常、圖3右邊的DN200鑄鐵給水的GPR圖像，都是雙曲線十分明顯與完整的表現(xiàn)，但是不存在多次反射波。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，埋設(shè)的管道與周圍介質(zhì)都存在著物性差異，在對(duì)其進(jìn)行探測(cè)時(shí)，需依照已知到未知，簡(jiǎn)單到復(fù)雜的相關(guān)原則。將異常特征類比法的作用發(fā)揮出來(lái)，對(duì)目標(biāo)管線進(jìn)行識(shí)別與區(qū)分。作為一種高新儀器，RIS-K2探地雷達(dá)的圖像直觀，分辨率也相對(duì)較高，操作起來(lái)十分便利，具備一定的無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，對(duì)解決管線探測(cè)中存在的問(wèn)題十分有利。

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