探地雷達(dá)技術(shù)在地下管線(xiàn)探測(cè)中的應(yīng)用研究

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摘 要：探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar， GPR）技術(shù)是一種基于電磁波反射原理的無(wú)損、非侵入性探測(cè)手段，被廣泛應(yīng)用于地下管線(xiàn)定位、城市基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探等多個(gè)領(lǐng)域。基于反射法和剖面法，GPR能夠獲取地下物體的反射信號(hào)，從而判斷其位置、形態(tài)和深度。然而，在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，非金屬管線(xiàn)和光纜的探測(cè)仍然是技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，雙曲線(xiàn)特征定位方法能夠增強(qiáng)管線(xiàn)定位的準(zhǔn)確性；多頻天線(xiàn)組合應(yīng)用能夠擴(kuò)展GPR在不同管線(xiàn)類(lèi)型探測(cè)中的適用性；數(shù)據(jù)濾波技術(shù)則能減少噪聲干擾，提升信號(hào)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)技術(shù) 地下管線(xiàn)探測(cè) 反射法 金屬管線(xiàn)探測(cè)

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(xiàn)是工業(yè)廠(chǎng)區(qū)的重要組成部分，其高效管理對(duì)工廠(chǎng)的運(yùn)行安全具有重要意義。由于管線(xiàn)埋設(shè)環(huán)境復(fù)雜，金屬和非金屬管線(xiàn)、光纜的分布特點(diǎn)各異，傳統(tǒng)探測(cè)方法（如開(kāi)挖驗(yàn)證）存在破壞性大、效率低等問(wèn)題，已難以滿(mǎn)足現(xiàn)代工廠(chǎng)運(yùn)維管理的需求。探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）技術(shù)以其高分辨率、非侵入性和實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，為地下管線(xiàn)探測(cè)提供了全新的解決方案。然而，地下介質(zhì)的異質(zhì)性與目標(biāo)特性的差異仍對(duì)探測(cè)效果構(gòu)成限制，表現(xiàn)為信號(hào)衰減、噪聲干擾等具體問(wèn)題。因此，如何優(yōu)化GPR探測(cè)參數(shù)與數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)一步提升其探測(cè)適用性，是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的核心方向。

1探地雷達(dá)技術(shù)的基本原理

GPR技術(shù)基于高頻電磁波在地下介質(zhì)中的傳播特性，通過(guò)分析電磁波的反射和折射行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的無(wú)損探測(cè)。其核心原理基于麥克斯韋方程組描述的電磁場(chǎng)理論，結(jié)合電磁波在不同介質(zhì)界面上的反射系數(shù)和透射系數(shù)，確定地下目標(biāo)的位置和特性^[1]。在GPR系統(tǒng)中，發(fā)射天線(xiàn)以脈沖形式發(fā)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(zhì)中傳播時(shí)，其速度受介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)（ε_r）和電導(dǎo)率（σ）的影響。例如：干燥砂土的相對(duì)介電常數(shù)約為3～5，對(duì)應(yīng)的電磁波傳播速度約為0.15～0.17 m/ns；水的介電常數(shù)高達(dá)80，波速僅為0.033 m/ns。介質(zhì)間的電性差異導(dǎo)致電磁波在界面處產(chǎn)生反射和折射，反射系數(shù)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(zhì)和反射介質(zhì)的阻抗，定義為

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

接收天線(xiàn)捕獲從地下目標(biāo)反射回來(lái)的電磁波信號(hào)，這些信號(hào)的振幅、相位和到達(dá)時(shí)間包含了地下結(jié)構(gòu)的信息。通過(guò)對(duì)接收到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，可轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，便于分析不同頻率成分的衰減和相位變化。隨后，應(yīng)用數(shù)字濾波技術(shù)去除噪聲和不相關(guān)信號(hào)，提取有效反射信號(hào)的特征。通過(guò)對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行反演分析，確定地下目標(biāo)的深度、形狀、材質(zhì)等信息（如圖1所示）。GPR技術(shù)憑借其高分辨率和非侵入性的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于地下管線(xiàn)探測(cè)、考古調(diào)查和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。

2探地雷達(dá)用于管線(xiàn)探測(cè)的方法與位置判斷

2.1探測(cè)方法

2.1.1反射法

反射法是GPR管線(xiàn)探測(cè)中常用的一種高效方法。其原理是利用電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)的反射特性，當(dāng)波遇到介電常數(shù)差異較大的目標(biāo)（如金屬或塑料管道）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯反射信號(hào)^[2]。通過(guò)分析回波信號(hào)的振幅、波形特征和到達(dá)時(shí)間，可以準(zhǔn)確推斷管線(xiàn)的埋深、材質(zhì)和走向。反射法的探測(cè)效果在很大程度上依賴(lài)于關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置。

（1）時(shí)間窗。其用于控制雷達(dá)記錄的時(shí)間范圍，直接影響探測(cè)深度的覆蓋范圍。根據(jù)公式（3）：

式（3）中：T 為時(shí)間窗寬度（單位：ns），即信號(hào)從發(fā)射到接收的總時(shí)間；d為探測(cè)目標(biāo)的埋深（單位：m）；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（單位：m/ns），可以通過(guò)地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε來(lái)計(jì)算。

常見(jiàn)時(shí)間窗設(shè)置為50 ～100 ns，以覆蓋1 ～5 m的埋深范圍。對(duì)于淺層目標(biāo)（小于1 m），時(shí)間窗可縮短至20～30 ns，避免多余數(shù)據(jù)采集。

（2）天線(xiàn)間距。標(biāo)準(zhǔn)天線(xiàn)間距通常為0.5～1 m，以避免因距離過(guò)大而導(dǎo)致的信號(hào)衰減或目標(biāo)失真。在目標(biāo)管線(xiàn)密集分布區(qū)域，間距可適當(dāng)縮小至0.3 m，以增強(qiáng)目標(biāo)區(qū)分能力。

反射法適合探測(cè)單一目標(biāo)、埋深適中的管線(xiàn)（1～5 m），在非金屬管線(xiàn)或高濕度環(huán)境中表現(xiàn)較為優(yōu)越。對(duì)于存在交錯(cuò)或復(fù)雜背景的區(qū)域，反射法信號(hào)需要結(jié)合剖面法進(jìn)行交叉驗(yàn)證，以確保探測(cè)精度和數(shù)據(jù)可靠性。

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

剖面法是GPR技術(shù)中常用的一種探測(cè)方法。其通過(guò)多次采集不同位置的雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)，生成地下介質(zhì)的二維剖面圖，用于準(zhǔn)確定位管線(xiàn)及評(píng)估其連續(xù)性。該方法基于雷達(dá)信號(hào)在水平和垂直方向的累積成像技術(shù)，能夠提供目標(biāo)的完整形態(tài)特征。其步驟如下。

（1）平移掃描。沿管線(xiàn)走向或垂直于管線(xiàn)方向，布設(shè)均勻間距的測(cè)線(xiàn)，進(jìn)行多次掃描，以采集不同位置的雷達(dá)數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)掃描間距為0.1～0.3 m，具體取決于管線(xiàn)分布的復(fù)雜程度和目標(biāo)大小。在密集管線(xiàn)區(qū)域，掃描間距可減小至0.1 m，以提高分辨率和探測(cè)精度。

（2）數(shù)據(jù)疊加。對(duì)多組雷達(dá)記錄進(jìn)行疊加處理，以生成高分辨率的剖面圖。處理過(guò)程中，常采用希爾伯特變換，用于增強(qiáng)反射信號(hào)的包絡(luò)特征，同時(shí)結(jié)合振幅歸一化技術(shù)，以突出目標(biāo)與背景的差異。數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵在于濾除噪聲，增強(qiáng)目標(biāo)特征，使剖面圖清晰呈現(xiàn)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(hào)區(qū)域，結(jié)合速度校正和介電常數(shù)反演，精確計(jì)算管線(xiàn)的位置、埋深和走向。

剖面法在復(fù)雜管線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的探測(cè)中表現(xiàn)優(yōu)越，特別適合處理多層交錯(cuò)、彎曲管線(xiàn)等復(fù)雜情況。例如：用三維探地雷達(dá)（如：IDS STREAM-C）進(jìn)行復(fù)雜管線(xiàn)的三維高精度探測(cè)，可以通過(guò)加密測(cè)線(xiàn)剖面實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)覆蓋，利用內(nèi)置600 MHz雙極化高分辨率32通道天線(xiàn)獲取高精度信息，并結(jié)合RTK/TPS實(shí)現(xiàn)高精度軌跡追蹤和異常定位，最終提供類(lèi)似“CT”般的三維切片，使管線(xiàn)判讀更加直觀(guān)、準(zhǔn)確，作業(yè)效率更高（如圖2所示）。

2.2管線(xiàn)位置與埋深判斷

管線(xiàn)位置和埋深的精準(zhǔn)判斷是GPR技術(shù)地下探測(cè)應(yīng)用的關(guān)鍵，其核心在于回波信號(hào)的特征解析和數(shù)學(xué)模型的精確應(yīng)用。目標(biāo)管線(xiàn)的平面位置通常通過(guò)雷達(dá)圖像中的雙曲線(xiàn)頂點(diǎn)來(lái)確定，這種特征源于電磁波在圓柱形目標(biāo)上反射形成的獨(dú)特模式。雙曲線(xiàn)的形狀和頂點(diǎn)位置與管線(xiàn)埋深、天線(xiàn)頻率和目標(biāo)介質(zhì)特性密切相關(guān)^[3]。例如：使用 250 MHz 天線(xiàn)探測(cè)埋深 2 m 的金屬管線(xiàn)時(shí)，其典型雙曲線(xiàn)頂點(diǎn)間距約為 0.5 m。埋深判斷依賴(lài)電磁波的傳播速度（v），該速度由目標(biāo)周?chē)橘|(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)（ε_r）決定，計(jì)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(dá)10～20。

利用多偏移距雷達(dá)數(shù)據(jù)，通常采用共中心點(diǎn)（Common Midpoint， CMP）法進(jìn)行速度校正。結(jié)合雙曲線(xiàn)特征定位、速度校正、介電常數(shù)反演等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的管線(xiàn)探測(cè)，為復(fù)雜地下環(huán)境中的規(guī)劃、建設(shè)及維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

3探地雷達(dá)技術(shù)在地下管線(xiàn)探測(cè)中的應(yīng)用

3.1金屬管線(xiàn)探測(cè)

在地下金屬管線(xiàn)探測(cè)中，GPR技術(shù)具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其原理是基于高頻電磁波在不同介質(zhì)界面上的反射特性和精確解析能力。金屬管線(xiàn)具有高導(dǎo)電性，能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁波反射，形成特征明顯的雷達(dá)回波圖像，從而易于區(qū)分目標(biāo)與背景噪聲^[4]。在實(shí)際探測(cè)中，天線(xiàn)頻率直接影響探測(cè)深度和分辨率。通常情況下，200 MHz屏蔽天線(xiàn)適用于探測(cè)埋深1～2 m的金屬管線(xiàn)，可以提供較高的圖像分辨率；對(duì)埋深超過(guò)5 m的管線(xiàn)，則需使用50 MHz天線(xiàn)，以確保電磁波的穿透能力。

在現(xiàn)場(chǎng)操作中，測(cè)線(xiàn)的布置需要與目標(biāo)管線(xiàn)的走向保持垂直，測(cè)線(xiàn)間距通常為1～2 m，以充分覆蓋探測(cè)區(qū)域并減少盲區(qū)。為提高探測(cè)信號(hào)的質(zhì)量，施工方應(yīng)在布線(xiàn)前清理表面障礙物，確保天線(xiàn)與地面良好接觸，以減少耦合損失。時(shí)間窗的設(shè)置需要根據(jù)目標(biāo)的最大埋深進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，例如：對(duì)于埋深2 m的目標(biāo)管線(xiàn)，建議時(shí)間窗設(shè)置為80 ns。為進(jìn)一步優(yōu)化探測(cè)精度，建議采用背景去除技術(shù)消除環(huán)境靜態(tài)噪聲，通過(guò)快速傅里葉變換（Fast Fourier transform，F(xiàn)FT）增強(qiáng)反射信號(hào)特征，并結(jié)合時(shí)間切片方法快速定位目標(biāo)深度。為確保復(fù)雜環(huán)境下的探測(cè)效果，可以結(jié)合多頻段探測(cè)和電磁建模技術(shù)，解決高導(dǎo)電性土壤或水分含量過(guò)高引起的信號(hào)衰減問(wèn)題。

3.2非金屬管線(xiàn)探測(cè)

與金屬管線(xiàn)相比，非金屬管線(xiàn)的探測(cè)具有更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要因其目標(biāo)材質(zhì)（如塑料、混凝土、陶瓷等）與金屬管線(xiàn)在電磁特性上有顯著差異。非金屬管線(xiàn)的探測(cè)精度和可識(shí)別性主要受電磁波傳播過(guò)程中介質(zhì)的電導(dǎo)率和吸收指數(shù)影響。具體如下。

3.2.1介質(zhì)電導(dǎo)率

非金屬管線(xiàn)周?chē)慕橘|(zhì)通常具有較高的電導(dǎo)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(dǎo)率可達(dá)到0.01～0.1 S/m，干燥砂土的電導(dǎo)率通常低于0.001 S/m。電導(dǎo)率高的介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)能量快速衰減，使探測(cè)深度和信號(hào)強(qiáng)度顯著降低。因此，在高電導(dǎo)率環(huán)境中，需選擇較低頻率的天線(xiàn)（如100～250 MHz）以增強(qiáng)穿透能力，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)（如去噪濾波）提高信號(hào)質(zhì)量。

3.2.2電磁波吸收指數(shù)

電磁波吸收指數(shù)反映波在介質(zhì)中傳播時(shí)的能量損耗。吸收指數(shù)隨頻率升高呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此，高頻天線(xiàn)雖能提供更高的分辨率，但在非金屬管線(xiàn)探測(cè)中可能受限于其穿透深度。例如：使用500 MHz天線(xiàn)探測(cè)塑料管道時(shí)，最大有效深度通常為1.5～2.0 m；200 MHz天線(xiàn)在同樣介質(zhì)中可達(dá)3～4 m，但分辨率較低。因此，針對(duì)不同埋深和目標(biāo)尺寸，應(yīng)綜合考慮天線(xiàn)頻率和信號(hào)處理技術(shù)。

3.2.3數(shù)據(jù)處理技術(shù)

非金屬管線(xiàn)的介電常數(shù)與周?chē)橘|(zhì)差異較小，其回波信號(hào)相對(duì)弱且易混淆。為增強(qiáng)目標(biāo)特征，常采用振幅歸一化和希爾伯特變換，突出目標(biāo)物的包絡(luò)特性。

非金屬管線(xiàn)探測(cè)需要綜合考慮介質(zhì)電導(dǎo)率、電磁波吸收特性與目標(biāo)材質(zhì)的介電常數(shù)。施工方應(yīng)選擇合適的天線(xiàn)頻率、優(yōu)化信號(hào)處理技術(shù)、采用智能算法，提高非金屬管線(xiàn)的探測(cè)精度和可識(shí)別性，為地下設(shè)施檢測(cè)提供有效支持。

3.3光纜探測(cè)技術(shù)

光纜探測(cè)技術(shù)是地下管線(xiàn)探測(cè)的重要領(lǐng)域之一。因光纜本身不具備顯著的電磁特性，其探測(cè)難度遠(yuǎn)高于金屬管線(xiàn)和部分非金屬管線(xiàn)。光纜探測(cè)主要基于光纜與周?chē)橘|(zhì)之間的介電常數(shù)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(shù)根據(jù)濕度和密度的不同而不同：干砂約為 4～6，濕黏土可高達(dá) 10～20。這種差異會(huì)在光纜邊界形成反射信號(hào)，成為探測(cè)的關(guān)鍵線(xiàn)索。然而，高濕度或高電導(dǎo)率的介質(zhì)（如飽和土壤，其電導(dǎo)率 σgt;10^?2 S/m ）會(huì)顯著增強(qiáng)電磁波的衰減，降低探測(cè)靈敏度。

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

為解決光纜導(dǎo)電性低、尺寸小、埋設(shè)環(huán)境復(fù)雜等問(wèn)題，GPR技術(shù)需要結(jié)合多種優(yōu)化手段。一方面，在光纜外部附加金屬引導(dǎo)線(xiàn)或利用內(nèi)部金屬加強(qiáng)芯（電導(dǎo)率 σgt;10⁷S/m）作為標(biāo)識(shí)點(diǎn)，可以顯著增強(qiáng)反射信號(hào)。另一方面，多頻探測(cè)設(shè)備可以同時(shí)采集低頻段（如 200 MHz）和高頻段（如 800 MHz）信號(hào)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜管線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的整體定位與光纜的精確探測(cè)。

在數(shù)據(jù)處理方面，采用卷積濾波和信號(hào)疊加，增強(qiáng)技術(shù)提升目標(biāo)與背景的對(duì)比度，并結(jié)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(cè)的可視化精度。結(jié)合高頻天線(xiàn)、多頻探測(cè)和數(shù)據(jù)優(yōu)化技術(shù)，GPR 在光纜探測(cè)中已展現(xiàn)出良好的性能，被廣泛應(yīng)用于地下通信設(shè)施的規(guī)劃和維護(hù)中，為復(fù)雜管線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語(yǔ)

GPR技術(shù)是一項(xiàng)具有革命意義的無(wú)損探測(cè)手段，其廣泛應(yīng)用深刻改變了地下管線(xiàn)的運(yùn)維管理模式。然而，復(fù)雜的地下環(huán)境仍對(duì)其性能提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，僅依賴(lài)技術(shù)的優(yōu)越性難以徹底解決問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)超越當(dāng)前單點(diǎn)問(wèn)題的解決思路，著眼于多領(lǐng)域協(xié)同，既滿(mǎn)足現(xiàn)代工廠(chǎng)管理的精細(xì)化需求，又為地下空間的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，為老舊小區(qū)的改造及安全運(yùn)行、可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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