探地雷达在地下管线普查中的应用

探地雷达在地下管线普查中的应用

封洁滢

嘉兴市秀洲区银河测绘有限公司浙江嘉兴314000

摘要：在地下管线普查中，探地雷达可以对非金属管线进行探测，有效地弥补了传统管线探测仪只能探测金属管线的缺陷。石家庄市勘察测绘设计研究院作为施工单位，在普查过程中发现测区内存在着一定量的非金属管线，并且管线明显点较少，传统的管线探测仪对此无能为力，单纯通过开井等调查方式又不能确定管线的转折点和超长点，难以满足精度要求，为此我院采用了探地雷达对管线资料做了进一步核实和弥补。

关键词：探地雷达；地下管线普查；应用

1探地雷达基本组成及分类

探地雷达主要由天线与收发单元、雷达主机和便携式计算机3部分组成。其中，天线与收发单元负责电磁波的发射与回波信号的接收，不同的雷达机制可能采用不同的天线类型及收发单元；雷达主机（嵌入式数据处理模块）负责收发信号的控制，以及对回波信号的预处理工作；计算机主要负责参数设置、图像显示和后期处理工作。

探地雷达的种类很多，以发射信号的不同调制方式大致划分为5种类型，它们具有各自的特点，有些体制之间还存在着应用上的互补，这5种调制方式分别如下：

1.1调频连续波

调频连续波方法常用于浅层或表层（2m以内）地下目标的探测，如机场跑道和高速公路等表层中的结构异常或孔穴的探测。它的基本原理为：利用收、发电磁波的差频分量来推算时间延时，进而结合电磁波在介质中的传播速度确定目标体的深度。其优点为：分辨率高，发射频谱易于控制，具有很宽的动态范围；它的主要缺点为：体积大、成本高、系统比较复杂，抗干扰能力差。

1.2脉冲展宽-压缩技术

该项技术已成熟的应用于探空雷达中，它的收发端采用一对具有宽带特性的对数周期天线或对数螺旋天线。它发射线性调频脉冲，接收端采用匹配滤波器技术实现脉冲压缩。它的最大优点是分辨率高，特别适用于对地下细长目标物（如管道等）的探测。

1.3连续波

点频连续波发射技术的发射信号可以是点频，也可以是一些特定间隔的频率，接收端采用孔径天线接收，它的分辨率主要由测量孔径的大小决定。它的主要优点是发射频带窄，天线系统容易设计，而且不需要采用高速数据捕获。它的主要缺点为技术要求苛刻。

1.4极化调制

根据收发天线的设置不同，极化调制方法主要分为线极化和圆极化，相对而言，采用圆极化特性的天线更有优越性。然而，随着极化矢量的自动旋转，接收信号的包络与细长目标的方向无关，由线极化造成的方向性不灵敏给探测带来了困难。

1.5幅度调制

根据发射波的特征，探地雷达系统采用的幅度调制方式通常分为两种：一是脉冲调制雷达，它的发射波是经载波调制后的窄脉冲，载波频率通常为几十兆赫兹，发射带宽相对较窄，接收机采用常规解调技术提取回波脉冲的包络，主要用于冰、淡水或地质层的探测。

另一种幅度调制雷达是冲激脉冲雷达，它主要用于浅层（几米到十几米）高分辨率探测，可用于地下埋设物、结构空洞等探测。它的基本原理为：发射机采用宽带天线向地下周期性的发射无载频冲激脉冲，回波信号经时域取样变换为低频信号，再经图像处理形成探测区域的地下剖面图。冲激脉冲探地雷达的脉冲宽度很窄（几个纳秒），因此它的频谱宽度很宽，雷达具有很高的分辨率和较深的穿透深度。此外，冲激脉冲雷达结构简单、成本低、技术成熟，是目前应用最广的探地雷达体制。

2探地雷达测量方法

在石家庄地下管线普查中，我们使用了天毅达无线探地雷达，采用２００ＭＨｚ屏蔽天线进行探测。探地雷达现场工作分为以下几个步骤：资料收集与现场踏勘；工作参数设定及增益获取；现场剖面探测；图像分析和定位以及一些数据后处理工作。

2.1资料收集与现场踏勘

资料收集与现场踏勘的任务主要是初步确定目标体与周围介质的差异，目标体的种类及大概走向，目标体的深度和地表环境。探地雷达是否能够探测成功，取决于目标体与周围介质的物性差异能否反射回足够的电磁波能量并被接收天线所识别；目标体的种类及大概走向可以帮助我们较快地确定一个初步的探测方案；探测深度与地下介质对电磁波的吸收程度关系极大，并且很大程度依赖于我们所采用的探地雷达发射天线频率大小，如果目标体的深度超过我们仪器的探测深度，就不应该再采用该型号的仪器进行探测；探地雷达工作环境至关重要，如果周围存在大型金属物体或无线电发射源，会使剖面图像出现严重的多次反射波干扰而掩盖地下介质变化的响应，因此，布设的雷达探测面应尽量远离地面上的金属物体，对于无法移走的金属物体，必须详细记录它们与剖面的相对位置，以便在图像解释时予以考虑。

2.2连接仪器及工作参数设定

连接仪器：电脑连接到雷达，需要设置电脑的ＩＰ地址，设置正确之后，点击软件上的网络连接按钮，确认网络状态是否正常。如果网络正常，会返回３２字节的数据。工作参数设定：根据本次探测工作的场地条件、工作环境和探测要求，探测工作采用反射波剖面法。由于地下介质物理性质的差异，雷达波在不同地段介质中的波速也具有差异，为了更为准确的探测地下管线空间位置，就必须对雷达波的各种参数进行调试设定，因此，我们选取了部分已知管线点进行测试，选定了以下参数：

采样频率：２００ＭＨｚ

采样点数：８１９２点

回波间隔：２ｉｎｃｈ

时窗：６２．３８

发射延时：４２

低通滤波：２ｋＨｚ

增益系数：１

触发方式：采用测量轮，距离触发

2.3现场剖面探测

设置好各项雷达参数后，我们采用天毅达无线探地雷达在管线普查区域某道路进行探测，推动小车天线，仪器屏幕上会显示经采集软件处理过的图像，同时在现场进行定位分析，中断测量后，可以进行深度读取。

2.4图像分析和定位

在雷达图像中，由于地下管线的电性（介电常数与电导率）与地下介质的电性（介电常数与电导率）存在较大的差异，地下管线在雷达图像中可以产生明显的弧形异常反映；当弧形特征不明显时，由于地下管线埋设时对天然土层的扰动，在雷达图像中波形发生变化，出现不同于正常地段的异常反映，结合实地调查，以及与管线探测仪相结合，对地下管道进行定位。

2.5数据后处理工作

对于现场条件复杂的路段，有时无法很快判断管线的真实情况，我们可以通过软件数据处理中调整回波平均次数、增益和介电常数等功能对得到的图像进一步处理分析，从而更好的确定管线的位置和埋深等信息。

结论

由于探地雷达利用了电磁波对地下介质进行探测，不同于采用电磁法的传统管线探测仪，它可以克服传统管线探测仪只能探测金属管线的缺点，对所有管线均具有探测能力，可以作为非金属管线探测的一个有效方法；但探地雷达对地下介质的情况要求比较严，如果地下介质杂乱无章的话，会较难出现完整的弧形异常信息，同样管径较小的管线有时也会掩盖于介质之中，出现不了清晰的弧形异常，给探地雷达使用带来难度；相信随着仪器设备和处理方法的改进，探地雷达在地下管线普查中的应用会越来越广。

参考文献

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