基于探地雷达法的变电站地下管线探测与识别技术研究

基于探地雷达法的变电站地下管线探测与识别技术研究

陈 勇

大连市勘察测绘研究院有限公司 辽宁 大连 116021

摘 要：针对变电站改造和新建过程中由于勘测不足和资料缺失而导致地下隐蔽管线被挖断的问题，提出将探地雷达技术应用于变电站的地层隐蔽管线定位与识别中。首先，通过正演实验分析了常见不同地层介质的灰度图特征;然后，根据单道波形图对典型金属、非金属介质以及电缆的探测波形特征及形成原因进行了系统性分析与总结;使用探地雷达技术能够很好地对地层隐蔽管线进行定位和识别，该技术在变电站改造和新建过程中具有良好的应用优势与应用前景。探地雷达技术是如今适应快速、经济、灵活、无损的探测地下目标体而迅速发展起来的新技术，在城市管线测量中也取得了良好的应用效果。为此，文章利用探地雷达对城市管线进行普查，为整个项目提供最新的剖面数据，并由此分析现有管线是否存在变化以及是否存在新增管线。

关键词：探地雷达；地下管线；技术研究；变电站

引言

近年来，由于电网容量的快速增长和变电站设备的逐渐老化，电网公司开始对老旧变电站进行新的规划与改造。由于变电站地层中的布线较为复杂，且部分老旧变电站的布线资料未及时更新，导致在改造施工过程中输电线路、通信光缆被挖断的情况时有发生。因此，改造施工过程前需要对变电站的地层隐蔽管线进行初探，这对于管线探测技术有了更高的要求。摸清地下空间目标的分布状况，保障城市可持续发展和地下空间资源的永久利用，是维护未来城市安全中的重要任务。地下管线作为城市重要的基础设施，在长期使用过程中，地下管线中的污水长期冲刷腐蚀、软土地基变形、道路负荷加重及扩宽改造、周边施工影响等造成地下管道病害的发生，其所引起的渗漏、破裂甚至坍塌等安全事故日渐成为城市安全的隐患。

1 探地雷达法的研究

探地雷达法是利用高频电磁波反射原理，通过观察发出与反射电磁波的差异来判断目标体的一种无损物探技术。探地雷达探测原理如图１所示。使用探地雷达进行探测时，发射天线发射电磁波，电磁波向地下传播，由于地下介质的电性差异，电磁波发生反射和散射现象。系统通过接收天线接收反射回来、幅度大小及双程走时长短不一的脉冲电磁波；对接收的反射波进行校正、叠加、滤波和偏移等处理；根据介质的介电常数和电导率确定介质中电磁波传播速度，再结合电磁波双程走时来确定界面或目标体的位置；分析接收的反射波形态、幅度、变化特征，再结合地球物理解释模型等判定界面或目标体性质。

2 探地雷达法地下管线探测技术分析

2.1 射频电路和视频放大器技术

由VCO两个低噪声放大器以及分离器、衰减器和混合器组成。射频电路和视频放大器采用四路低噪声运算放大器，实现视频增益，并通过抗混叠滤波器将输出电平中把混叠频率分量减小到最低。该视频信号的输出连接到电脑的右侧。

2.2 探测技术

微控制器同时发出两种信号。通过模拟信号输出端P18将啁啾信号输出到低频放大器；通过输出端P19将同步脉冲信号输入到低频放大器。低频放大器将放大信号后的信号输出到压控振荡器中。压控振荡器将频率在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段信号输出到射频电路中的混频器中。而通过输出端P19输出的同步脉冲信号，经低频放大器放大后的信号输出到电脑左音频端同时，压控振荡器将啁啾信号传输至衰减器，经衰减器衰减固定值的信号进入宽带放大器。宽带放大器对该信号进行放大后将信号传输至分离器。分离器将该信号分离，高频信号传输至发射天线，由发射天线将该信号发出，由此完成整个探测的发射过程。

2.3 电缆结构技术

投运中的电缆的金属屏蔽层以及金属护套层需要通过小、电阻接地，Ｈ此运行中的电纖所产生的工頻电场主要分布在导体层与金属护层之间，即电场屏蔽，同时由于地屬土壤以及地面水泥及钢筋等建筑材料对电缆电场具有很强的屏蔽作用，所以电缆所产生的工频电场对电缆周围空间产生的干扰非常小，但由于电缆本体的金属护套．层无法完全屏蔽电缆礅场，地层土壤对磁场的屏蔽效果也较差，因此对于带电电缆可以只考虑其磁场对外界的影响。

3 探地雷达法变电站地下管线中的应用

3.1 天线中心频率的应用

在选择天线中心频率时需兼顾目标体的埋藏深度与目标体自身尺寸。在测量过程中发现在满足分辨率且测量场地允许的情况下，应该使用中心频率较低的天线，这样埋藏深的目标体才能被发现。天线频率越高，测量深度相对浅，而分辨率与天线频率成反向关系，分辨率与测深之比大概为1∶10的关系。

3.2 工程实例的应用

本项目是在海伦市地下管线2014年探测成果的基础上，开展海伦市主城区和海西新区的地下管线探测、更新，完善地下管网数据库，并完成海伦市城市三维地下综合管网地理信息服务平台建设。管线探查工作采用探地雷达结合管线探测仪对道路进行横断面扫描，将扫描结果与原有管线资料进行对比分析，针对异常信号进行提供跟踪探查异常信息，扫描过程应注意:剖面布设过程中应尽量垂直管线走向，有利于采集到最强的管线信号;剖面尽量避让管线拐点，拐点可利用交会法确定;剖面应尽量避开高压电线、变电站等高频电磁干扰区域;扫描断面应均匀分布，为保证异常的正确性，在两个路口之间至少扫描两个断面。

3.3 精度统计

在密集区域采用无人机倾斜摄影的方式完成宅基地和房屋测量，组织人员对该部分的权籍调查成果进行外业精度检查。采用全站仪随机测量明显房角点120个，统计后点位中误差为0.024m;采用手持测距仪量测196条界址边长，统计后中误差为0.025m。

3.4 测绘产品应用

利用无人机倾斜摄影技术开展房地一体化项目，不仅可提供高精度地形图，还可提供三维模型、数字正射影像图、数字高程模型，丰富成果内容，此外还可为村庄规划、国土空间规划等工作提供基础数据。

4 结束语

本文介绍了探地雷达的工作原理，通过正演实验分别分析了典型金属、非金属介质以及电缆的灰度图和单道波形图特征，并将探地雷达应用于宜昌市某变电站改造工程中，实现了在非开挖条件下探测与识别变电站地下隐蔽管线的目的，得到如下结论:在探地雷达高频电磁波的辐射下，地层介质中的金属、非金属介质以及电缆三者的探测图像形态各异，由于高频电磁波信号在电缆周围空间存在明显的电磁波振荡现象，致使电缆的探测灰度图十分特殊，辨识度较高。因此，可以直接根据波形特征直接识别出地层中的电缆。

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