探地雷达在地下管线探测中的应用

郭志伟 潘长风

(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

·测量·

探地雷达在地下管线探测中的应用

郭志伟 潘长风

(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

介绍了探地雷达探测技术的原理，从天线中心频率、波速、时窗、测线四方面，总结了数据采集时参数的设置，并结合工程实例，阐述了数据处理的流程和方法，为今后同类研究提供参考。

探地雷达，地下管线，数据采集技术，波速

随着国家经济的快速发展，促使城市基础建设投入不断加大，地下管线在有限空间中呈现出纵横交叉、密集并行等复杂的敷设状态。现有的管线数据资料不完善，在地下管线维护、维修过程中难以精确定位各管线的空间位置，同时给城市地下设施的建设、规划带来诸多不便[1]。基于探地雷达探测地下管线技术，地下管线雷达图像解译时主要取决于探测人员的工程经验，缺乏判识的客观标准，故亟需建立丰富的地下管线雷达图像库[2,3]。雷达图像的正确识别为今后地下管线的维护、维修等工作提供了保障，同时也为城市地下空间的开发利用提供可靠信息。

1 探地雷达探测技术的原理

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是以目标体与周围介质的电性差异为基础的一种电磁探测方法。它一般由控制单元、发射天线、接收天线、测距轮、计算机等几部分组成。它以宽频带短脉冲形式向地下发射电磁波，电磁波在传播过程中遇到电性差异(介电常数、电导率、磁导率)的介质，其路径、波形及电磁场强度会随之发生变化，通过接收天线收到来自不同介质分界面的反射波，确定地下被测目标体的空间位置[4,5]，如图1所示。

2 探地雷达的数据采集技术

探地雷达参数的设置直接影响着探测效果，关系着是否可以准确获得地下目标体的位置信息，合理地设置探测参数是取得最佳探测效果的保障，主要的探测参数有天线中心频率、波速、时窗、采样率等[6-8]。其次，在探测过程中，测线的布置方法对探测效果起着不可忽视的作用，故在数据采集时一定要遵循地下管线探测原则，确保探测效果达到最佳。

2.1 天线中心频率的选定

探地雷达的探测深度主要由地下介质的电性和天线的中心频率决定，介质导电性越好，其探测深度越小；天线的中心频率越低，其分辨率越低，但探测深度却增大。探测时的天线中心频率由式(1)确定。

(1)

其中，f为天线的中心频率，MHz；x为空间分辨率，m；εr为地下介质的相对介电常数，见表1。

表1 常见介质的物理参数表

2.2 波速的设置

探测地下管线时，对于地下不同的介质，介电常数、导电率均不同，其电性差异又关系着电磁波在地下介质中的传播速度。如表1所示，已知地下介质的相对介电常数，利用式(2)直接求得波速。

(2)

其中，c为电磁波在空气中的传播速度，取3×108m/s；εr为对应介质的相对介电常数。

但在多数情况下，由于复杂的地下环境因素，雷达探测者并不能准确知道介质的介电常数，这时可以通过探测已知深度的目标体计算波速。假设目标体的深度值是h，电磁波在地下介质中的双程时间为t,电磁波的速度见式(3)。

(3)

通过已知深度的目标体校对得到的波速具有更高的可信度，用求得的波速探测目标体埋深时精度更高。一般情况下，在现场数据采集时用式(2)估算电磁波的速度，但在后期数据处理中，为了准确地获取地下目标体的有效信息，可采用式(3)校验波速，然后确定地下目标体的埋深。

2.3 时窗的设置

时窗直接关系着雷达图像中呈现的深度范围，为了确保所探测目标体的回波信号有效性，应合理地设置时窗。时窗可按式(4)估算。

(4)

其中，ω为时窗，ns；hmax为雷达所探测的最大深度，m；1.3为电磁波传播速度和目标深度的变化留出的余量值。

2.4 测线的布置

探地雷达和其他地球物理探测方法具有相似之处，探测时均需要遵循一定的探测原则，合理布置测线是保障良好探测效果的前提。测线布置时应注意以下几个方面：1)基于探地雷达工程探测中，多数情况是将雷达天线贴地进行探测，天线与地面耦合越好，直达波的干扰影响越小。为了确保探测时不由天线颠簸影响探测效果，测线尽量布置在场地较为平整的地方。2)在探测地下管线前，探测人员首先要对现场的基本情况有所了解，布置的测线尽可能地避开对探测效果有影响的干扰源。3)对于地下管线这一目标体的探测，为了确保后期解译图像的准确性，探地雷达探测时的测线应尽量与所测管线垂直。

3 地下管线的探测实例

3.1 工程背景

工程实例是哈尔滨市某园区的地下管线探测。近几年随着该园区的不断建设，地下管线种类繁多，敷设工况复杂，地下管线资料数据“打架”在所难免。为了方便今后地下管线维护、维修，在施工建设中避免挖断管线的现象，该园区已建立一个完善的管线资料数据库。依据该园区相关部门提供的管线走向图纸及管线属性资料，采用250 MHz的天线对部分管线进行探测试验。

3.2 数据处理及探测结果分析

探地雷达采集的图像是以脉冲反射波的波形形式进行记录。在采集过程中，由于受地下多种因素的影响，采集的原始数据有或多或少的干扰波，致使所测图像难以直接解译。为了能准确解译图像，数据处理过程中必须提高信噪比，即削弱干扰波，增强有

效信号。笔者运用Reflexw后处理软件对原始数据进行处理，主要流程如图2所示，经处理后的雷达图像如图3，图4所示。

从图3中可以看出，在距离探测起点7.8 m和20.6 m处均有埋深为2.2 m的地下管线，电磁波反射的双曲线清晰光滑，在两条双曲线的下方均有一条小弧线，这条小弧线是电磁波在管线底部的反射。根据电磁波在不同介质中的传播特性，可以断定这两根管线均为非金属材质，从双曲线的曲率及两翼长度判断其两管线直径大小相近。图4中左侧有两条相交的双曲线，其中有一根管线在管顶和管底均有波反射，可以判断其为非金属管线，另一根管线波反射强度较弱，推测均为非金属管线。图像右侧的双曲线与图像左侧相似，两条双曲线顶点在同一深度，并且双曲线曲率、两翼长度相近，判断其为两根直径大小一样的管线。

4 结语

探地雷达技术具有高效、经济、无损等优势，它作为一种新型的探测技术，其可靠度逐渐被人们所认可。探地雷达技术应用在地下管线探测中，依据雷达图谱特征可以提高判识图像的精度，有利于对地下管线的维护、维修等工作。对于地下介质复杂的环境，可将探地雷达与管线探测仪结合使用，充分发挥各自的优势，使探测效果最佳。

[1] 张 鹏,王旭东,王晓文,等.基于GPR的地下管线图谱特征的正演研究[J].地下空间与工程学报，2014，10(2):304-311.

[2] 向 伟.基于探地雷达城市地下空间图像的探测识别研究[D].长沙：湖南大学，2014.

[3] 尹光辉.基于GprMax的道路空洞探地雷达图像正演模拟[D].长安：长安大学，2015.

[4] 于 颖.地质雷达技术在公路路面检测中的应用[J].交通标准化，2014，42(12):5-7.

[5] 王先桃，包 太.地质雷达在某公路路面检测中的应用[J].贵州大学学报，2010，27(3):114-117.

[6] 胡少伟，陆 俊，王国群.地质雷达在探测地下富含水区域中的应用[J].水利水运工程学报，2012(6):33-37.

[7] 赵艳玲，胡振琪，杨俊国，等.基于探地雷达的农田地埋管管径探测[J].农业工程学报，2012，28(12):153-158.

[8] 苏兆峰,陈昌颜,肖 敏.探地雷达探测地下管线的机理和应用研究[J].岩土工程技术，2013，27(4):191-195.

Application of Ground Penetrating Radar detect underground pipelines

Guo Zhiwei Pan Changfeng

(SchoolofArchitectureandCivilEngineer,HeilongjiangUniversityofScience&Technology,Harbin150022,China)

The paper introduces the principle for the Ground Penetrating Radar technique, sums up the allocation for the parameter in the data collection from the antenna center frequency, wave velocity, time window, and measurement, and illustrates the procedure and methods by combining with the engineering cases, so as to provide some reference for similar research.

GPR, underground pipeline, data collection technique, wave velocity

1009-6825(2017)20-0202-02

2017-04-24

郭志伟(1989- )，男，在读硕士； 潘长风(1987- )，男，在读硕士

TU195

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