丁肇偉

摘 要：根據(jù)探地雷達(dá)的探測(cè)原理及技術(shù)參數(shù)影響因素，以工作實(shí)例，介紹如何根據(jù)管徑、埋深確定天線頻率、天線距、采樣點(diǎn)距、時(shí)窗等探地雷達(dá)技術(shù)參數(shù)；并選擇已知埋深的管線，對(duì)波速進(jìn)行實(shí)地測(cè)定，以便在探地雷達(dá)剖面上對(duì)目標(biāo)體的埋深作出精確解釋。

關(guān)鍵詞：地下管線 探地雷達(dá) 分辨率

中圖分類號(hào)：U415.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（a）-0000-00

自2007年起至今，我公司成功引進(jìn)了瑞士瑪拉公司的RAMAC_GPR型探地雷達(dá)，并運(yùn)用探地雷達(dá)對(duì)探測(cè)地下管線空間屬性的參數(shù)選擇方面做了探測(cè)研究。

1 研究?jī)?nèi)容

① 探地雷達(dá)現(xiàn)有性能研究；② 探地雷達(dá)針對(duì)各種情況下的管線探測(cè)的參數(shù)對(duì)比選擇；③ 利用分辨率對(duì)獲得的圖像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別；④ 利用工作頻率對(duì)雷達(dá)的探測(cè)能力進(jìn)行控制。

2 探測(cè)方法與技術(shù)

探地雷達(dá)的觀測(cè)方法主使用反射法，反射法可分為剖面法、寬角法和多天線法等。

圖1 探地雷達(dá)主要使用探測(cè)方法

剖面法的特點(diǎn)是發(fā)射天線（T）和接收天線（R）的間距（稱為收發(fā)距或天線距）固定，沿測(cè)線同步移動(dòng)逐點(diǎn)測(cè)量的一種方式。天線距由式 =2D/ ε-1（D為目標(biāo)體埋深）計(jì)算；測(cè)點(diǎn)間距應(yīng)小于波長(zhǎng)的1/4。記錄點(diǎn)位于T 和R 的中點(diǎn)，發(fā)射天線和接收天線在每一測(cè)點(diǎn)都可以得到一個(gè)記錄。當(dāng)發(fā)射天線與接收天線沿著測(cè)線同步移動(dòng)時(shí)，就能得到由一個(gè)個(gè)記錄組成的探地雷達(dá)剖面圖象。在剖面圖象上，橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)位置，縱坐標(biāo)為雷達(dá)脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經(jīng)地下界面反射后返回到接收天線的雙程走時(shí)。

2.1分辨率

分辨率就是指區(qū)分兩個(gè)以上目標(biāo)體或識(shí)別小目標(biāo)體的能力。探地雷達(dá)的分辨率又分為縱向（即垂直）分辨率和橫向（即水平）分辨率。影響分辨率的主要因素有以下幾個(gè)方面。

①主頻和頻帶寬度?？v向分辨率和橫向分辨率都與反射波的主頻有關(guān)，信號(hào)主頻越高，分辨率也就越高，為了提高探地雷達(dá)的分辨率，應(yīng)當(dāng)在提高脈沖主頻的同時(shí)，加寬脈沖頻率響應(yīng)的頻帶寬度。②信噪比。在實(shí)際工作中，需要對(duì)所采取的方法和技術(shù)作具體分析。在某些情況下，提高信噪比與提高分辨率是相互矛盾的，難以對(duì)二者同時(shí)兼顧。例如，在探測(cè)上、下重疊相距較近的平行管線時(shí)，為了不使上部管線的反射回波因延續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)而對(duì)下部管線的反射造成干擾，或者說(shuō)為了使兩管均能分辨，應(yīng)當(dāng)盡量壓縮脈沖寬度，也就是拓寬頻帶寬度，但有可能將干擾電磁信號(hào)記錄下來(lái)，從而降低了信噪比。③子波相位與形態(tài)。高分辨率的子波應(yīng)該是具有主瓣寬度窄、旁瓣與主瓣振幅比值小且尾部振幅衰減快等特征的零相位子波。④采樣率。采樣率包括時(shí)間采樣率和空間采樣率兩個(gè)方面。無(wú)論在時(shí)間域還是空間域進(jìn)行采樣，采樣間隔都應(yīng)滿足采樣定理。

2.2工作頻率

探地雷達(dá)的探測(cè)深度和分辨率是表明其探測(cè)能力的重要技術(shù)參數(shù)，而探測(cè)深度和分辨率都與工作頻率有關(guān)，所以工作頻率的高低直接控制探地雷達(dá)的探測(cè)能力。探地雷達(dá)工作頻率（即天線中心頻率）的選擇應(yīng)同時(shí)考慮到探測(cè)深度與分辨率的要求。在無(wú)磁性介質(zhì)中，電磁波的趨膚深度δ=503 ，可見(jiàn)δ隨介質(zhì)電阻率的增加和頻率的減小而增大。當(dāng)介質(zhì)性質(zhì)一定時(shí)，天線中心頻率越高，不但波形特征會(huì)發(fā)生變化，且波的能量衰減更劇烈，探測(cè)深度也越小。然而，當(dāng)頻帶寬度一定時(shí)，探地雷達(dá)的分辨率卻是隨工作頻率的提高而變好的。

3工程實(shí)例

3.1單管線探測(cè)實(shí)例

在上海寶山區(qū)，采用探地雷達(dá)方法（雷達(dá)儀器型號(hào)：RAMAC-GPR型）對(duì)一條管徑為600mm的雨水砼管進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)時(shí)所選的技術(shù)參數(shù)為：天線頻率為100MHZ，天線距為0.6m，采樣點(diǎn)距為0.1m，時(shí)窗為100ns。根據(jù)被測(cè)管線在雷達(dá)剖面上反射同相軸極小點(diǎn)的水平位置，可得到管道中心的地面投影在測(cè)線上2.2m處。為了求出該給水砼管的埋深，在該管附近另一條已知埋深的排水管道上進(jìn)行原位波速測(cè)定。

已知該排水砼管直徑為800mm，管頂埋深h=1.08m， 從雷達(dá)剖面上讀得單程反射回波走時(shí)t=13.33ns，故求得電磁波在該地段的速度v=0.081m/ns。給水管道反射回波同相軸極小點(diǎn)的雙程走時(shí)為21.5ns，由此，求得該管頂埋深為0.87m。

為了選擇恰當(dāng)?shù)奶綔y(cè)參數(shù)，使探地雷達(dá)方法在對(duì)該砼管中取得高質(zhì)量的記錄剖面，我們對(duì)該區(qū)域另一條1200mm 的雨水砼管進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。觀測(cè)時(shí)所采用的技術(shù)參數(shù)及雷達(dá)圖象的解釋結(jié)果均在圖中作了相應(yīng)說(shuō)明。從解釋結(jié)果可以看出，兩種天線頻率對(duì)給水管道的平面定位相同，均為2.5m；但定深有微小差別，二者相差僅1cm。然而通過(guò)對(duì)比還可以看出，當(dāng)天線中心頻率由100MHZ 提高至250MHZ，波長(zhǎng)由0.81m減小到0.324m，所以使得圖記錄分辨率有了明顯的提高，縱向上的分層能力得到了加強(qiáng)，管道兩側(cè)介質(zhì)的變化也在剖面上有了顯示。這說(shuō)明，在探測(cè)平行密集的金屬管道或非金屬管道時(shí)，應(yīng)提高天線的中心頻率，并拓寬頻帶寬度。以上結(jié)果可以看出：在應(yīng)用探地雷達(dá)方法進(jìn)行探測(cè)時(shí)，技術(shù)參數(shù)的選擇是非常重要的。另外，為了在探地雷達(dá)剖面上對(duì)目標(biāo)體的埋深作出精確解釋，應(yīng)在不同地區(qū)、不同路段，選擇已知埋深的管線，對(duì)波速進(jìn)行實(shí)地測(cè)定。

3.2 多管線探測(cè)實(shí)例

根據(jù)雷達(dá)記錄，可以解釋出在該剖面上共有五條地下管線，其平面位置分別為：2.2m、6.4m、8.6m、12.0m以及20.0m；反射波同相軸極小點(diǎn)所表示的管頂埋深分別為1.4m、1.8m、1.4m、1.4m和1.8m。其中，水平位置分別在6.4m 和8.6m 兩處的異常響應(yīng)較弱。結(jié)合實(shí)地情況，并運(yùn)用管線儀驗(yàn)證，它們是專業(yè)屬性分別為電力電纜（槽盒底）、排水管道（管頂）、煤氣管道（管頂）、給水管道和給水管道（管頂）的反射異常。

從以上雷達(dá)剖面可以看出，由于探地雷達(dá)所接收的信號(hào)是地下具有不同電磁性質(zhì)介質(zhì)的界面反射，所以，當(dāng)包括地下管線在內(nèi)的地下埋設(shè)物以及局部不均勻體的分布十分復(fù)雜時(shí)，脈沖在通過(guò)地下介質(zhì)的過(guò)程中，波形和波幅將發(fā)生較大的變化。另外，由于脈沖余震、系統(tǒng)干擾、地下介質(zhì)不均勻引起的散射以及剖面環(huán)境干擾，均使得雷達(dá)實(shí)時(shí)記錄圖象容易發(fā)生變化而難以分辨。如果覆蓋層中有較多的雜填土（如磚塊、水泥塊等建筑垃圾），則使雷達(dá)反射波組變得紊亂，難以對(duì)管道反射異常作出正確得判斷，更談不上精確定位和定深。因此，在復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行管線探測(cè)時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)地調(diào)查，并將探地雷達(dá)與金屬管線探測(cè)儀密切配合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。

4 總結(jié)

本文應(yīng)用研究理論和實(shí)際工程相結(jié)合證明，探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)能夠?qū)Φ叵鹿芟冗M(jìn)行可行性的探測(cè)。

探地雷達(dá)作為一種無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，具有快速、連續(xù)、高精度、高分辨率、實(shí)時(shí)成像的特點(diǎn)，探地雷達(dá)的探測(cè)深度和分辨率是表明其探測(cè)能力的重要技術(shù)參數(shù)，而探測(cè)深度和分辨率都與工作頻率有關(guān)，所以工作頻率的高低直接控制探地雷達(dá)的探測(cè)能力，只有合理選擇收發(fā)天線間距、測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距、記錄時(shí)窗、時(shí)間采樣率、天線的工作方位、天線尺寸與脈沖寬度等參數(shù)，才能獲得比較理想的探地雷達(dá)探測(cè)記錄資料，更全面地反映地下管線真實(shí)情況。

在探地雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用中，地表的強(qiáng)烈反射波、直接耦合波、噪聲干擾等干擾因素很可能會(huì)將有用信息掩蓋，嚴(yán)重影響圖像的質(zhì)量，并且獲得的圖像資料需要專業(yè)人士進(jìn)行解釋，這就使得資料解釋有很大的主觀性，并且無(wú)法人為的分辨出地下管線的精確位置，也就無(wú)法采取相應(yīng)的緊急措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 李大心，探地雷達(dá)方法與應(yīng)用，北京：地質(zhì)出版社1994.12 ISBN 7-116-01771-2

[2] 劉傳正，地質(zhì)災(zāi)害勘查指南，北京：地質(zhì)出版社