趙 鐠

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100038）

三維探地雷達(dá)技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用研究

趙 鐠

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100038）

為了提高城市地下管線探測(cè)精度，對(duì)道路病害（尤其是空洞）進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，及時(shí)治理，避免或大大減少管線事故和道路塌陷事故發(fā)生，我們開展了三維探地雷達(dá)技術(shù)研究，并將其應(yīng)用于城市地下管線探測(cè)、道路病害檢測(cè)等市政工程領(lǐng)域。結(jié)果表明，由于三維探地雷達(dá)具有空間采樣率高，成像準(zhǔn)確，分辨能力強(qiáng)，解譯技術(shù)手段豐富等優(yōu)勢(shì)，在城市地下管線探測(cè)、道路病害檢測(cè)工作中應(yīng)用效果顯著。

三維探地雷達(dá)；管線探測(cè)；道路病害檢測(cè)

0 引言

近年來(lái)，城市道路塌陷事件頻繁發(fā)生。北京、大連、哈爾濱、深圳、廣州、南京、合肥、長(zhǎng)沙、南寧、太原等都出現(xiàn)過(guò)城區(qū)道路塌陷事件，輕則影響交通，重則造成生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。特別是近5年來(lái)，全國(guó)范圍城市道路塌陷災(zāi)害開始進(jìn)入集中爆發(fā)期。因此有效防范和減少我國(guó)城市道路空洞塌陷災(zāi)害的發(fā)生，保護(hù)城市公眾安全和城市的可持續(xù)和諧發(fā)展，道路空洞塌陷災(zāi)害的探測(cè)與防范治理已經(jīng)刻不容緩。探地雷達(dá)作為一種非破壞性的探測(cè)技術(shù)，可以安全地用于城市建設(shè)中的工程場(chǎng)地，并具有較高的探測(cè)精度和分辨率，目前已在管線探測(cè)、道路病害探測(cè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。三維探地雷達(dá)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，可以進(jìn)行高密度、快速無(wú)縫掃描。與二維探地雷達(dá)相比，具有海量數(shù)據(jù)、真三維歸位、地下物體真實(shí)還原等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)的實(shí)踐表明，其在管線探測(cè)、道路病害檢測(cè)等領(lǐng)域，效果顯著。

1 探地雷達(dá)工作原理及特點(diǎn)

探地雷達(dá)是利用超高頻脈沖電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布特征的一種地球物理方法（Harry，2011）。其工作原理是，寬帶脈沖發(fā)射天線將納秒高壓脈沖源提供的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖電磁場(chǎng)，并以脈沖電磁波形式射向目標(biāo)體。寬帶脈沖接收天線將來(lái)自目標(biāo)體的反射脈沖電磁波轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)傳送給寬帶采樣器后，用顯示器以時(shí)域方式顯示出來(lái)，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后給出時(shí)域特性或頻域特性顯示。在雷達(dá)移動(dòng)探測(cè)過(guò)程中，定時(shí)向地下發(fā)射脈沖電磁波，并不斷接收到目標(biāo)體的反射波,它們組成雷達(dá)剖面圖像（曾邵發(fā)，2006）。通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的判讀可確定目標(biāo)體（管道、洞穴、埋藏物、地層等）的分布特征，包括空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度等，其在巖土工程勘察、水文地質(zhì)勘察、工程質(zhì)量檢測(cè)、地下埋藏物探測(cè)、塌陷和巖溶勘察、礦產(chǎn)資源勘探和考古等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

探地雷達(dá)方法有以下特點(diǎn)：①探地雷達(dá)剖面分辨率高，其分辨率是目前所有地球物理探測(cè)手段中最高的，能清晰直觀地顯示被探測(cè)介質(zhì)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征；②探地雷達(dá)探測(cè)效率高，對(duì)被探測(cè)目標(biāo)無(wú)破壞性，其天線可以貼近或離開目標(biāo)介質(zhì)表面進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)效果受現(xiàn)場(chǎng)條件影響小，適應(yīng)性較強(qiáng)；③抗干擾能力強(qiáng)，探地雷達(dá)探測(cè)不受機(jī)械振動(dòng)干擾的影響，也不受天線中心頻段以外的電磁信號(hào)的干擾影響；④探地雷達(dá)反射法與地震反射法的基本物理限制不同：通常的地層界面地震波的反射系數(shù)相對(duì)較低，數(shù)量上只有百分之幾，而地層介質(zhì)中不同介質(zhì)的電磁性差異通常為彈性差異的2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，因而地層界面上雷達(dá)波的反射系數(shù)可達(dá)15%～30%；另外，導(dǎo)電性介質(zhì)對(duì)高頻電磁波具有強(qiáng)衰減吸收作用，因此，探地雷達(dá)探測(cè)在一些常見地質(zhì)介質(zhì)中的穿透深度非常有限。

2 三維探地雷達(dá)技術(shù)

2.1 三維探地雷達(dá)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的二維探地雷達(dá)相比，三維探地雷達(dá)有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①采用三維陣列天線技術(shù)，可采集到高密度、無(wú)縫拼接的海量雷達(dá)數(shù)據(jù)，不會(huì)造成地下信息的缺失（圖1）。②高密度采集獲得的縱橫向數(shù)據(jù)間距接近天線中心波長(zhǎng)的1/4，滿足高分辨率要求。③三維陣列式天線中，任何發(fā)射和接收天線的組合都是可能的，即任何發(fā)射天線輻射的信號(hào)都能被任何接收天線接收，這就做到了真三維采集，為將來(lái)全三維處理、解釋提供硬件實(shí)現(xiàn)的可能。④三維陣列式天線發(fā)射脈沖頻率一般可選擇從200MHz到1300MHz，高頻天線可做到超淺層的高分辨，低頻天線可保證一定的探測(cè)深度。⑤三維雷達(dá)工作時(shí)，通過(guò)帶基站動(dòng)態(tài)GPS對(duì)天線陣進(jìn)行高精度定位，控制精度可達(dá)到厘米級(jí)，這樣能保證雷達(dá)數(shù)據(jù)的精確歸位，得到真實(shí)、直觀的解釋圖像。⑥輕便化設(shè)計(jì)，可以采用多種（車載、人力）形式進(jìn)行資料采集，做到快速、便捷。⑦采用三維雷達(dá)專門的處理技術(shù)，可進(jìn)行三維偏移，使地下目標(biāo)體成像清晰、準(zhǔn)確，成果為三維數(shù)據(jù)體，可進(jìn)行任意深度水平切片展示。

圖1 三維地質(zhì)雷達(dá)天線陣列Fig.1 Antenna Array of 3D Geological Radar

2.2 采集、處理及解譯技術(shù)

（1）采集技術(shù)

三維探地雷達(dá)采集系統(tǒng)由三維陣列天線、主機(jī)、綜合定位系統(tǒng)、拖車系統(tǒng)4部分組成，為了在保證探測(cè)精度和解譯成果真實(shí)、可靠的同時(shí)，提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率，降低野外成本，針對(duì)不同工作環(huán)境和探測(cè)目的，需要對(duì)采集參數(shù)進(jìn)行論證、對(duì)比試驗(yàn)和優(yōu)化。經(jīng)過(guò)數(shù)十個(gè)項(xiàng)目的采集試驗(yàn)對(duì)比分析，確定了主要采集參數(shù)如下：①發(fā)射脈沖頻率：發(fā)射脈沖頻率越高，縱向分辨率越高，探測(cè)深度越小，因此，當(dāng)要求縱向高分辨率采集，而探測(cè)深度較淺時(shí)，如瀝青路面結(jié)構(gòu)、厚度探測(cè)，要采用高發(fā)射脈沖頻率，一般用1000MHz以上；當(dāng)要求分辨率較高，同時(shí)，深度相對(duì)較淺時(shí)，如管線探測(cè)，可采用，中等發(fā)射脈沖頻率，一般用400MHz；當(dāng)探測(cè)深度要求盡量大時(shí)，分辨率要求次之時(shí)，如道路下空洞探測(cè)，應(yīng)采用低發(fā)射脈沖頻率，一般用200MHz。②空間采樣率：從探測(cè)精度來(lái)看，當(dāng)然是空間采樣率越高越好。然而，我們知道三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，一條50m寬的道路，采集10km的三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量達(dá)到400G，另外，空間采樣率過(guò)高，也會(huì)限制采集行車速度，因此，空間采樣率的選擇要根據(jù)探測(cè)目的、要求精度、行車速度（采集效率）綜合考慮，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，空間采樣率一般選6cm～14cm×2cm～5cm。③疊加次數(shù)：根據(jù)環(huán)境噪音情況經(jīng)試驗(yàn)選擇疊加次數(shù)，疊加次數(shù)越大，信噪比越高，但采集速度越低。經(jīng)試驗(yàn)，疊加次數(shù)一般選4～8次。④車行速度：在不影響數(shù)據(jù)精度、可靠性的前提下，選擇較高的車行速度，通過(guò)試驗(yàn)確定。一般選10～30km/h。

（2）處理及解譯技術(shù)

三維雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)與二維雷達(dá)數(shù)據(jù)處理在地形編輯、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、濾波等有相同之處，但在噪音壓制、數(shù)據(jù)規(guī)則化、偏移方面又有所不同，它更強(qiáng)調(diào)在三維空間中進(jìn)行。

本課題在三維雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方面重點(diǎn)開展了擬地震資料處理、三維雷達(dá)數(shù)據(jù)偏移處理等的研究工作，取得了以下主要研究成果：①三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的定位與轉(zhuǎn)換：研究利用GPS軌跡計(jì)算各通道各數(shù)據(jù)道坐標(biāo)的方法研究，利用VC語(yǔ)言，編制計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)各通道各道的位置計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)三維探地雷達(dá)各通道數(shù)據(jù)的定位。利用雷達(dá)通用處理軟件，把三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)調(diào)入，為了與地震處理軟件兼容，輸出時(shí)選擇IBM格式，將坐標(biāo)相應(yīng)地放大，以保證坐標(biāo)小數(shù)點(diǎn)后二位的精度；并且把坐標(biāo)植入SEGY數(shù)據(jù)的道頭，設(shè)定了地震數(shù)據(jù)處理要用的相應(yīng)道頭，生成的SEGY數(shù)據(jù)為IBM16為整型格式，樣點(diǎn)數(shù)與原數(shù)據(jù)相同，輸出標(biāo)準(zhǔn)的SEGY文件。經(jīng)地震處理軟件解編，實(shí)現(xiàn)了與地震處理軟件之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。②三維雷達(dá)數(shù)據(jù)擬地震處理的模塊選擇與測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容有數(shù)據(jù)解編；道均衡模塊測(cè)試及參數(shù)選擇；濾波參數(shù)測(cè)試；反褶積模塊及參數(shù)測(cè)試；三維噪聲衰減模塊選擇和參數(shù)測(cè)試；三維偏移模塊選擇及參數(shù)測(cè)試；三維數(shù)據(jù)網(wǎng)格方法研究。③試驗(yàn)處理：對(duì)蘭州西津西路下立交東口三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬地震試驗(yàn)處理，下圖為試驗(yàn)處理后從全疊加數(shù)據(jù)體截取的時(shí)間切片（上）和三維偏移數(shù)據(jù)體截取的時(shí)間切片（下）（圖2）。對(duì)斯里蘭卡管線探測(cè)工程進(jìn)行了三維偏移試驗(yàn)處理，偏移后，能量得以聚焦，管線顯示更加清晰（圖3）。

圖2 三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)擬地震試驗(yàn)處理成果Fig.2 3D Geological Radar data pseudo seismic processing

圖3 三維偏移處理效果對(duì)比（上圖：疊加剖面 下圖：偏移剖面）Fig.3 Comparison of 3D migration(up:stack section down:migrated section)

三維雷達(dá)數(shù)據(jù)解譯與二維雷達(dá)數(shù)據(jù)解譯相比，技術(shù)手段更多，解譯信息密度更大，自動(dòng)功能更強(qiáng)。在垂直剖面方面，它可以在探測(cè)范圍內(nèi)沿任意方向切取剖面，可以進(jìn)行類比解譯；在水平切片方面，可以沿任意時(shí)間或深度切取屬性切片。將垂直剖面與水平切片聯(lián)合顯示、聯(lián)合解釋，做到了地下異常的真三維顯示與解譯，可大大提高解釋精度和可靠性。

3 應(yīng)用案例

3.1 管線探測(cè)

通過(guò)三維探地雷達(dá)采集，可以獲得6cm～14cm×2cm～5cm×1ns的GPR三維數(shù)據(jù)體，并以垂直時(shí)間剖面和水平時(shí)間切片聯(lián)合顯示的形式，能夠?qū)Φ叵鹿芫€進(jìn)行直觀的顯示。

圖4 北京某實(shí)訓(xùn)場(chǎng)三維探地雷達(dá)1.5m深度切片圖Fig.4 Depth-Section of 1.5 Meter in Beijing Trial Site

圖5 山西省清徐縣PE管探測(cè)Fig.5 PE Pipeline Survey in Qing Xu County Shan Xi

圖4為北京一個(gè)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)三維雷達(dá)數(shù)據(jù)在1.5m深度的切片圖，可以清晰看到左右兩根管線展布及在中部向下拐的顯示，它清晰地反映了管線的真實(shí)形態(tài)。圖5為山西省清徐縣PE管探測(cè)，在信號(hào)探測(cè)范圍內(nèi)，PE管均有較清晰的顯示。

3.2 道路病害檢測(cè)

我國(guó)以往對(duì)城市道路病害探測(cè)以二維探地雷達(dá)技術(shù)為主（張英杰等，2015）。多年來(lái)的實(shí)踐表明，二維探地雷達(dá)存在工作效率不高、橫向分辨率低和多解性問(wèn)題突出的缺點(diǎn)，而且探測(cè)成果的可靠性較差，這嚴(yán)重制約著該項(xiàng)工作的開展。為了提高工作效率和勘查精度，進(jìn)入21世紀(jì)以后，探地雷達(dá)逐漸向多通道二維和三維采集系統(tǒng)發(fā)展，青島電波所、大連中?？萍及l(fā)展有限公司、美國(guó)勞雷公司等眾多雷達(dá)研發(fā)、生產(chǎn)廠商均研制了二維多通道探地雷達(dá)采集系統(tǒng)，一般為2到5通道。而瑞典MALA公司、意大利IDS公司、美國(guó)三維雷達(dá)公司（原挪威三維雷達(dá)公司）相繼推出了三維探地雷達(dá)系統(tǒng)。1990年起，日本在全球率先使用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行地下空洞調(diào)查，對(duì)一些大的、危險(xiǎn)的空洞進(jìn)行工程填補(bǔ)。之后，日本在各城市重點(diǎn)區(qū)域定期探測(cè)、巡查，一旦發(fā)現(xiàn)塌陷隱患，立時(shí)填補(bǔ)，并啟動(dòng)預(yù)案對(duì)周邊加強(qiáng)檢測(cè)。三維探地雷達(dá)技術(shù)推出后，日本又迅速引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，定期開展公路病害探測(cè)工作。由于采用了道路病害定期檢測(cè)機(jī)制，日本東京由20年前每年大規(guī)模地陷次數(shù)多達(dá)20～25次，但最近20余年，東京卻每年僅有一至兩起大規(guī)模地陷，甚至數(shù)年未出現(xiàn)大規(guī)模地陷。

我們采用三維探地雷達(dá)技術(shù)分別在上海、杭州、長(zhǎng)春、邯鄲、南京、合肥、哈爾濱、蘭州等地進(jìn)行了公路病害檢測(cè)工作，取得了較好效果（圖6）。

3.3 道路結(jié)構(gòu)探測(cè)

公路事業(yè)的快速發(fā)展對(duì)道路質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法隨機(jī)性大,效率低,精度差,經(jīng)濟(jì)成本高,且具有破壞性,易導(dǎo)致道路破損加劇。探地雷達(dá)以其探測(cè)速度快、分辨率高、對(duì)探測(cè)對(duì)象無(wú)損害、可以得到連續(xù)成像信息等優(yōu)點(diǎn)在淺層精細(xì)地層結(jié)構(gòu)和隱蔽缺陷的高分辨率探測(cè)方面得到了廣泛的應(yīng)用（顏肖沙等，2014）,在開展道路結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面取得了令人滿意的效果。

圖6 三維探地雷達(dá)探測(cè)道路病害（上圖為空洞，下圖為脫空）Fig.6 Road Hazards Detection by 3D Geological Radar (Cavity& Voids)

3.4 市政工程

采用三維探地雷達(dá)，在某地高鐵沿線，對(duì)居民房屋建造時(shí)填埋多少土石方進(jìn)行探測(cè)。原來(lái)水塘基底埋深，上部回填土厚度非常清晰，達(dá)到了非開挖探測(cè)的效果（圖7）。

圖7 三維探地雷達(dá)在市政工程中的應(yīng)用Fig.7 Application of 3D Geological Radar in Urban Civil Works

4 結(jié)論

三維探地雷達(dá)是近年來(lái)發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，與傳統(tǒng)二維雷達(dá)相比具有縱橫向分辨率高，真三維歸位成像效果好，管線及道路病害檢測(cè)成像直觀，無(wú)縫掃描且工作效率高等優(yōu)勢(shì)。三維數(shù)據(jù)體的任意深度切片使得最終的檢測(cè)成果可以直觀、細(xì)致的全方位展示出來(lái)。實(shí)踐表明，其在管線探測(cè)和道路病害檢測(cè)等方面效果良好。

Harry M. Jol, 2011. Ground Penetrating Radar: Theory and Application[M]. 電子工業(yè)出版社：2-24。

顏肖沙，黃律群，屠偉新，2014. 3D探地雷達(dá)在道路特殊檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 市政設(shè)施管理，(2)：5-6.

曾邵發(fā)，劉四新，王者江，等，2006. 探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社.

張英杰，馬士杰，閆翔鵬，2015. 三維探地雷達(dá)在道路病害探測(cè)中的應(yīng)用[J]. 山東交通科技，(5)：80-82.

3D Ground-penetrating Radar Technology Study on the Municipal Engineering

ZHAO Pu

(China National Administration of Coal Geology , Beijing 100038)

In recent years, the deaths and injuries caused by underground-pipeline accidents and road collapses have been increasing. It is believed that the underground-pipeline accidents and road-collapsing due to underground cavity are accountable for a huge direct loss of billions RMB and posing severe threats to both public society and human lives. To improve the accuracy of underground-pipeline detection and prediction of road damages(especially cavities) for the timely solving of the problems, we carried out a study on the 3D ground-penetrating radar technology and its application in urban-underground-pipeline detection and road-related hazards survey. The results showed very good responsiveness by outstanding features of the 3D ground-penetrating radar such as high sampling rate, accurate imaging, good resolution, and diversity of interpretation methods.

3D ground-penetrating radar; Pipeline detection; Road-related hazards survey

A

1007-1903（2017）03-0100-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.0020

淺層地下空間勘查技術(shù)體系研究（ZMKG-2016-02）

趙鐠（1963- ），男，碩士，教高，主要從事煤田物探技術(shù)、三維探地雷達(dá)技術(shù)研究工作。E-mail：zhaopu1964@126.com