摘要：輸電線路和變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，針對(duì)其建設(shè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的地層情況不明帶來(lái)的施工問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一種探地雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由雷達(dá)本體和介質(zhì)分析軟件2部分構(gòu)成，其中介質(zhì)分析軟件部分可以準(zhǔn)確判別并顯示地層介質(zhì)的埋深和類(lèi)型，通過(guò)變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)證明了該系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)；地層探測(cè)；成像分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TM757.1" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：陳秋航（1994— ），男，助教，碩士研究生；研究方向：雷達(dá)探測(cè)技術(shù)。

0" 引言

隨著我國(guó)電力行業(yè)的蓬勃發(fā)展，輸電線路里程不斷增加。根據(jù)國(guó)際能源署頒布的報(bào)告，為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”以及可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，目前全球需要改造或新建的輸電線路里程約為0.8億km。輸電線路和變電站一同作為發(fā)電廠和用戶(hù)間的紐帶［1］，其新建、擴(kuò)建和改建都是必然趨勢(shì)。而無(wú)論是輸電線路還是變電站的建設(shè)，都離不開(kāi)對(duì)地下情況的探測(cè)。尤其對(duì)于年代較為久遠(yuǎn)的變電站內(nèi)部，其地層介質(zhì)種類(lèi)多、地下管線布局復(fù)雜，考慮到可能存在變電站圖紙老舊等情況，貿(mào)然動(dòng)工會(huì)對(duì)地下的重要管線（例如電纜、水管等）造成破壞。因此，對(duì)于地下管線的類(lèi)型識(shí)別、深度定位都是值得研究的問(wèn)題。目前，學(xué)術(shù)界對(duì)于電力類(lèi)的地下勘探工作并無(wú)定法，主要是以公路探測(cè)、礦區(qū)探測(cè)和市政探測(cè)為主，主流方法為陀螺儀法［2］、雷達(dá)探測(cè)法等。本文介紹了一種適用于電力工程行業(yè)的地層情況勘探探地雷達(dá)系統(tǒng)，能夠有效完成地層介質(zhì)類(lèi)型的識(shí)別和定位。

1" 探地雷達(dá)工作原理介紹

探地雷達(dá)作為一種應(yīng)用廣泛的地下介質(zhì)探測(cè)裝置，目前在城市地下管線探測(cè)、公路地下情況探測(cè)和電力工程類(lèi)探測(cè)方面應(yīng)用較為廣泛。相較于其他地下管線探測(cè)方法，探地雷達(dá)在探測(cè)深度、便攜性具有明顯優(yōu)勢(shì)，且其無(wú)須挖掘地表，不會(huì)造成地表破壞或工期延誤，實(shí)用價(jià)值高。探地雷達(dá)探測(cè)的基本原理如圖1所示。

探地雷達(dá)基本的工作原理是不同介質(zhì)對(duì)于電磁波的反射波形有所差別，因此其能夠反映不同的介質(zhì)類(lèi)型。地層介質(zhì)的埋深可表示為：

h=（vt）2-x22（1）

其中，t和v分別為電磁波在地層中的雙向傳播時(shí)間和傳播速度，x為探地雷達(dá)接收天線和發(fā)射天線間的距離［3］。

考慮到雷達(dá)接收天線和發(fā)射天線之間的距離一般遠(yuǎn)小于地層介質(zhì)的埋深，即滿(mǎn)足xh，此時(shí)可對(duì)式（1）進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到式（2）。

h=ct2εr（2）

其中，c為發(fā)射電磁波的波速，一般取其在真空中的速度，為常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)。

考慮探地雷達(dá)在應(yīng)用時(shí)，地層介質(zhì)的表面多為水泥、土壤或堅(jiān)硬的巖石，上述物質(zhì)對(duì)電磁波的損耗通?？梢院雎?。故本文不考慮該類(lèi)介質(zhì)對(duì)于電磁波的衰減作用，僅考慮地層介質(zhì)對(duì)電磁波的反射作用。

2" 探地雷達(dá)系統(tǒng)介紹

2.1" 雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成

本探地雷達(dá)系統(tǒng)由雷達(dá)本體和探測(cè)軟件2部分構(gòu)成，其構(gòu)成如圖2所示。

雷達(dá)本體的天線負(fù)責(zé)探測(cè)電磁波的發(fā)射與接收工作，其內(nèi)置的微處理器單元能夠?qū)⑻綔y(cè)信號(hào)傳遞到電腦主機(jī)的探測(cè)軟件中?？紤]到地層介質(zhì)的埋深有所不同，可通過(guò)功能按鍵和微處理器對(duì)探測(cè)信號(hào)的頻率進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定頻率的大小與探測(cè)深度成反比，設(shè)定探測(cè)頻率越高，其分辨率越大。探測(cè)頻率和探測(cè)深度關(guān)系如表1所示。噪聲處理單元用于降低探測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的噪聲信號(hào)，以提高信噪比。

探測(cè)軟件利用便攜式筆記本電腦作為探測(cè)數(shù)據(jù)接收端，對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和探測(cè)波形顯示。地層介質(zhì)解析部分可以顯示地層介質(zhì)的具體類(lèi)型和深度。利用配套的Wi-Fi裝置可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)主機(jī)和探測(cè)軟件的連接，避免有線連接的各種不便。接收天線的回波經(jīng)過(guò)算法處理變成直觀的波形數(shù)據(jù)供探測(cè)人員查看，地層介質(zhì)解析部分利用表格和標(biāo)注的形式對(duì)地層介質(zhì)給出直觀的解釋?zhuān)苊馊藶榕袛鄮?lái)的失誤。

2.2" 數(shù)據(jù)采集方式

本系統(tǒng)采用A-Scan法對(duì)地層介質(zhì)進(jìn)行掃描，A-Scan法是一種一維掃描方式，可顯示在不同深度下地層介質(zhì)的反射波形。地下電纜A-Scan波形如圖3所示，該波形是某一路段地下電纜的反射波形。

圖中，橫軸代表采樣時(shí)窗，縱軸為反射波形的電壓值。該反射波形表示隨著時(shí)間變化的探測(cè)物體的反射波形值?？v軸變化越劇烈，表面其反射越強(qiáng)。由于電纜周?chē)嬖诿黠@的電磁場(chǎng)效應(yīng)，通常情況下其波形反應(yīng)較為劇烈。

3" 探地雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用

本章通過(guò)實(shí)地探測(cè)驗(yàn)證本系統(tǒng)的實(shí)用性，選取擬擴(kuò)建變電站的某一區(qū)域作為實(shí)地探測(cè)點(diǎn)。該變電站投入運(yùn)行時(shí)間較久，加之中途歷經(jīng)擴(kuò)建、改造，原有圖紙無(wú)法準(zhǔn)確反映其地下各類(lèi)管道的走線，對(duì)其進(jìn)行探測(cè)具有很好的實(shí)際意義。實(shí)地探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

分別對(duì)2段道路的探測(cè)圖像進(jìn)行分析，如圖5所示為第一次地層情況實(shí)時(shí)探測(cè)的數(shù)據(jù)。

由圖5可以看出：2和3處的反射波形特點(diǎn)相似，為尖銳短波，該波形一般為水管等不帶電介質(zhì)。1處的波形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且雜亂無(wú)章，振蕩十分劇烈，符合電纜對(duì)于電磁波的反射特性。后經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖，確定探測(cè)結(jié)果無(wú)誤。

如圖6所示為一段較長(zhǎng)距離的探測(cè)波形的地層介質(zhì)分析。

本文利用地層介質(zhì)分析軟件對(duì)生成的探測(cè)波形圖進(jìn)行一鍵分析。上方區(qū)域?yàn)樘綔y(cè)波形的反射波形，下方區(qū)域?yàn)樘綔y(cè)波形具體的參數(shù)。各類(lèi)介質(zhì)通過(guò)紅色方框進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)明其序號(hào)、具體介質(zhì)類(lèi)型以及埋深。其A-scan波形可通過(guò)點(diǎn)擊上方區(qū)域進(jìn)行顯示，下方區(qū)域的具體參數(shù)與上方區(qū)域灰度圖的標(biāo)記一一對(duì)應(yīng)。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證，地層介質(zhì)分布、埋深和類(lèi)型均與本系統(tǒng)探測(cè)情況相同。

4" 結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)作為一種成熟的地層介質(zhì)探測(cè)方式，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不同的探測(cè)場(chǎng)景。本文針對(duì)電力行業(yè)地層介質(zhì)探測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種適用于輸電線路、變電站等場(chǎng)景的探地雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)顯示地層探測(cè)結(jié)果的波形，還能夠?qū)μ綔y(cè)結(jié)果進(jìn)行一鍵分析，直接顯示各類(lèi)介質(zhì)的類(lèi)型、埋深等數(shù)據(jù)，避免了人工查看煩瑣的工作流程、判斷地層介質(zhì)缺乏準(zhǔn)確性等問(wèn)題。通過(guò)某變電站內(nèi)部以及不同區(qū)域的實(shí)地探測(cè)和開(kāi)挖驗(yàn)證，本文證明了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。本探地雷達(dá)系統(tǒng)體積較小、通信方式簡(jiǎn)單，便于攜帶、組裝，具有很好的推廣價(jià)值。

由于條件所限，目前該雷達(dá)系統(tǒng)還不能做到對(duì)介質(zhì)進(jìn)行具體的劃分，例如在復(fù)雜的地層情況下，非金屬類(lèi)介質(zhì)可能包括地層空洞、水管、不同類(lèi)型的巖石等，而目前該系統(tǒng)只能將上述介質(zhì)全部歸結(jié)為非金屬類(lèi)介質(zhì)。此外，該系統(tǒng)在擴(kuò)展性上存在提升空間，例如結(jié)合全球定位系統(tǒng)對(duì)探測(cè)到的介質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)記并導(dǎo)入相應(yīng)的繪圖軟件，從而生成具體的地層介質(zhì)分布圖。

參考文獻(xiàn)

［1］戴璐.智能機(jī)器人在輸配電線路巡檢中的應(yīng)用［J］.無(wú)線互聯(lián)科技，2024（5）：87-89.

［2］胡玉洋，葉榮華，陳長(zhǎng)青.寧波市深埋非開(kāi)挖管線探測(cè)方法與應(yīng)用研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2021（增刊2）：156-161.

［3］耿宵慧，陳秋航.探地雷達(dá)技術(shù)在電力建設(shè)中的應(yīng)用研究［J］.重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2023（6）：17-20.

（編輯" 沈" 強(qiáng)）

Design of ground penetrating radar system for exploration of strata conditions in power construction

CHEN" Qiuhang

（Chongqing Electric Power College， Chongqing 400053， China）

Abstract： Transmission lines and substations are the important components of the power system. In order to solve the construction problems caused by unknown stratum conditions that may occur during their construction， a ground penetrating radar system is designed. The system consists of two parts：the radar body and the medium analysis software. The medium analysis software can accurately identify and display the buried depth and type of the stratum medium. The effectiveness of the system is proven through the field measurements of substations.

Key words： ground penetrating radar; stratum detection; imaging analysis