基于RIS探地雷達(dá)的地下管線探測實(shí)例

郭曉南，馮 磊，程 涌

（河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作454000）

1 引言

近年來，中國城市化進(jìn)程加快，城市建設(shè)和改造等各類工程項(xiàng)目日益增多，而每個城市的地下都是管線交錯、復(fù)雜異常，如光纜線、電力線、自來水管道、燃?xì)夤艿馈⑴盼酃艿赖?。由于時間久遠(yuǎn)，許多城市地下管線的分布無據(jù)可查，再加上不同的管線屬于不同的部門管轄，在對管線進(jìn)行維修活動或工程施工時，盲目開挖常會破壞其它管線，導(dǎo)致人員傷亡、通訊中斷、燃?xì)庑孤?、停水停電事故，造成每年大約450億的巨大經(jīng)濟(jì)損失。如果預(yù)先使用探地雷達(dá)查清地下管線的詳細(xì)分布情況，在進(jìn)行施工時就可以有針對性地開挖、大幅度減少工程量，同時大大降低了破壞管線和引發(fā)事故風(fēng)險，避免了不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

探地雷達(dá)作為一種先進(jìn)的物探手段，具有分辨率高、無損性、輕質(zhì)便攜、抗干擾能力強(qiáng)并能適應(yīng)野外作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。本文在對探地雷達(dá)進(jìn)行了可行性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對河南理工大學(xué)馨月湖南側(cè)排水管道進(jìn)行探測。經(jīng)過詳細(xì)研究，查清了該區(qū)排水管道的空間位置及埋藏深度，為排水管道維護(hù)維修和后期建設(shè)施工提供了基礎(chǔ)資料，為全面查清河南理工大學(xué)地下水管道提供了經(jīng)濟(jì)高效且可靠的手段。

2 探地雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀

探地雷達(dá)技術(shù)經(jīng)過近幾十年來的深入研究和不斷發(fā)展，取得了巨大的突破，目前在生產(chǎn)實(shí)際中已得到了廣泛的應(yīng)用。國外儀器生產(chǎn)廠商由于科研實(shí)力強(qiáng)、經(jīng)費(fèi)充足、技術(shù)水平遙遙領(lǐng)先，迅速占領(lǐng)了國際市場。70年代初我國才開始研究探地雷達(dá)，技術(shù)水平相對落后。目前市場上幾種主流探地雷有：美國地球物理探測儀器公司（GSSI）的SIR系列、意大利IDS公司的RIS系列和瑞典MALA公司的RAMAC系列等。

河南省生物遺跡與成礦過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河南理工大學(xué)）經(jīng)過調(diào)研對比，購置了意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS K2高精度探地雷達(dá)（圖1）。主要參數(shù)為：控制單元多至8個通道，可接8個單天線同時測量；時窗長度：4～9999nsec；迭加：最大至32768；發(fā)射速率：400k Hz；掃描速度：850掃／s；工作溫度：－10～50℃；工作功率：20W；A／D轉(zhuǎn)換率：16bit；分辨率：5psec。該雷達(dá)具有信號穩(wěn)定、分辨率高、軟件功能強(qiáng)大、輕質(zhì)便攜及能適應(yīng)惡劣的環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。本次排水管道探測借助于此探地雷達(dá)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

3 探地雷達(dá)工作原理

圖1 意大利RIS高精度探地雷達(dá)

圖2 探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)在探測地下管線時，產(chǎn)生周期性的高頻毫微秒信號，由發(fā)射天線T向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波經(jīng)過地下介質(zhì)界面的反射后由接收天線R接收（圖2）。電磁波在地下材料介質(zhì)中傳播時，由于通過的材料介質(zhì)的電性質(zhì)與幾何形態(tài)不斷發(fā)生變化，電磁波的傳播路徑、電磁場強(qiáng)度和波形亦將產(chǎn)生變化。因此，根據(jù)接收到波的雙旅程時間、振幅與波形資料，就可以推斷地下分界面、介質(zhì)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)地質(zhì)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及埋藏深度等相關(guān)信息。

由于地下管線材料與周圍巖石、土壤介質(zhì)材料的介電常數(shù)不同，電磁波在其分層界面處發(fā)生反射和透射，一部分電磁波能量衰減，另一部分電磁波返回地面，被接收天線接收，形成反射界面。根據(jù)接收天線收到的電磁波的特點(diǎn)就可以推斷地下管線的空間位置、粗細(xì)、材料及埋藏深度等相關(guān)信息。

4 探地雷達(dá)管線探測步驟

4．1 雷達(dá)參數(shù)的選擇

探地雷達(dá)測量參數(shù)選擇直接關(guān)系到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。需設(shè)置的參數(shù)有很多，現(xiàn)選擇重要的幾個參數(shù)進(jìn)行敘述。

（1）天線中心頻率：天線中心頻率的選擇很重要，因?yàn)樘綔y深度、分辨率與之息息相關(guān)，而探測深度和分辨率直接體現(xiàn)探地雷達(dá)探測能力，即中心頻率控制著探地雷達(dá)的探測能力。根據(jù)對探測區(qū)域排水管道的埋深和地面介質(zhì)的分析，本次實(shí)驗(yàn)采用200MHz的屏蔽天線進(jìn)行探測。

（2）A／D采樣分辨率：雷達(dá)的 A／D轉(zhuǎn)換有8Bit、16Bit、24Bit可供選用，隨著位數(shù)增加探測深度變大，動態(tài)記錄能力強(qiáng)，但采集速度會減慢，根據(jù)需要適宜選擇。

（3）增益方式選擇：適合選擇自動方式，當(dāng)?shù)孛娼橘|(zhì)發(fā)生明顯變化時，自動增益曲線應(yīng)重新拾取，以適應(yīng)相應(yīng)的探測環(huán)境，然后在新環(huán)境下進(jìn)行探測。

如果想要獲得理想的、準(zhǔn)確的探測數(shù)據(jù)，還要合理的設(shè)置掃描樣點(diǎn)數(shù)，掃描速率，增益點(diǎn)數(shù)，濾波設(shè)置，合理的采集方式和顯示方式等。

4．2 工作思路和流程

具體工作分為三個階段：第一階段——分析探測區(qū)地下排水管道概況，設(shè)置探地雷達(dá)參數(shù)，設(shè)計探地雷達(dá)測線布置方案；第二階段——戶外數(shù)據(jù)采集，本階段主要是根據(jù)室內(nèi)設(shè)計的測線布置方案，利用探地雷達(dá)對探測區(qū)區(qū)域進(jìn)行探測，采集相關(guān)的剖面數(shù)據(jù)；第三階段——數(shù)據(jù)處理和解釋，本階段通過對探地雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，結(jié)合探測區(qū)的實(shí)際情況，綜合各個雷達(dá)剖面的解釋結(jié)果，最終得到排水管道的地下埋藏情況。

5 管線探測可行性試驗(yàn)

為驗(yàn)證探地雷達(dá)儀器性能，尋找最合適的雷達(dá)參數(shù)，對河南理工大學(xué)校園內(nèi)已知地下管線區(qū)域進(jìn)行探測實(shí)驗(yàn)。分別選擇兩個區(qū)域進(jìn)行測試，區(qū)域一位于河南理工大學(xué)電氣學(xué)院樓南側(cè)，區(qū)域二位于河南理工大學(xué)安全學(xué)院樓南側(cè)。

圖3 電氣學(xué)院地下管線井蓋及對應(yīng)探地雷達(dá)剖面

通過對區(qū)域一（圖3）的探測，一方面測試了儀器能否正常使用，另一方面通過這一測試對金屬管道形成的雷達(dá)剖面有一個形象的認(rèn)識，由于金屬管線的介電常數(shù)與周圍介質(zhì)明顯不同，電磁波射到地面金屬管道時，將發(fā)生明顯的反射。我們在這次試驗(yàn)中認(rèn)識到了運(yùn)用探地雷達(dá)探測地下管線時應(yīng)注意的問題，掌握了探地雷達(dá)的正確使用方法。

圖4 安全學(xué)院地下管線井蓋及對應(yīng)探地雷達(dá)剖面

區(qū)域二（圖4）的測試對于我們進(jìn)一步認(rèn)識地下管道對電磁波的反射特點(diǎn)起到很大作用，尤其是非金屬管道。由于介質(zhì)的吸收系數(shù)與電導(dǎo)率成正比，因此非金屬管道反射電磁波波衰減很大，其反射曲線明顯沒有金屬管道波峰值高。

通過這兩個試驗(yàn)還可以了解到：（1）管道存在的標(biāo)志——剖面雙曲線形態(tài)；（2）波峰的大小和管道的直徑和材質(zhì)等有很大關(guān)系；（3）地下管線的地面分布位置由探地雷達(dá)的雷達(dá)剖面上雙曲線同相軸的極小點(diǎn)位置確定；（4）根據(jù)探地雷達(dá)圖像上雙曲線同相軸的極小點(diǎn)在垂直剖面的位置，可以從圖中讀出地下管線頂部位置埋深。

6 地下管線實(shí)際探測

經(jīng)過前期多次試驗(yàn)分析，取得了此次探測最理想的探地雷達(dá)采集參數(shù)，針對河南理工大學(xué)馨月湖橋南側(cè)局部公路排水管道走向進(jìn)行了探測（圖5和圖6），目的在于為今后在該區(qū)域的工程施工提供地下排水管道分布資料，同時也證明了探地雷達(dá)在地下管線探測應(yīng)用的可靠性。

排水管線探測結(jié)果分析：

根據(jù)圖7中測線3、5、6對應(yīng)的雷達(dá)探測剖面，結(jié)合探測區(qū)現(xiàn)場情況，在距所定基線附近4．7～5．3m范圍內(nèi)，瞬時信號能量團(tuán)比較集中，有明顯的剖面雙曲線異常，具體管道位置雙曲線同相軸的極小點(diǎn)確定為距基線5m左右，埋深由雷達(dá)剖面圖可以看出大約1．3m左右，雜亂反射較少，推斷為管線，并且由于管道的非金屬材質(zhì)原因，目標(biāo)體反射能量并不是很大，造成雙曲線幅值變小，圖像顏色淺。

圖5 測線工程布置示意圖

圖6 現(xiàn)場探測照片

測線2對應(yīng)的雷達(dá)探測剖面，在距基線5m左右，存在雜亂的雷達(dá)反射信號，從雷達(dá)剖面圖像中即可看出，其反射波波形復(fù)雜凌亂，同相軸錯亂，存在繞射，推斷該段管線可能由于年久失修，出現(xiàn)泥沙淤積管線現(xiàn)象。

通過對實(shí)地排水管道在馨月湖一側(cè)的露頭觀測，管線的分布情況與探地雷達(dá)的探測結(jié)論相一致。經(jīng)過雨天同類排水管道排水能力的實(shí)際對比，該管道的排水能力明顯低于其他管道，驗(yàn)證了以上推斷的正確性。

7 結(jié)論

本次探測采用RIS K2探地雷達(dá)查明了探測區(qū)排水管道的分布，確定了河南理工大學(xué)馨月湖南側(cè)地下排水管道地下走向分布，為學(xué)校對該區(qū)地下排水管道的維護(hù)維修和后期建設(shè)施工提供可參考依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的探測儀器和正確的工作方法，才能采集到高質(zhì)量的野外數(shù)據(jù)；另外在數(shù)據(jù)解釋時，可采用多種勘探手段相結(jié)合、縱橫雷達(dá)剖面相互配合的方法，才能減弱甚至消除地下管線實(shí)際探測中的諸多干擾因素，真實(shí)準(zhǔn)確地確定地下管線的空間分布情況。

圖7 測線2、3、5、6對應(yīng)的雷達(dá)探測剖面

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