地質(zhì)雷達(dá)探測非金屬管線技術(shù)探討

文/謝宏橋 長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院 湖南長沙 410000

1、引言

隨著我國城市化進(jìn)程愈來愈快，人們開始重視地下空間的有效利用，相應(yīng)的，地下管線的數(shù)量也不斷增多，隨著新材料的發(fā)展，管線材質(zhì)也在不斷地推陳出新，非金屬材質(zhì)（如：PVC、PE、PCCP、PP等）的管道被大范圍地應(yīng)用到了地下管線的建設(shè)中去。特別地，由于非金屬管線具有重量輕、便于運(yùn)輸、便于安裝、防腐性強(qiáng)、不會對介質(zhì)造成二次污染等優(yōu)勢，能夠使得地下管線工程的施工更加方便順利，所以，非金屬管線被大量應(yīng)用到了給排水管道與煤氣管道中。在市政工程施工時，為了避免工程對地下管線造成破壞，施工單位必須在開始施工前對施工區(qū)域內(nèi)的地下管線進(jìn)行詳細(xì)的排查，此排查工作的探測技術(shù)一般采用的是地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)。

2、地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的原理

如果使用傳統(tǒng)的地質(zhì)探測技術(shù)來探測非金屬管線，并不能得到理想的效果，也不能滿足探測要求，但是，利用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)就可以得到滿意的效果。對于地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)，利用其對非金屬管線進(jìn)行探測依據(jù)的主要原理是電磁波的傳播。當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)向有耗介質(zhì)發(fā)射高頻的電磁波時，其傳播形式主要是寬頻帶短脈沖。在對地下管線進(jìn)行探測時，如圖1所示，若被探測地區(qū)的地下介質(zhì)完整且均勻時，電磁波不會有反射現(xiàn)象，即使有，被反射的能量也是非常弱的，但是，若被探測地區(qū)的地下有探測目標(biāo)的存在或者有其他異?，F(xiàn)象，雷達(dá)發(fā)射的高頻電磁波會被反射，而且，電磁波反射的路線、波形、強(qiáng)度會隨著探測介質(zhì)的幾何特性、電性特性的變化而變化，所以，當(dāng)技術(shù)人員在進(jìn)行探測時，可以通過雷達(dá)所發(fā)射的電磁波有沒有發(fā)生發(fā)射、反射的信號是什么樣的、接受電磁波的時間等實(shí)際情況來分析探測地區(qū)的地下介質(zhì)的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)等情況，比如，在探測非金屬管線時，簡單來說，如果地下無探測目標(biāo)，則雷達(dá)發(fā)射的信號不會發(fā)射反射，接受到波的時間會比較早，波形會很均勻；反之，接收到波的時間會比較晚，而且波形會因高頻電磁波發(fā)生了反射而變得復(fù)雜。具體來說，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波的信息傳播分為水平層面和豎直層面，其中，水平層面的電磁波波形是一條水平線，如果被探測區(qū)域的地下沒有管線，水平層面的電磁波的回波會同時回到雷達(dá)系統(tǒng)中，反之，電磁波會產(chǎn)生反射，碰到管線側(cè)邊的電磁波回因反射傳播更久的時間，其回到雷達(dá)系統(tǒng)中的時間也會更晚，此時，電磁波就不再是水平傳播，會呈拋物線。由此原理來看，地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的工作過程并不會對管線、建筑物等造成破壞，將其應(yīng)用到建筑工程的探測中，不僅有分辨率高、精度高的有點(diǎn)，還不會造成任何破壞，因此，地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到了工程中去。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

3、地質(zhì)雷達(dá)探測發(fā)非金屬管線的具體方法

3.1 選取恰當(dāng)?shù)膬x器設(shè)備參數(shù)

在地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的應(yīng)用中，最主要的設(shè)備就是雷達(dá)，在工作開始前，應(yīng)當(dāng)先對儀器設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，需要設(shè)置的參數(shù)主要有：中心頻率、時窗、采樣率等。

3.1.1 選擇合適的中心頻率

在選擇時，首先應(yīng)當(dāng)對計(jì)劃探測的非金屬管線（下文中稱為探測目標(biāo)）的深度、大小結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定，然后了利用公式確定中心頻率。一般情況下，可用頻率分別為100MHz、300MHz、500MHz的雷達(dá)天線利用剖面法測量。

3.1.2 確定時窗的具體數(shù)值

確定時窗的數(shù)值時應(yīng)當(dāng)考慮探測的最大深度、電磁波在相應(yīng)介質(zhì)中的傳播速度，根據(jù)公式（2.6h/v，h：最大深度，v：電磁波在相應(yīng)介質(zhì)中的傳播速度）得出時窗的具體數(shù)值。

3.1.3 確定采樣率

采樣率能夠反映反射波的采樣點(diǎn)間相差的時間。確定采樣率時，可采用Nyquist采樣定律，一般來說，采樣率比反射電磁波的最高頻率的兩倍還要大。對于大多數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)，其發(fā)射的脈沖的能量可覆蓋很廣范圍的頻率，所以，采樣率至少應(yīng)是中心頻率的3倍。為了使探測過程足夠完整，一般選擇采樣率為中心頻率的7倍左右。

3.2 確定管道的深度

設(shè)定好儀器設(shè)備的參數(shù)后，就可以確定管道的埋設(shè)深度。管道的埋設(shè)深度固定且可通過公式（v＊t/2,v：電磁波在土層中的傳播速度 ,t：電磁波從地表傳播到管線和土層的分界面所需時間的2倍值）計(jì)算得出。

實(shí)際上，技術(shù)人員一般用專用的雷達(dá)測試軟件來確定管道的深度，我們只需要輸入電磁波在土層中的傳播速度，軟件就能輸出深度剖面圖或者地下各處的深度值，軟件的輸出很直觀，所以應(yīng)用非常便捷。此外，從土層的反射波振幅與截面反射波相位特征，我們能夠大致得到管線的頂界面和大小，再結(jié)合反射波的相位特征還能夠得到管線的底界限。

圖2 圓形水泥管的雷達(dá)圖像

3.3 合理布置探測線路

布置探測線路也是一個很關(guān)鍵的步驟。理想情況下，探測地下管下應(yīng)當(dāng)垂直布線，這需要我們非常熟悉管線的分布與位置，這是不可能的，由于在探測的實(shí)際操作中，很多信息，尤其是管線的分布，都是未知的，為了使管線的探測更加準(zhǔn)確、有效率，我們需要認(rèn)真布置探測線路。

在探測的實(shí)際操作中，我們首先要對探測區(qū)域內(nèi)的具體資料及管線進(jìn)行初步的分析，在確定探測線路的間距后，對區(qū)域用等距測線進(jìn)行分區(qū)，沿橫向、縱向兩個測量方向進(jìn)行掃描，就能夠完成對整個探測區(qū)域的掃描。這樣得到的布設(shè)路線圖就是雷達(dá)區(qū)域測網(wǎng)。這個線路圖需要技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)出了合理的探測線路，就能夠高效地完成探測任務(wù)。

3.3.1 確定測線間距

確定測線間距是布置測線的基礎(chǔ)步驟、關(guān)鍵工作，進(jìn)行這個步驟時必須考慮到整個被探測區(qū)域的情況，需要根據(jù)區(qū)域情況調(diào)整測線間距，需要重點(diǎn)探測的局部位置，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加測線數(shù)量，相應(yīng)地，也要減小測點(diǎn)距離，這樣能夠使探測的質(zhì)量更高、更準(zhǔn)確。

此外，探測線路與雷達(dá)的天線有某種聯(lián)系。在實(shí)際的探測中，會存在探測盲區(qū)，隨著探測間距的增大，探測盲區(qū)的深度和面積也會增大，他們都和天線主瓣的寬度角有關(guān)系。若地下管線埋設(shè)位置比較淺，那么應(yīng)當(dāng)選擇較小的探測間距，但是，與其他探測目標(biāo)不同的是，地下管下是細(xì)長狀的，其截面大小固定，所以在探測時，可以將其側(cè)線間距適當(dāng)放寬，從而減少探測次數(shù)、提高效率。

3.3.2 確定測線方向

在完成探測間距的確定工作后，還要確定其方向，如果能夠選擇一個合適的側(cè)線防線，就能夠使得探測圖像的質(zhì)量有效提高，也能使得探測質(zhì)量大大提高。在選擇測線方向時，一般會選擇垂直走向，所以，技術(shù)人員在進(jìn)行探測工作之前，需要先詳細(xì)了解管線的相關(guān)資料、摸清管線的走向，然后選擇垂直于管線長軸的方向作為測線方向，這就是最佳測線方向。在城市中，由于大部分非金屬管線的管線會比較小，如果將平行管線方向確定為測線方向，很容易出現(xiàn)漏測情況，使得探測質(zhì)量整體下降。

4、對探測數(shù)據(jù)的處理

一般情況下，技術(shù)人員會用專業(yè)軟件對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。從地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的探測結(jié)果中，我們獲得的主要信息是探測目標(biāo)的形狀、位置、結(jié)構(gòu)，在采集探測目標(biāo)的時候，雷達(dá)系統(tǒng)在接受反射信息的同時，會接收到各種類型的干擾信息，只有將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對干擾電磁波進(jìn)行壓制、減少，才能使得有效信息凸顯出來，從而使雷達(dá)能夠準(zhǔn)確分辨出來，從而使得數(shù)據(jù)的判斷更加準(zhǔn)確。去除干擾波常用的方法有三種，分別是：數(shù)字濾波、影像的增強(qiáng)處理、反褶積。

結(jié)語：

綜上所述，對于非金屬管線的探測，地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)有非常顯著的識別能力與實(shí)踐效果。在利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行實(shí)際探測操作時，應(yīng)當(dāng)先從實(shí)際情況出發(fā)，將以雷達(dá)為首的儀器設(shè)備的參數(shù)合理設(shè)定，然后在布置測線時，要先進(jìn)行管線埋深的確定，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行探測線路的合理布置，再因地制宜確定探測線路的具體間距與方向。此外，為了避免干擾波對數(shù)據(jù)的干擾，應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行處理。