丁肇伟

摘 要：根据探地雷达的探测原理及技术参数影响因素，以工作实例，介绍如何根据管径、埋深确定天线频率、天线距、采样点距、时窗等探地雷达技术参数；并选择已知埋深的管线，对波速进行实地测定，以便在探地雷达剖面上对目标体的埋深作出精确解释。

关键词：地下管线 探地雷达 分辨率

中图分类号：U415.12 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）10（a）-0000-00

自2007年起至今，我公司成功引进了瑞士玛拉公司的RAMAC_GPR型探地雷达，并运用探地雷达对探测地下管线空间属性的参数选择方面做了探测研究。

1 研究内容

① 探地雷达现有性能研究；② 探地雷达针对各种情况下的管线探测的参数对比选择；③ 利用分辨率对获得的图像进行目标识别；④ 利用工作频率对雷达的探测能力进行控制。

2 探测方法与技术

探地雷达的观测方法主使用反射法，反射法可分为剖面法、宽角法和多天线法等。

图1 探地雷达主要使用探测方法

剖面法的特点是发射天线（T）和接收天线（R）的间距（称为收发距或天线距）固定，沿测线同步移动逐点测量的一种方式。天线距由式 =2D/ ε-1（D为目标体埋深）计算；测点间距应小于波长的1/4。记录点位于T 和R 的中点，发射天线和接收天线在每一测点都可以得到一个记录。当发射天线与接收天线沿着测线同步移动时，就能得到由一个个记录组成的探地雷达剖面图象。在剖面图象上，横坐标为测点位置，纵坐标为雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射后返回到接收天线的双程走时。

2.1分辨率

分辨率就是指区分两个以上目标体或识别小目标体的能力。探地雷达的分辨率又分为纵向（即垂直）分辨率和横向（即水平）分辨率。影响分辨率的主要因素有以下几个方面。

①主频和频带宽度。纵向分辨率和横向分辨率都与反射波的主频有关，信号主频越高，分辨率也就越高，为了提高探地雷达的分辨率，应当在提高脉冲主频的同时，加宽脉冲频率响应的频带宽度。②信噪比。在实际工作中，需要对所采取的方法和技术作具体分析。在某些情况下，提高信噪比与提高分辨率是相互矛盾的，难以对二者同时兼顾。例如，在探测上、下重叠相距较近的平行管线时，为了不使上部管线的反射回波因延续时间太长而对下部管线的反射造成干扰，或者说为了使两管均能分辨，应当尽量压缩脉冲宽度，也就是拓宽频带宽度，但有可能将干扰电磁信号记录下来，从而降低了信噪比。③子波相位与形态。高分辨率的子波应该是具有主瓣宽度窄、旁瓣与主瓣振幅比值小且尾部振幅衰减快等特征的零相位子波。④采样率。采样率包括时间采样率和空间采样率两个方面。无论在时间域还是空间域进行采样，采样间隔都应满足采样定理。

2.2工作频率

探地雷达的探测深度和分辨率是表明其探测能力的重要技术参数，而探测深度和分辨率都与工作频率有关，所以工作频率的高低直接控制探地雷达的探测能力。探地雷达工作频率（即天线中心频率）的选择应同时考虑到探测深度与分辨率的要求。在无磁性介质中，电磁波的趋肤深度δ=503 ，可见δ随介质电阻率的增加和频率的减小而增大。当介质性质一定时，天线中心频率越高，不但波形特征会发生变化，且波的能量衰减更剧烈，探测深度也越小。然而，当频带宽度一定时，探地雷达的分辨率却是随工作频率的提高而变好的。

3工程实例

3.1单管线探测实例

在上海宝山区，采用探地雷达方法（雷达仪器型号：RAMAC-GPR型）对一条管径为600mm的雨水砼管进行探测。探测时所选的技术参数为：天线频率为100MHZ，天线距为0.6m，采样点距为0.1m，时窗为100ns。根据被测管线在雷达剖面上反射同相轴极小点的水平位置，可得到管道中心的地面投影在测线上2.2m处。为了求出该给水砼管的埋深，在该管附近另一条已知埋深的排水管道上进行原位波速测定。

已知该排水砼管直径为800mm，管顶埋深h=1.08m， 从雷达剖面上读得单程反射回波走时t=13.33ns，故求得电磁波在该地段的速度v=0.081m/ns。给水管道反射回波同相轴极小点的双程走时为21.5ns，由此，求得该管顶埋深为0.87m。

为了选择恰当的探测参数，使探地雷达方法在对该砼管中取得高质量的记录剖面，我们对该区域另一条1200mm 的雨水砼管进行了对比试验。观测时所采用的技术参数及雷达图象的解释结果均在图中作了相应说明。从解释结果可以看出，两种天线频率对给水管道的平面定位相同，均为2.5m；但定深有微小差别，二者相差仅1cm。然而通过对比还可以看出，当天线中心频率由100MHZ 提高至250MHZ，波长由0.81m减小到0.324m，所以使得图记录分辨率有了明显的提高，纵向上的分层能力得到了加强，管道两侧介质的变化也在剖面上有了显示。这说明，在探测平行密集的金属管道或非金属管道时，应提高天线的中心频率，并拓宽频带宽度。以上结果可以看出：在应用探地雷达方法进行探测时，技术参数的选择是非常重要的。另外，为了在探地雷达剖面上对目标体的埋深作出精确解释，应在不同地区、不同路段，选择已知埋深的管线，对波速进行实地测定。

3.2 多管线探测实例

根据雷达记录，可以解释出在该剖面上共有五条地下管线，其平面位置分别为：2.2m、6.4m、8.6m、12.0m以及20.0m；反射波同相轴极小点所表示的管顶埋深分别为1.4m、1.8m、1.4m、1.4m和1.8m。其中，水平位置分别在6.4m 和8.6m 两处的异常响应较弱。结合实地情况，并运用管线仪验证，它们是专业属性分别为电力电缆（槽盒底）、排水管道（管顶）、煤气管道（管顶）、给水管道和给水管道（管顶）的反射异常。

从以上雷达剖面可以看出，由于探地雷达所接收的信号是地下具有不同电磁性质介质的界面反射，所以，当包括地下管线在内的地下埋设物以及局部不均匀体的分布十分复杂时，脉冲在通过地下介质的过程中，波形和波幅将发生较大的变化。另外，由于脉冲余震、系统干扰、地下介质不均匀引起的散射以及剖面环境干扰，均使得雷达实时记录图象容易发生变化而难以分辨。如果覆盖层中有较多的杂填土（如砖块、水泥块等建筑垃圾），则使雷达反射波组变得紊乱，难以对管道反射异常作出正确得判断，更談不上精确定位和定深。因此，在复杂地区进行管线探测时，应结合实地调查，并将探地雷达与金属管线探测仪密切配合，发挥各自优势。

4 总结

本文应用研究理论和实际工程相结合证明，探地雷达探测技术能够对地下管先进行可行性的探测。

探地雷达作为一种无损检测设备，具有快速、连续、高精度、高分辨率、实时成像的特点，探地雷达的探测深度和分辨率是表明其探测能力的重要技术参数，而探测深度和分辨率都与工作频率有关，所以工作频率的高低直接控制探地雷达的探测能力，只有合理选择收发天线间距、测点点距、记录时窗、时间采样率、天线的工作方位、天线尺寸与脉冲宽度等参数，才能获得比较理想的探地雷达探测记录资料，更全面地反映地下管线真实情况。

在探地雷达的实际应用中，地表的强烈反射波、直接耦合波、噪声干扰等干扰因素很可能会将有用信息掩盖，严重影响图像的质量，并且获得的图像资料需要专业人士进行解释，这就使得资料解释有很大的主观性，并且无法人为的分辨出地下管线的精确位置，也就无法采取相应的紧急措施。

参考文献

[1] 李大心，探地雷达方法与应用，北京：地质出版社1994.12 ISBN 7-116-01771-2

[2] 刘传正，地质灾害勘查指南，北京：地质出版社