周义铨 吴树涛 张盛旺 辛 跃 黄聿相

（国网福建省电力有限公司宁德供电公司，福建宁德352100）

1 探地雷达的工作原理

探地雷达又称透地雷达，其整体结构组成如图1所示，主体构成包括电脑终端、雷达主机、电磁波发射电路、反射波接收电路、发射天线、接收天线。其工作原理如图2所示，当电磁波发射电路发射的电磁波在地层中传播时，若遇到地层中波阻抗差别较大的区域，即该区域内存在不同性质的介质相毗邻时，电磁波就会在不同介质的交界面上发生电磁波反射现象，而电磁波的反射波则会被探地雷达的接收天线检测并接收，最后通过分析反射波的频率、幅值等特性，作为判断地下介质类型的依据，从而确定地下被测管线的具体位置。

图1 探地雷达结构框图

图2 探地雷达原理示意图

2 探地雷达探测数据的采集

探地雷达在使用前参数设置是否合理将直接影响到最后探测结果的有效性和准确性。在探测前需要提前设置的雷达内部参数主要有发射天线的中心频率、系统的时窗，此外，合理规划探测路线也是提高探测结果准确性的保障。

2.1 中心频率的选择

电磁波发射电路发射的电磁波的中心频率是整个参数设置过程中非常重要的参数之一，它与探地雷达的探测分辨率和有效探测深度联系十分紧密。电磁波发射电路发射的电磁波频率越高，探地雷达在地层中的分辨率就越高，但电磁波频率越高，在地质中的衰减速度就越快，其有效探测深度就越浅；相反，电磁波频率越低，电磁波在地质中的衰减速度就越慢，探测的有效深度就越深，但其在地质中的分辨率就越低。应该强调的是，通过分析各种可能影响探地雷达分辨率的因素发现，传播介质的性质对探测分辨率的影响只是次要因素，提高探地雷达探测分辨率的根本性方法还是要根据实际的探测深度需求合理地选择发射电磁波的中心频率。探地雷达的分辨率与探地雷达发射的电磁波的中心频率之间的关系分别如式（1）和（2）所示：

式中，（Δd）min为垂直分辨率；Hmin为水平分辨率；c为电磁波在真空环境中的传播速度；fc为雷达发射电磁波的中心频率；εr为地质相对介电常数；μr为地层的磁导率；v为电磁波在地层中的传播速度；d为目标探测物的埋藏深度。

2.2 系统时窗的选择

系统时窗值的大小即电磁波在地质中往返一次传播所需的有效时间大小，所以所选时窗值的大小与探地雷达的有效探测深度直接相关。系统工作时所选择时窗值越大，则电磁波在地质中的传播时间越长，同一发射频率下雷达探测的有效深度也就越深；相反，所选的时窗值越小，其探测的有效深度就越浅。一般来说，一个完整的系统中会预设多个大小不同的时窗供操作人员选择，操作人员只需根据实际探测深度的需求选择合适的时窗即可。时窗的大小可由式（3）计算：

式中，ω为计算的时窗值；dmax为实际所需要探测的最大深度。

3 地下管线的探测实例分析

探地雷达的探测数据主要来源于电脑终端分析软件对所接收到的反射电磁波的分析。在探地雷达的电脑终端系统中，探测到的介质信息也主要是以波形的形式记录下来。但在探地雷达工作过程中，由于地层下的介质信息比较复杂，导致接收天线所接收到的信息中包含了大量的干扰信息，所以必须要利用相关的数据处理软件对探测的数据进行处理才能获得准确的介质探测信息。图3为探测过程中电脑终端接收的雷达图像，图4为经软件处理后得到的雷达图像。

图3 电脑终端接收的雷达图像

图4 经软件处理后的雷达图像

由图4可以看出：（1）在距离原点1.8 m和30.8 m处，分别有埋深为1.30 m和1.46 m的地下缆线，这两处的电磁波反射的波形相似，电磁波的影响深度较大，而且信号强度高，这主要是因为雷达波一直在缆线处不断重复反射；（2）在距离原点13.2 m和18.7 m处，有埋深分别为1.62 m和1.11 m的金属物，这两处的电磁波波形较为尖锐，信号强度高，而且电磁波在该介质处并没有重复反射的现象，所以可以判断这两处埋设有金属；（3）在距离原点27.2 m处，距离地面0.83 m处存在明显空洞，从图像上看，此处虽然有波形变化，但电磁波的反射波形并不明显，而且信号强度也非常弱，所以可以判断此处为空洞区域。

4 结语

探地雷达技术是近十几年来新兴的一种地质探测技术，其凭借制造成本低、探测效率高、可靠性强等优点而广泛应用于各种工程检测和地质探测中。将探地雷达技术应用于电力系统中的地下管线探测，不仅有助于提高电力系统工作人员对未知区域地下管线的探测效率，而且还能提高检修人员对地下管线的检修与维护效率，有效降低地下管线发生重大事故的概率，提高供电质量。但目前根据探测波形还只能分析出地层下是否埋设有管线，如果要达到能够根据探测波形快速判断出所埋设管线的数量以及管线管径大小的目标，则还需要以后开展进一步的研究。