探地雷达在地下管线探测中的应用
张进华,马广玲,姚成虎,缪建文
(南京市测绘勘察研究院,江苏南京 210005)
摘 要:探地雷达技术是如今适应快速、准确、无损地探测地下障碍物而迅速发展的电磁技术。
本文通过结合工程实例来探讨探地雷达在地下管线探测中的广泛应用。
关键词:探地雷达;地下管线探测;异常反射
1 前 言
探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是一种对地下或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。
探地雷达以其探测的高分辨率和高工作效率而成为地球物理勘探的一种有力工具。
随着信号处理技术和电子技术的不断发展以及工程实践的增多和经验的丰富积累,探地雷达技术进一步发展,仪器不断更新,应用范围逐步扩大,现已被广泛应用于工程地质勘察、建筑结构调查、无损检测、生态环境等众多领域。
本文将以探地雷达在地下管线探测中的应用,说明探地雷达可以有效解决工程上的许多疑难问题,并总结了相关经验和应用效果。
2 探地雷达的原理及工作方法
探地雷达由地面上的发射天线将高频带短脉冲形式的高频电磁波定向送入地下,高频电磁波遇到存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面,由接收天线接收。
高频电磁波在传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性及几何形态而变化,故通过对时域波形的采集、处理与分析,可确定地下界面或地质体的空间位置及结构。
探地雷达通常以脉冲反射波的波形形式记录。
波形的正负峰分别以黑白表示,或者以灰阶或彩色表示,这样同相轴或等灰线、等色线即可形象地表征出地下反射面或目标体。
在波形图上各测点均以测线的铅垂反向记录波形,构成雷达剖面。
根据雷达剖面图便可
收稿日期:2003-07-09判断地下不明障碍物。
探地雷达在地下介质中的传播遵循波动方程理论。
探地雷达的探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电磁性质差异、目标体的深度与介质对电磁波的吸收作用、目标体的几何形态及规模、干扰波的类型、强度及特点等因素。
探地雷达具有不同的野外工作方法,根据工作区的具体情况可选择剖面法、多次覆盖法以及宽角法等测量方式。
实际工作中,测量参数(发射接收天线距、时窗、测点点距、天线中心频率、采样率等)可根据不同要求进行选择,从而得到不同分辨率及不同探测精度的雷达剖面。
通常在进入工作区前,应有目的地进行类似场地条件的参数选择试验,以达到最佳探测效果。
在进入工作区后应根据实际需要布置测线和测点,并让测线和测点尽量通过被测目的物。
在不明显的目的物上进行探测时应尽量加密线距和点距,以利于后面的资料处理与解释。
3 探地雷达的数据资料解释处理及在地下管线探测中的应用效果
近几年来,我们采用加拿大生产的pulse EKKO-100A型探地雷达从事了数百次的地下管线探测工作,取得了丰富的探地雷达探测资料及很好的应用效果。
3.1 资料的处理及解释
探地雷达探测资料的解释包括数据处理和图像解释两部分内容。
由于地下介质相当于一个复杂的滤波器,介质对电磁波的不同程度吸收及介质的不均匀性,
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使得脉冲电磁波到达接收天线时,波振幅减小,波形产生较大的变化。
另外不同程度的各种随机噪声干扰也歪曲了实测数据。
因此,必须对接收信号进行适当地处理,以改善数据资料,为资料的解释提供更清晰的图像。
目前,数据处理主要是对记录波形做处理,例如采用多次测量的平均来压制随机干扰;采用道平均和道间平均以压制目的体的杂乱回波,改善背景;做合适的时变增益或控制增益来补偿因介质吸收造成的能量衰减和抑制杂波;做滤波处理以除去高频杂波来突出目的体。
通过探测剖面可以识别出异常反射,然后再对其进行地质解释。
探地雷达资料的正演规律很大程度上帮助我们识别异常并进行解释。
作为管状目的体的地下管线的反射规律主要有:(1)地下管线的反射走时曲线在几何形态上呈双曲线;(2)地下管线在水平地面的投影位置可由其在探地雷达图像上双曲线同相轴的极小点来确定;(3)由于受电磁波的传播规律和记录方式等因素影响,地下管线在雷达图像上都有偏移问题存在;(4)根据探地雷达图像上双曲线同相轴的极小点的初至相位时间及天线距和相应介质的传播速度可计算出地下管线的管顶埋深。
3.2 探地雷达在地下管线探测中的应用分析
(1) 地下金属管线探测
城市地下管线属隐蔽工程,为了施工需要,往往要对其进行准确定位。
通常金属管线采用地下管线仪寻找,但对深部的大口径或连续性较差的金属管,因管线仪的应用效果不理想而多采用探地雷达进行探测。
由于金属管线的介电常数与周围介质明显不同,所以当电磁波入射到地下管道表面时,将产生较强的反射,通过对在地面上接收到的反射波同相轴几何形态、回波振幅及波形等特征的对比分析,便能确定地下金属管线的空间位置。
在南京市白下路污水管施工过程中,采用了EKKO -100A 型探地雷达,天线中心频率选用
200MHz ,并采用128道叠加技术,准确地探测到φ600铸铁煤气管和φ1200铸铁给水管的位置(如图1所示),为管道设计和施工安全提供了重要的参考依据。
(2) 地下水泥管的探测
由于管线仪无法探测非金属管线,因而自从引入探地雷达以后,水泥管的探测才成为可能。
影响探地雷达探测效果的主要物性参数是介电常数和电导率。
城市水泥管与其周围介质(土层、水、空气等)往往有一
定的差异,水泥管的内外界面的反射波的叠加效果视天线频率、管壁厚度、周围介质介电常数等因素而定。
由于介质的吸收系数与电导率成正比,因此当介质电阻率很小时,反射波衰减很大,造成反射波信号大大减弱。
在实际探测时,多采取在不同剖面位置进行探测,因为在不同地段地下介质的电性差异变化很大。
在金坛市管线普查过程中,采用了EKKO -100A 型探地雷达,选用200MHz 天线,取得了很好的探测效果,不仅
管顶反射清晰,而且还接收到较强的管底反射信号(如图2所示)。
图1 南京市白下路污水管工程中两根金属线的雷达图像
(a )φ1200铸铁自来水管的GPR 图像(b )φ600铸铁煤气管的GPR
图像
图2 金坛市管线普查中某两根不同管径下水砼管的雷达图像
(a )φ800污水砼管的GPR 图像(b )φ1200雨水砼管的GPR 图像
(3) 地下防空洞的探测
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3张进华等1探地雷达在地下管线探测中的应用 第3期
防空洞一般空间较大,多数砌砖壁或做混凝土拱顶,其与周围介质的电性差异较大,往往在雷达探测图形上呈现大抛物线形状且反射信号能量较大,因此选用探地雷达来探测防空洞既经济快速又实用有效。
浙江省诸暨市在做地下防空洞普查时,由于防空洞年久
失修,地下条件较差且复杂,不宜直接去调查测量,因此选用了EKKO -100A 型探地雷达,采用100MHz
天线进行探测,得到了非常好的测试剖面(如图3所示),并准确判别出防空洞的位置和埋深。
图3 浙江省诸暨市某个地下防空洞的雷达图像 图4 上海市黄埔江边军用光缆的雷达图像
(4) 地下光缆的探测
因EKKO -100A 型探地雷达使用无屏蔽天线,而空中电缆发射的电磁波在空气中衰减很小,因此其干扰一般强度大,影响范围较宽,一旦与有效异常叠加,便影响探测效果。
但这也给了我们启发,利用探地雷达的这种特性来探测地下光缆。
通常光缆直径仅几厘米且埋深较深,探地雷达的分辨率和能量根本不能满足光缆探测需要。
但光缆为了屏蔽外界干扰一般都在其四周加钢丝绳并通电,外面再加防水、防导电绝缘层,通电后产生的电磁波信号为光缆探测提供了可能。
在上海市黄埔江边便采用了EKKO -100A 型探地雷达(选用了100MHz 天线)对埋深达9m 左右的军用光缆进行了探测,反射信号非常强,图像清晰,从而准确判别出光缆的空间位置(如图4所示),为过江隧道的设计、勘察和施工提供了确切的资料。
4 结 论
探地雷达在地下管线探测中具有越来越重要的作用,且随着微电子技术的飞速发展,探地雷达硬件不断改进,雷达资料的处理与解释更加精确。
相信在不久的将来,探地雷达技术将在更广泛的应用领域里发挥更加重要的作用。
参考文献
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