应用探地雷达探查地下近间距非金属管线

张恩泽，欧元超，李建宁，汪振兴

（安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001）

应用探地雷达探查地下近间距非金属管线

张恩泽，欧元超，李建宁，汪振兴

（安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001）

地表以下近间距非金属管线的探测一直是工程检测中的一个难点，通常受城市道路下方复杂地层介质的干扰，造成对目标体的识别定位不够准确；为了提高对多根水平和复杂分布的非金属管线的探测解释精度，运用GprMax，结合MATLAB语言数值模拟计算和现场实测的方法，讨论了此类管线在探地雷达探测中的响应特征，结果表明：500 MHz屏蔽天线对地下非金属管线具有良好的分辨效果，当非金属管线埋深较大时，探地雷达对目标体的分辨率将降低，所得结论对识别探地雷达探测近间距非金属管线时的反射信号有一定的指导意义。

非金属管线; 近间距; GprMax; 数值模拟; 探地雷达

1 引言

城市地下空间中的管线类型及其分布相对复杂，在地下空间改造中需要进行探查与定位。合理准确探查地下管线的空间位置，可以减少决策规划、施工建设失误造成的经济损失，节约建设的经济成本。减少失误的同时，也为实现城区地下管道铺设的标准化、规范化、现代化奠定有力的基础。

目前，采用地球物理方法进行地下管线的探查是一种应用面广泛的技术手段，根据管线的类型及埋藏深度可以采用不同的方法技术，主要包括：电磁感应法、人工地震法、高密度电法、高精度磁法和磁梯度法等。其中电磁感应法、高精度磁法和磁梯度法只能探测金属管线；高密度电法在城市道路施工时，因电极与道路的耦合问题，受到了一定的限制；人工地震法也只能对埋藏较深和口径较大的金属或非金属管线探测效果显著[1-2]。相比较来说，金属管线的感应特征明显，易于进行探查，对地表以下复杂分布的非金属管线没有好的探测效果。探地雷达作为探测浅层地表特性的一种高新地球物理勘探手段，具有效率高、精度高和无损检测等特点，因此被广泛应用于地下管线的探测中。

本文针对城市道路下方复杂分布的非金属管线，采用数值模拟和现场原位测试的方法进行研究。通过采用500 MHz天线，模拟不同埋深和间距的管线雷达波响应特征，并与现场测试结果对比，讨论地下近间距非金属管线的反射特性与规律，为探地雷达探查管线的反射信号解释提供依据。

2 数值模拟

2.1 GprMax正演模拟理论基础

GprMax软件的理论基础是时间域有限差分法（Finite difference time domain，FDTD）。1966年，K.S.Yee首次提出Yee氏网格的空间离散形式，将麦克斯韦旋度方程的偏微分方程引入了一种差分格式，提出了时间域有限差分法。根据电磁波的传播规律，高频电磁波在介质中的传播遵循麦克斯韦方程组，即

Δ×B=0

Δ×D=ρ

上述四式是麦克斯韦方程组的微分形式，其中E为电场强度（V/m），B为磁感应强度（T），H为磁场强度（A/m），D为电位移（C/m2），J为电流密度（A/m2）， 为电荷密度（C/m3）。

Berenger于 1994年提出了完全匹配层（PerfectlyMatchedLayer，PML）。由于其通过在FDTD区域截断边界设置了特殊介质层，该层介质的波阻抗与相邻介质的波阻抗完全匹配。当入射波满足匹配条件为：

则无反射地被吸收掉[3-5]。

2.2 GprMax模拟探测

依据实际情况，利用GprMax构建相应的探查模型。编写模拟仿真文件，首先假设模型内的介质为混凝土，描述混凝土介质的各项物理参数;其次，设置模型大小4.0m×3.5m、离散步长dx=dy=0.002 5m、模拟时窗90ns;再次，是对模型结构和激励源的描述。模型结构可依据模拟情况进行相应更改。设置探地雷达天线中心频率为500MHz，电流幅度为1.0A的Riker脉冲波。接着，定义数据的采集和其它命令。假设探地雷达天线采用剖面法进行数据采集。发射天线的起始坐标为（0.087 5，0.107 5），接收天线的起始坐标为（0.112 5，0.1075），共采集194道。最后，定义模拟计算和模型几何信息。仿真文件定义好后，打开GprMax，读取仿真文件。计算完成后，程序会自动关闭，此时会生成两个二进制文件，分别为*.geo和*.out。编写MATLAB语言，读取模型几何图文件（*.geo）和数据剖面图文件（*.out）。根据数值模拟得到的雷达波形图，可分析500MHz天线探测不同埋深和间距下非金属管线的反射特性[6-7]。

2.3 正演模型与图谱分析

为研究500MHz屏蔽天线对3m以内浅复杂分布的非金属管线的探测能力，正演模型选用混凝土作为材料介质。在此基础上，对不同深度的水平近间距非金属管线以及多根复杂分布的非金属管线进行雷达波数值模拟。设计模型大小为4m×3.5m，共放置5根管径为300mm的非金属管线。管线中心从左到右的水平间距依次为0.3m、0.5m、0.8m和1.2m。

2.3.1 不同深度水平近间距非金属管线数值模拟

在不同深度水平近间距非金属管线模拟时，其中图1a、图1b和图1c非金属管线中心距离地面为0.5m、1.5m和 2.5m。

a

b

c

探地雷达的水平分辨率是讨论水平方向上所区分的最小异常体尺寸。水平分辨率遵循第一菲涅尔带半径公式

式中，h为目标体深度，λ为雷达子波波长。

从图1中可以看出，剖面中反射波出现的时间与理论计算的反射波旅行时间较为接近，表明了数值模拟结果的准确性。通过对比发现，不同深度下的数值模拟结果与理论分辨率基本吻合。

图1a为非金属管线中心埋深0.5m时的数值模拟结果。非金属管线在雷达电磁波反射图中呈现出开口向下的弧形曲线，且其弧顶位置即为管顶的水平及埋深位置，这5根非金属管线在不同的埋深下均有底反射，这是因为非金属管线与混凝土介质的介电常数差异较小，有部分能量传入了管底。当管线间距为0.3m时，两根管线侧壁贴在一起，其在雷达波形图上表现为连拱形态，且随着管线间距加大，单个管线的弧形信号分辨更加清晰。由此可知，在埋深0.5m时，探地雷达对分布密度较大的管线的分辨率较高。但当管线中心埋深变化为1.5m（图1b）和2.5m（图1c）时，管线信号的弧线趋于平缓，弧顶管线准确位置也逐渐变得难以辨识。此时两根间距为0.3m的非金属管线，在1.5m埋深处的连拱变得不易区分，而在2.5m埋深处时已基本重叠，无法进行辨识；而在埋深1.5m的管线中，最小可分辨间距为0.8m，埋深2.5m的管线中，最小可分辨间距为1.2m。

从数值模拟结果中可以看出，单个管线下方存在明显的多次反射与绕射干扰，且管线埋深越浅，多次干扰波越密集，当管线较密集且埋深较浅时绕射信号相互重叠干扰，严重影响管线有效波的判别，甚至会压制相邻管线的反射信号，而当管线埋深逐渐加大时，多次反射干扰的影响也逐渐减弱。通过对比三图发现，当管线埋深逐渐加大时，双曲线会趋于水平，且反射信号的能量随着深度的增大也逐渐变弱。这是因为混凝土为有耗介质，电磁波在此介质中传播时产生能量的衰减。

2.3.2 多根复杂分布非金属管线数值模拟

建立两组数值模型进行实验分析探地雷达对混凝土介质下的非金属管线垂向分辨能力。如图2所示，设计两组不同间距的水平方向与垂直方向的非金属管线组合，在图2a中，非金属管线的垂直距离0.2m，水平间距0.5m，图2b中非金属管线的垂直距离0.3m，水平间距1m。

探地雷达的垂直分辨率是关注垂向能够区分两个反射界面的最小距离。其理论分辨率遵循公式

式中，c为空气中雷达波速度，f为天线中线频率，ε为介电常数，μ为磁导率，λ为雷达子波波长。

a

b

根据上述公式可计算得到500MHz天线的垂直分辨率为0.25m。从图2a中可以看到，水平方向两根管线的反射信号几乎连在一起，无法分辨出确切的非金属管线个数，参考水平近间距非金属管线的数值模拟结果，利用500MHz天线可分辨出两根深2m，水平间距1m的非金属管线。而垂向方向上的上部与下部非金属管线信号大部分重叠，这无疑加大了非金属管线的分辨难度。而图2b中的三根管线在雷达图上可以清晰的辨别出来，图中可以看到有3条强反射信号，但位于上部的反射波部分覆盖了下部的反射波，原因是非金属管线的垂直距离接近于理论分辨率。数值模拟结果为清晰识别多根复杂分布的非金属管线提供依据[8-10]。

3 探测实例

3.1 工区概况

本次原位探测场地位于某市道路交通主干道，此段线路地形略有起伏，地势自北向南逐渐降低。地层浅部为第四系松散沉积物。已知此道路下方1.5m～2.5m处有密集敷设的非金属管线。因此在此段道路中间沿由南向北方向布置一条测线。

现场采用探地雷达方法进行数据采集，利用发射机向地下发射高频宽带电磁波脉冲，一部分电磁波遇到有电性差异的介面会发生反射，另一部分电磁波会继续向下传播，最终被接收机接收。依据探地雷达的工作原理，非金属管线与其周围土壤间的介电常数存在差异，为探地雷达的探测提供了物性前提。

此次施工中使用瑞典MALA公司生产的RAMAC型探地雷达。雷达脉冲频率10～200KHz。采集参数设置：天线为500MHz屏蔽天线，采样频率722 5MHz，时窗60ns，采样点495，叠加次数8次，使用测轮距触发。采用连续剖面法在道路表面进行探测。

通过对雷达波的精细处理，消除信号直流分量；能量衰减增益，放大信号的振幅；巴特沃斯带通滤波，消除噪声；背景值去除，增强有效信号；滑动平均，抑制噪声提高水平方向能量的一致性后，可以清晰的看出双曲线型反射信号[11]。

3.2 探测结果

图3为此处的雷达数据剖面图，在此30m范围内，深度在2.5m以浅有多组双曲线型强反射信号，且存在多次波反射。根据水平近间距非金属管线数值模拟结果，在深度约2.3m，管线间距为1m时，可以分辨为两根非金属管线，且反射信号相互叠加。对比实测结果，在深度2.1m～2.5m范围中，两条双曲线型反射波间距约1m，两个峰值出现了相互叠加的情况。由此可判定此范围内为两根非金属管线。对比多根复杂分布非金属管线数值模拟结果，在13m～17m范围内，管线的垂直距离为0.5m，大于理论分辨率的0.25m，且反射信号强，有底反射。据此，可以推断此处区域有3根非金属管线密集分布。

图3 雷达数据剖面图

4 结论

通过利用数据模拟及原位测试的方法，对地下空间非金属管线进行测试研究，获得了一定的成果和认识。

数值模拟与现场实验的结果表明，探地雷达在城市地下空间管线探查过程中均出现了双曲线型的反射信号。说明时间域有限差分法用于探地雷达成像研究是可行的。

随着埋深的不断增加，500MHz屏蔽天线的反射信号逐渐减弱且难以识别间距较小的非金属管线。

本次数值模拟只利用单一的混凝土介质下非金属管线的反射特性，下一步将模拟不同的地层条件对非金属管线探测的影响。

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Applicationofgroundpenetratingradar（GPR）todetectundergroundshort-intervalnon-metalpipelines

ZHANGEnze，OUYuanchao，LIJianning，WANGZhenxing

（SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofscienceandTechnology,HuainanAnhui232001）

It is always a difficulty to detect the short-interval nonmetal pipeline in engineering detection, which is usually disturbed by the complex stratum under the urban road and not accurate enough to identify the target. In order to improve the accuracy of detection of multiple level and complex distribution of nonmetal pipeline interpretation, by useing GprMax method, MATLAB simulation calculation and field measurement, this paper discusses the response characteristics of the pipelines in radar detection. The result shows that the 500MHz shielding antenna has a good resolution effect on the underground metal pipeline. The resolution of ground penetrating radar will decrease when the nonmetal pipeline is deeper. The conclusion has certain guiding significance for identifying the reflected signal when ground penetrating radar detects underground short-interval non-metal pipelines.

nonmetal pipeline; short-interval; GprMax; the numerical simulation; GPR

2016-10-25

安徽省大学生创新创业计划项目（项目编号：201510361007）；安徽省教育厅自然科学基金重点项目（项目编号：KJ2016A192）；安徽理工大学博士基金

张恩泽（1991-），安徽淮南人，研究生，研究方向为工程与环境地球物理勘探，电话：13855469755。

TU990

B

1671-4733（2017）01-0030-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2017.01.010