地质雷达探测非金属管线技术探讨

文/谢宏桥 长沙市规划勘测设计研究院 湖南长沙 410000

1、引言

随着我国城市化进程愈来愈快，人们开始重视地下空间的有效利用，相应的，地下管线的数量也不断增多，随着新材料的发展，管线材质也在不断地推陈出新，非金属材质（如：PVC、PE、PCCP、PP等）的管道被大范围地应用到了地下管线的建设中去。特别地，由于非金属管线具有重量轻、便于运输、便于安装、防腐性强、不会对介质造成二次污染等优势，能够使得地下管线工程的施工更加方便顺利，所以，非金属管线被大量应用到了给排水管道与煤气管道中。在市政工程施工时，为了避免工程对地下管线造成破坏，施工单位必须在开始施工前对施工区域内的地下管线进行详细的排查，此排查工作的探测技术一般采用的是地质雷达探测技术。

2、地质雷达探测技术的原理

如果使用传统的地质探测技术来探测非金属管线，并不能得到理想的效果，也不能满足探测要求，但是，利用地质雷达探测技术就可以得到满意的效果。对于地质雷达探测技术，利用其对非金属管线进行探测依据的主要原理是电磁波的传播。当地质雷达向有耗介质发射高频的电磁波时，其传播形式主要是宽频带短脉冲。在对地下管线进行探测时，如图1所示，若被探测地区的地下介质完整且均匀时，电磁波不会有反射现象，即使有，被反射的能量也是非常弱的，但是，若被探测地区的地下有探测目标的存在或者有其他异常现象，雷达发射的高频电磁波会被反射，而且，电磁波反射的路线、波形、强度会随着探测介质的几何特性、电性特性的变化而变化，所以，当技术人员在进行探测时，可以通过雷达所发射的电磁波有没有发生发射、反射的信号是什么样的、接受电磁波的时间等实际情况来分析探测地区的地下介质的构造、结构等情况，比如，在探测非金属管线时，简单来说，如果地下无探测目标，则雷达发射的信号不会发射反射，接受到波的时间会比较早，波形会很均匀；反之，接收到波的时间会比较晚，而且波形会因高频电磁波发生了反射而变得复杂。具体来说，地质雷达发射的电磁波的信息传播分为水平层面和竖直层面，其中，水平层面的电磁波波形是一条水平线，如果被探测区域的地下没有管线，水平层面的电磁波的回波会同时回到雷达系统中，反之，电磁波会产生反射，碰到管线侧边的电磁波回因反射传播更久的时间，其回到雷达系统中的时间也会更晚，此时，电磁波就不再是水平传播，会呈抛物线。由此原理来看，地质雷达探测技术的工作过程并不会对管线、建筑物等造成破坏，将其应用到建筑工程的探测中，不仅有分辨率高、精度高的有点，还不会造成任何破坏，因此，地质雷达探测技术被广泛地应用到了工程中去。

图1 地质雷达的工作原理

3、地质雷达探测发非金属管线的具体方法

3.1 选取恰当的仪器设备参数

在地质雷达探测技术的应用中，最主要的设备就是雷达，在工作开始前，应当先对仪器设备的参数进行设置，需要设置的参数主要有：中心频率、时窗、采样率等。

3.1.1 选择合适的中心频率

在选择时，首先应当对计划探测的非金属管线（下文中称为探测目标）的深度、大小结构进行确定，然后了利用公式确定中心频率。一般情况下，可用频率分别为100MHz、300MHz、500MHz的雷达天线利用剖面法测量。

3.1.2 确定时窗的具体数值

确定时窗的数值时应当考虑探测的最大深度、电磁波在相应介质中的传播速度，根据公式（2.6h/v，h：最大深度，v：电磁波在相应介质中的传播速度）得出时窗的具体数值。

3.1.3 确定采样率

采样率能够反映反射波的采样点间相差的时间。确定采样率时，可采用Nyquist采样定律，一般来说，采样率比反射电磁波的最高频率的两倍还要大。对于大多数雷达系统，其发射的脉冲的能量可覆盖很广范围的频率，所以，采样率至少应是中心频率的3倍。为了使探测过程足够完整，一般选择采样率为中心频率的7倍左右。

3.2 确定管道的深度

设定好仪器设备的参数后，就可以确定管道的埋设深度。管道的埋设深度固定且可通过公式（v＊t/2,v：电磁波在土层中的传播速度 ,t：电磁波从地表传播到管线和土层的分界面所需时间的2倍值）计算得出。

实际上，技术人员一般用专用的雷达测试软件来确定管道的深度，我们只需要输入电磁波在土层中的传播速度，软件就能输出深度剖面图或者地下各处的深度值，软件的输出很直观，所以应用非常便捷。此外，从土层的反射波振幅与截面反射波相位特征，我们能够大致得到管线的顶界面和大小，再结合反射波的相位特征还能够得到管线的底界限。

图2 圆形水泥管的雷达图像

3.3 合理布置探测线路

布置探测线路也是一个很关键的步骤。理想情况下，探测地下管下应当垂直布线，这需要我们非常熟悉管线的分布与位置，这是不可能的，由于在探测的实际操作中，很多信息，尤其是管线的分布，都是未知的，为了使管线的探测更加准确、有效率，我们需要认真布置探测线路。

在探测的实际操作中，我们首先要对探测区域内的具体资料及管线进行初步的分析，在确定探测线路的间距后，对区域用等距测线进行分区，沿横向、纵向两个测量方向进行扫描，就能够完成对整个探测区域的扫描。这样得到的布设路线图就是雷达区域测网。这个线路图需要技术人员根据实际的地质情况进行设计，如果设计出了合理的探测线路，就能够高效地完成探测任务。

3.3.1 确定测线间距

确定测线间距是布置测线的基础步骤、关键工作，进行这个步骤时必须考虑到整个被探测区域的情况，需要根据区域情况调整测线间距，需要重点探测的局部位置，应当适当增加测线数量，相应地，也要减小测点距离，这样能够使探测的质量更高、更准确。

此外，探测线路与雷达的天线有某种联系。在实际的探测中，会存在探测盲区，随着探测间距的增大，探测盲区的深度和面积也会增大，他们都和天线主瓣的宽度角有关系。若地下管线埋设位置比较浅，那么应当选择较小的探测间距，但是，与其他探测目标不同的是，地下管下是细长状的，其截面大小固定，所以在探测时，可以将其侧线间距适当放宽，从而减少探测次数、提高效率。

3.3.2 确定测线方向

在完成探测间距的确定工作后，还要确定其方向，如果能够选择一个合适的侧线防线，就能够使得探测图像的质量有效提高，也能使得探测质量大大提高。在选择测线方向时，一般会选择垂直走向，所以，技术人员在进行探测工作之前，需要先详细了解管线的相关资料、摸清管线的走向，然后选择垂直于管线长轴的方向作为测线方向，这就是最佳测线方向。在城市中，由于大部分非金属管线的管线会比较小，如果将平行管线方向确定为测线方向，很容易出现漏测情况，使得探测质量整体下降。

4、对探测数据的处理

一般情况下，技术人员会用专业软件对探测数据进行处理。从地质雷达探测技术的探测结果中，我们获得的主要信息是探测目标的形状、位置、结构，在采集探测目标的时候，雷达系统在接受反射信息的同时，会接收到各种类型的干扰信息，只有将数据进行处理，对干扰电磁波进行压制、减少，才能使得有效信息凸显出来，从而使雷达能够准确分辨出来，从而使得数据的判断更加准确。去除干扰波常用的方法有三种，分别是：数字滤波、影像的增强处理、反褶积。

结语：

综上所述，对于非金属管线的探测，地质雷达探测技术有非常显著的识别能力与实践效果。在利用地质雷达技术进行实际探测操作时，应当先从实际情况出发，将以雷达为首的仪器设备的参数合理设定，然后在布置测线时，要先进行管线埋深的确定，在此基础上进行探测线路的合理布置，再因地制宜确定探测线路的具体间距与方向。此外，为了避免干扰波对数据的干扰，应当对其进行处理。