面向电力建设地层情况勘探的探地雷达系统设计

摘要：输电线路和变电站作为电力系统的重要组成部分，针对其建设过程中可能出现的地层情况不明带来的施工问题，文章设计了一种探地雷达系统。该系统由雷达本体和介质分析软件2部分构成，其中介质分析软件部分可以准确判别并显示地层介质的埋深和类型，通过变电站现场实测证明了该系统的有效性。

关键词：探地雷达；地层探测；成像分析

中图分类号：TM757.1" 文献标志码：A

作者简介：陈秋航（1994— ），男，助教，硕士研究生；研究方向：雷达探测技术。

0" 引言

随着我国电力行业的蓬勃发展，输电线路里程不断增加。根据国际能源署颁布的报告，为了实现“双碳”以及可持续发展的目标，目前全球需要改造或新建的输电线路里程约为0.8亿km。输电线路和变电站一同作为发电厂和用户间的纽带［1］，其新建、扩建和改建都是必然趋势。而无论是输电线路还是变电站的建设，都离不开对地下情况的探测。尤其对于年代较为久远的变电站内部，其地层介质种类多、地下管线布局复杂，考虑到可能存在变电站图纸老旧等情况，贸然动工会对地下的重要管线（例如电缆、水管等）造成破坏。因此，对于地下管线的类型识别、深度定位都是值得研究的问题。目前，学术界对于电力类的地下勘探工作并无定法，主要是以公路探测、矿区探测和市政探测为主，主流方法为陀螺仪法［2］、雷达探测法等。本文介绍了一种适用于电力工程行业的地层情况勘探探地雷达系统，能够有效完成地层介质类型的识别和定位。

1" 探地雷达工作原理介绍

探地雷达作为一种应用广泛的地下介质探测装置，目前在城市地下管线探测、公路地下情况探测和电力工程类探测方面应用较为广泛。相较于其他地下管线探测方法，探地雷达在探测深度、便携性具有明显优势，且其无须挖掘地表，不会造成地表破坏或工期延误，实用价值高。探地雷达探测的基本原理如图1所示。

探地雷达基本的工作原理是不同介质对于电磁波的反射波形有所差别，因此其能够反映不同的介质类型。地层介质的埋深可表示为：

h=（vt）2-x22（1）

其中，t和v分别为电磁波在地层中的双向传播时间和传播速度，x为探地雷达接收天线和发射天线间的距离［3］。

考虑到雷达接收天线和发射天线之间的距离一般远小于地层介质的埋深，即满足xh，此时可对式（1）进行简化，得到式（2）。

h=ct2εr（2）

其中，c为发射电磁波的波速，一般取其在真空中的速度，为常数；εr为相对介电常数。

考虑探地雷达在应用时，地层介质的表面多为水泥、土壤或坚硬的岩石，上述物质对电磁波的损耗通常可以忽略。故本文不考虑该类介质对于电磁波的衰减作用，仅考虑地层介质对电磁波的反射作用。

2" 探地雷达系统介绍

2.1" 雷达系统构成

本探地雷达系统由雷达本体和探测软件2部分构成，其构成如图2所示。

雷达本体的天线负责探测电磁波的发射与接收工作，其内置的微处理器单元能够将探测信号传递到电脑主机的探测软件中。考虑到地层介质的埋深有所不同，可通过功能按键和微处理器对探测信号的频率进行设定，设定频率的大小与探测深度成反比，设定探测频率越高，其分辨率越大。探测频率和探测深度关系如表1所示。噪声处理单元用于降低探测过程中出现的噪声信号，以提高信噪比。

探测软件利用便携式笔记本电脑作为探测数据接收端，对探测数据进行实时处理和探测波形显示。地层介质解析部分可以显示地层介质的具体类型和深度。利用配套的Wi-Fi装置可以实现雷达主机和探测软件的连接，避免有线连接的各种不便。接收天线的回波经过算法处理变成直观的波形数据供探测人员查看，地层介质解析部分利用表格和标注的形式对地层介质给出直观的解释，避免人为判断带来的失误。

2.2" 数据采集方式

本系统采用A-Scan法对地层介质进行扫描，A-Scan法是一种一维扫描方式，可显示在不同深度下地层介质的反射波形。地下电缆A-Scan波形如图3所示，该波形是某一路段地下电缆的反射波形。

图中，横轴代表采样时窗，纵轴为反射波形的电压值。该反射波形表示随着时间变化的探测物体的反射波形值。纵轴变化越剧烈，表面其反射越强。由于电缆周围存在明显的电磁场效应，通常情况下其波形反应较为剧烈。

3" 探地雷达系统的应用

本章通过实地探测验证本系统的实用性，选取拟扩建变电站的某一区域作为实地探测点。该变电站投入运行时间较久，加之中途历经扩建、改造，原有图纸无法准确反映其地下各类管道的走线，对其进行探测具有很好的实际意义。实地探测现场如图4所示。

分别对2段道路的探测图像进行分析，如图5所示为第一次地层情况实时探测的数据。

由图5可以看出：2和3处的反射波形特点相似，为尖锐短波，该波形一般为水管等不带电介质。1处的波形持续时间长且杂乱无章，振荡十分剧烈，符合电缆对于电磁波的反射特性。后经过现场开挖，确定探测结果无误。

如图6所示为一段较长距离的探测波形的地层介质分析。

本文利用地层介质分析软件对生成的探测波形图进行一键分析。上方区域为探测波形的反射波形，下方区域为探测波形具体的参数。各类介质通过红色方框进行标记，标明其序号、具体介质类型以及埋深。其A-scan波形可通过点击上方区域进行显示，下方区域的具体参数与上方区域灰度图的标记一一对应。后经现场开挖验证，地层介质分布、埋深和类型均与本系统探测情况相同。

4" 结语

探地雷达作为一种成熟的地层介质探测方式，已经被广泛应用于不同的探测场景。本文针对电力行业地层介质探测的问题，设计了一种适用于输电线路、变电站等场景的探地雷达系统，该系统不仅可以实时显示地层探测结果的波形，还能够对探测结果进行一键分析，直接显示各类介质的类型、埋深等数据，避免了人工查看烦琐的工作流程、判断地层介质缺乏准确性等问题。通过某变电站内部以及不同区域的实地探测和开挖验证，本文证明了该系统的准确性和实用性。本探地雷达系统体积较小、通信方式简单，便于携带、组装，具有很好的推广价值。

由于条件所限，目前该雷达系统还不能做到对介质进行具体的划分，例如在复杂的地层情况下，非金属类介质可能包括地层空洞、水管、不同类型的岩石等，而目前该系统只能将上述介质全部归结为非金属类介质。此外，该系统在扩展性上存在提升空间，例如结合全球定位系统对探测到的介质进行实时标记并导入相应的绘图软件，从而生成具体的地层介质分布图。

参考文献

［1］戴璐.智能机器人在输配电线路巡检中的应用［J］.无线互联科技，2024（5）：87-89.

［2］胡玉洋，叶荣华，陈长青.宁波市深埋非开挖管线探测方法与应用研究［J］.测绘通报，2021（增刊2）：156-161.

［3］耿宵慧，陈秋航.探地雷达技术在电力建设中的应用研究［J］.重庆电力高等专科学校学报，2023（6）：17-20.

（编辑" 沈" 强）

Design of ground penetrating radar system for exploration of strata conditions in power construction

CHEN" Qiuhang

（Chongqing Electric Power College， Chongqing 400053， China）

Abstract： Transmission lines and substations are the important components of the power system. In order to solve the construction problems caused by unknown stratum conditions that may occur during their construction， a ground penetrating radar system is designed. The system consists of two parts：the radar body and the medium analysis software. The medium analysis software can accurately identify and display the buried depth and type of the stratum medium. The effectiveness of the system is proven through the field measurements of substations.

Key words： ground penetrating radar; stratum detection; imaging analysis