探地雷達在地下管線探測中的應用

周義銓 吳樹濤 張盛旺 辛 躍 黃聿相

（國網福建省電力有限公司寧德供電公司，福建寧德352100）

1 探地雷達的工作原理

探地雷達又稱透地雷達，其整體結構組成如圖1所示，主體構成包括電腦終端、雷達主機、電磁波發射電路、反射波接收電路、發射天線、接收天線。其工作原理如圖2所示，當電磁波發射電路發射的電磁波在地層中傳播時，若遇到地層中波阻抗差別較大的區域，即該區域內存在不同性質的介質相毗鄰時，電磁波就會在不同介質的交界面上發生電磁波反射現象，而電磁波的反射波則會被探地雷達的接收天線檢測并接收，最后通過分析反射波的頻率、幅值等特性，作為判斷地下介質類型的依據，從而確定地下被測管線的具體位置。

圖1 探地雷達結構框圖

圖2 探地雷達原理示意圖

2 探地雷達探測數據的采集

探地雷達在使用前參數設置是否合理將直接影響到最后探測結果的有效性和準確性。在探測前需要提前設置的雷達內部參數主要有發射天線的中心頻率、系統的時窗，此外，合理規劃探測路線也是提高探測結果準確性的保障。

2.1 中心頻率的選擇

電磁波發射電路發射的電磁波的中心頻率是整個參數設置過程中非常重要的參數之一，它與探地雷達的探測分辨率和有效探測深度聯系十分緊密。電磁波發射電路發射的電磁波頻率越高，探地雷達在地層中的分辨率就越高，但電磁波頻率越高，在地質中的衰減速度就越快，其有效探測深度就越淺；相反，電磁波頻率越低，電磁波在地質中的衰減速度就越慢，探測的有效深度就越深，但其在地質中的分辨率就越低。應該強調的是，通過分析各種可能影響探地雷達分辨率的因素發現，傳播介質的性質對探測分辨率的影響只是次要因素，提高探地雷達探測分辨率的根本性方法還是要根據實際的探測深度需求合理地選擇發射電磁波的中心頻率。探地雷達的分辨率與探地雷達發射的電磁波的中心頻率之間的關系分別如式（1）和（2）所示：

式中，（Δd）min為垂直分辨率；Hmin為水平分辨率；c為電磁波在真空環境中的傳播速度；fc為雷達發射電磁波的中心頻率；εr為地質相對介電常數；μr為地層的磁導率；v為電磁波在地層中的傳播速度；d為目標探測物的埋藏深度。

2.2 系統時窗的選擇

系統時窗值的大小即電磁波在地質中往返一次傳播所需的有效時間大小，所以所選時窗值的大小與探地雷達的有效探測深度直接相關。系統工作時所選擇時窗值越大，則電磁波在地質中的傳播時間越長，同一發射頻率下雷達探測的有效深度也就越深；相反，所選的時窗值越小，其探測的有效深度就越淺。一般來說，一個完整的系統中會預設多個大小不同的時窗供操作人員選擇，操作人員只需根據實際探測深度的需求選擇合適的時窗即可。時窗的大小可由式（3）計算：

式中，ω為計算的時窗值；dmax為實際所需要探測的最大深度。

3 地下管線的探測實例分析

探地雷達的探測數據主要來源于電腦終端分析軟件對所接收到的反射電磁波的分析。在探地雷達的電腦終端系統中，探測到的介質信息也主要是以波形的形式記錄下來。但在探地雷達工作過程中，由于地層下的介質信息比較復雜，導致接收天線所接收到的信息中包含了大量的干擾信息，所以必須要利用相關的數據處理軟件對探測的數據進行處理才能獲得準確的介質探測信息。圖3為探測過程中電腦終端接收的雷達圖像，圖4為經軟件處理后得到的雷達圖像。

圖3 電腦終端接收的雷達圖像

圖4 經軟件處理后的雷達圖像

由圖4可以看出：（1）在距離原點1.8 m和30.8 m處，分別有埋深為1.30 m和1.46 m的地下纜線，這兩處的電磁波反射的波形相似，電磁波的影響深度較大，而且信號強度高，這主要是因為雷達波一直在纜線處不斷重復反射；（2）在距離原點13.2 m和18.7 m處，有埋深分別為1.62 m和1.11 m的金屬物，這兩處的電磁波波形較為尖銳，信號強度高，而且電磁波在該介質處并沒有重復反射的現象，所以可以判斷這兩處埋設有金屬；（3）在距離原點27.2 m處，距離地面0.83 m處存在明顯空洞，從圖像上看，此處雖然有波形變化，但電磁波的反射波形并不明顯，而且信號強度也非常弱，所以可以判斷此處為空洞區域。

4 結語

探地雷達技術是近十幾年來新興的一種地質探測技術，其憑借制造成本低、探測效率高、可靠性強等優點而廣泛應用于各種工程檢測和地質探測中。將探地雷達技術應用于電力系統中的地下管線探測，不僅有助于提高電力系統工作人員對未知區域地下管線的探測效率，而且還能提高檢修人員對地下管線的檢修與維護效率，有效降低地下管線發生重大事故的概率，提高供電質量。但目前根據探測波形還只能分析出地層下是否埋設有管線，如果要達到能夠根據探測波形快速判斷出所埋設管線的數量以及管線管徑大小的目標，則還需要以后開展進一步的研究。