使用地质雷达探测地下管线

使用地质雷达探测地下管线

摘要：管线探测仪由于其工作原理，不能用于探测非金属管道，地质雷达可以解决这一问题。

关键词：地质雷达、电磁波、介质、波速、天线、时窗

地下管线普查多采用快速高效、简便灵活、技术成熟、精度高成本低的管线探测仪进行探测，但由于其工作原理，不能用于探测非金属管道（如水泥管、塑料等材质的管线），要解决此类管线的探测问题，就要借助于地质雷达了。

一、地质雷达的工作原理

地质雷达是通过发射高频宽频电磁波(主频为数十数百乃至数千兆赫)以宽频带短脉冲的形式，由地面通过发射天线向地下发射，当发射波遇到地下介质分界面时发生反射，并返回地面，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。

根据电磁波理论，当电磁波穿过层状介质时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射。

电磁波在介质界面的折射和反射特征由折射系数T和反射系数R表示，对于非磁性介质，当电磁波垂直入射（θ=0）时，可以用下式表示：

式中：ε1、ε2 分别为上下介质的介电常数。

由上式可知，对于非磁性介质，电磁波的反射特性仅与介质的介电常数有关。城市道路为层状结构，均为非磁性介质，各层介质的介电常数有明显的差异，它们之间能形成良好的电磁波反射界面。地质雷达发射的电磁波向下传播遇到这些反射界面时，就会产生反射。当结构层发生异常（如出现空洞、地下管线穿越等），在雷达资料中便会出现明显的特征反射。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。利用接收波的旅行时间、幅度、波形及波速等资料，可判断出介质的结构、构造，并计算出埋设物的平面位置和埋设深度。

由于电磁波在金属中不能传播，因此，电磁波到达金属界面时几乎完全被反射回来，所以成像最好。非金属管线则不同，因材质不同，或多或少的都能使一部分电磁波在其中穿行通过，反射回来的就较少，成像效果就要打折扣。另外，因管线周围介质是时刻在变化的，因此经常会出现同一目标管线上多条剖面探测效果不同，有的非常清晰，有的非常模糊难以判断。

二、地质雷达的参数设定

2.1波速的设定

选择有代表性的已知出露管线进行试验，大致确定介质及其结构，多测几处并对它们汇总统计，作为探测时的依据。要探测管线深度计算采用试验时相近似环境下的波速计算结果。

2.2天线的选择

管线一般埋设深度大多在0.5—2米，一般普查要求管径多大于100毫米，因此天线一般选择350MHZ较为合适，若要兼顾到更小管径的管线，则要提高分辨率，就必须选择频率更高的天线。频率越高分辨率越高，能探测到的目标体就可以更小，但探测的深度就会减小，反之频率越低分辨率就越低，但穿透性更好，能探测较深的目标体。因此，要根据需要探测目标体的具体情况选择合适的天线，方能达到较好的效果。

2.3时窗的确定

时窗的选择也非常重要，若时窗设定过小就会有异常丢失，若时窗设定过大就会减小竖向分辨率从而可能使异常弱化难以判断。探测时以管线异常位于时窗的中偏下位置效果较好。

三、地下管线的雷达图像异常特征

管线为圆形管道时雷达图像为向下开口的抛物线，盖板沟或水泥预制管块时雷达图像为中间是平面状，两头则是半支向下开口的抛物线。下面的雷达图像是在焦作市的雷达图像。

焦作市排水管线雷达图像

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。