城市地下管线探测技术研究

城市地下管线探测技术研究

摘要:探地雷达技术是如今适应快速、准确、无损地探测地下障碍物而迅速发展的电磁技术。文中介绍了意大利IDS公司生产的“Detector Duo型”双通双频管线探地雷达的工作原理、解释方法和工作方式,并通过结合工程实例来来讨论探地雷达在地下燃气管线探测中的广泛使用。

关键词:探地雷达双频天线阵地下燃气管线探测异常反射探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是一种对地下或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁法,并以其探测的高分辨率和高效率而成为地球物理勘探的一种有力工具。随着信号处理技术和电子技术的不断发展及工程实践的增多和经验的不断积累,探地雷达技术也得到极大提高,仪器不断更新,从最初的单一频率、收发分体到多种频率、收发一体,再到目前应用的双通道双频天线阵管线探地雷达。

本文将以探地雷达在城市地下燃气管线探测中的应用,说明双通道双频天线阵探地雷达可以有效解决地下隐蔽工程上的许多疑难问题,并总结了相关经验和应用效果。

1 探地雷达的工作原理及工作方式

探地雷达由地面上发射天线将高频带短脉冲形式的高频电磁波

送入地下,高频电磁波遇到存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面,由接收天线接收。高频电磁波在传播时,其路径、电磁场强度与波形将随着所通过的介质的电性及几何形态而变化,故通过对时域波形的采集、处理与分析,就可确定地下界面或地质体的空间位置及结构。

探地雷达通常以脉冲反射波的波形记录。波形的正负峰分别以黑白表示,或者以灰谐或彩色表示,这样同相轴或等灰线、等色线即可形象地表征出地下反射面或目标体。在波形图上各测点均以测线的铅垂反向记录波形,构成雷达剖面。根据雷达剖面图(GPR图)便可判断地下不明障碍物。探地雷达电磁波在地下介质中的传播遵循波动方程理论。探地雷达探测效果主观上则取决于地下目标体与周围介质的电磁性质差异(主要是电导率、磁导率和电常数)、目标体的深度与介质对电磁波的吸收作用、目标体的大小、几何形态、干扰波的类型、强度及特点等因素。

以意大利IDS公司生产的“Detector Duo双通双频管线探地雷达”为例,该仪器的特点是内部集成了两种不同频率天线(250MHz和700MHz)和采用先进的天线阵技术。它通过现场一次剖面探测可以同时获取反映深部(250MHz天线)和浅部(700MHz天线)各自一张GPR 剖面图,在其提高探测速度的同时也大大增加了探测到管线概率和探测结果的准确率。

图1为一个二元天线阵的示意图,天线0同天线1均为偶极子天

线,只是天线0为250MHz,天线1为700MHz。它们的取向(排列方向相同),两天线间的距离为d,它们到观察点p的距离分别为r0和r1,由于观察点很远,r0和r1可看成平行。在计算两天线到p点的相位差时,可近似令r0≈r1,但计算两天线到P点的相位时,应采用较为准确的关系式r1=r0-dcosj,当两天线电流大小和相位关系为I1=mI0e-ja时(m与a 为常数),天线1的辐射波在到达p点时将较天线0的辐射波超前相位j=kdcosφ-a,等式右边第一项是由两天线的相对位置引起的；第二项是由两天线电流的相对相位引起的。j是天线阵由天线0到天线1(由电流超前引向电流滞后)的轴线沿着逆时针方向旋转到指向观察点的射线夹角。如果天线0在p点产生的场强是E0,则由于电场强度正比于电流的一次方,故天线1在p点产生的场强应为E1=mE0ejj,于是合成场强是

E=E0+E1=E0(1+mjj)

可以看到,合成电场是由两部分相乘求得的,第一个因子E0是天线0单独产生于p点的场强,由天线0的类型(更确切的就是它的电流分布)决定；第二个因子(1+mejj)只依两天线之间电流比值和它们相互位置而定,与天线类型无关,这一因子称为阵因子。因此,由相同两天线构成的天线阵,它的合成方向图是单独一付天线的方向图乘上因子。

由天线阵工作原理不难看出,采用天线阵及设计好两付天线电流比值和两付天线间距即可做到定向发射和接收。“Detector Duo双通道双频管线探地雷达”的设计,一方面应用了天线阵技术可达到定向发

射有利于集中电磁能量,提高探测目标体的分辨率；另一方面应用了中心频率分别为250MHz和700MHz天线(频带宽度近似等于各自天线的中心频率)。其目的在于一次扫描可同时完成浅部和深部探测,这就极大地提高了探测准确率和探测精度,犹如使用两部像机,处于不同位置,对同一物体的不同部位面进行同时瞬间拍摄,故此目标物呈现出的即时图像更加逼真。

本台仪器的整体设备组成手推结构。工作方式是在选择剖面上进行推车式剖析面测量(见图2)。操作前在待实测剖面上进行时间增益选择(可以手选亦可自动选择)目的在于提高探测分辨率和准确定目标体的埋深。因仪器装有位置传感器,可以连续记录从起点到终点所经过的距离,因而可回至尚需要重测或检测位置,有利于检测异常、提高定位、定深精度。现场获取的GPR剖面图可进行现场即时解释,一般情况下,不需室内软件再进行图像处理,便可做到现场异常解释和定位、定深,操作简便、易于掌握。

2 探地雷达探测数据的解释

探地雷达探测数据的解释包括数据处理和图像解释两项内容。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器,介质对电磁波的不同吸收以及介质的不均匀性,使得脉冲电磁波到达接收天线时,波振幅减小,波形

产生较大的变化,因此,必须对接收信号进行适当的处理,以改善数据资料,为资料的解释提供更清晰的GPR图像。

探地雷达的正演规律在很大程度上帮助我们识别异常和进行图像解释提供依据。对于地下管状目的体的探测,其反射波形规律如下。

(1)地下管线的反射瞬时曲线在几何形态上呈现双曲线；(2)电磁波在介质中的传播速度越快,抛物线(双曲线)的曲率越小；(3)随着深度的增加,抛物线的曲率随之减小；(4)在传播速度、深度及目标体材质都一样的情况下,抛物线的顶部会随着目标尺寸的增大而变宽。故此在解释GPR图像时,要给以特别注意；(5)抛物线顶点对着管线中心位置；(6)由于受电磁波的传播规律和记录方式等因素影响,地下管线在GPR图像上有偏移问题存在；(7)有时也可以利用反射波的相位来识别管线的性质,这是因为电磁波的相位是取决于媒质阻抗分界面的性质；(8)地下管线赋存在回填或不密实的松土介质时,GPR图像呈现杂乱无章,目标体的反射波往往被掩盖,变得模糊,定位和定深不准确；(9)在有邻近管线(电力、通讯沟道)时,异常不够清晰,解释时提请注意,或用金属管线仪将邻近金属管线排除,尔后再进行资料分析,做出正确判断；(10)管线处于土壤含水过多特殊情况时,因介电常数变得比测区试验过大时,使得探测深度比实际大,此时应进行深度的适当修正。

3 探地雷达在地下燃气管线探测中的应用