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探地雷達在管線探測中的應用
關鍵詞： 探地雷達 管線探測
摘要：地下管線普查是按管網管理部門要求，采取現場調查、儀器探測和測繪的工作方法獲取工作區范圍內現狀地下管網屬性和空間位置的有關數據,并建立數據庫的過程。地下管線普查中使用的探測儀器以管線探測儀、金屬探測儀和探地雷達為主，其中由于管線探測儀的快速高效、簡便靈活和高精度低成本的特點而得到廣泛應用，但受其工作原理的限制，存在探測工作盲區：非金屬管線如水泥、塑料與陶瓷等材質管線；傳導電信號弱的金屬管線（如橡膠墊接口的鑄鐵管、球墨鑄鐵管等）和探測信號難以區分的并行與交叉金屬管線等。
概論
地下管線普查是按管網管理部門要求，采取現場調查、儀器探測和測繪的工作方法獲取工作區范圍內現狀地下管網屬性和空間位置的有關數據,并建立數據庫的過程。地下管線普查中使用的探測儀器以管線探測儀、金屬探測儀和探地雷達為主，其中由于管線探測儀的快速高效、簡便靈活和高精度低成本的特點而得到廣泛應用，但受其工作原理的限制，存在探測工作盲區：非金屬管線如水泥、塑料與陶瓷等材質管線；傳導電信號弱的金屬管線（如橡膠墊接口的鑄鐵管、球墨鑄鐵管等）和探測信號難以區分的并行與交叉金屬管線等。
探地雷達利用發射高頻寬頻帶電磁波并接受來自地下界面的反射波，根據反射波的旅行時間、幅度與波形資料，解釋推斷地下介質結構。只要地下管線目標與周圍介質之間存在足夠的電性差異就能被探地雷達發現。探地雷達的管線探測能力彌補了管線探測儀的探測缺陷，因此探地雷達已成為城市地下管線探測必備的設備。
城市地下管線鋪設特點多為地面開槽和機械頂管等方式埋設，一般埋深較淺，在0.5-5米之間。管線周圍介質為回填土、砂質土和粘土等，管道上方鋪有壓實路面結構層，如三合土、混凝土、瀝青路面、方磚等，需探測的管道一般管徑為0.1-1.5米之間，管道內的介質為水、空氣、可燃氣體等，管體材質為鋼、鑄鐵、水泥、塑料、磚混等。探地雷達應用的物性前提是目標管線體與周圍介質的介電常數和電磁波波速存在明顯差異。
金屬管線由于金屬中電磁波波速為零，不能傳播，電磁波在金屬管道界面上幾乎全部反射回來，因此管線與周圍介質存在明顯的電磁性差異；非金屬管線除管線本身材質與周圍介質存在一定差異外，如混凝土介電常數為6.4，被傳播速為0.12，而濕土介電常數為8-19，波速為0.07-0.11，更主要的是管道內介質如水、氣體等與周圍介質電磁性差異更大，如果依功率反射系數的估算公式：
Pr＝| |2
注：Pr功率反射系數；εh周圍介質相對介電常數；εT管線或管線內介質相對介電常數
計算的目標體功率反射系數大于0.01為標準，探測目標管線的功率反射系數均能滿足探地雷達的應用物性前提條件。
在實際管線探測工作中，目標管線的材質及內部介質一般是清楚的，但管線存在的周圍環境介質卻是在變化的，即便是同一城市、同一街道中也是一樣。就是管線的同一地點上周圍介質的介電常數都不會是一個常值，其數值的大小會隨季節的不同甚至是時段的不同而變化。這樣采用探地雷達探測時經常會出現同一目標管段上多條剖面探測效果不一致，有的異常清晰明顯，有的難以分辨。為了使探測取得預期效果，根據目標管線及現場介質情況，選擇最佳的雷達測量參數成為影響探測效果的關鍵因素。
1 探地雷達測量參數的設定
1.1 波速的確定
在探地雷達的垂向分辨率范圍內，探測管線埋深精度主要與管線上層土壤電磁波傳播速度相關。獲取該速度一般有：（1）利用地層參數計算；（2）由已知深度的目標體標定；（3）用現狀目標體幾何掃描法推算；（4）用寬角法確定等四種方法。受地下管網探測工作方法和管線周圍介質的不穩定性限定，上述四種方法中只有第二種方法能跟蹤不同介質的波速變化，使估算波速值最大限度的接近實際。另外，管網普查的管線出露點較多，也為標定提供了必要條件。
已知深度的目標體標定應用方法是：在測區范圍內選擇物性條件具有代表性的出露點進行探地雷達測量，觀察推測記錄管線上介質及介質結構。然后對多個（測定出露點個數選擇，只要能兼顧到區內各種環境狀況即可）觀測結果匯總統計分類，作為管線探測時的參照，目標管線異常深度計算采用相應同等環境波速標定結果。在有條件的情況下選擇在同剖面上用已知深度管線（包括可見或其他方法探測深度）的波速標定目標管線效果最佳。
1.2 天線頻率的選擇
采用天線的頻率以探測目標管線深度和空間分辨率所決定。天線頻率（f）按公式：
f=MHz
注：x（m）為空間分辨率；ε為管線周圍介質的相對介電常數估算
城市管線普查中管線埋深集中分布區為0.8 -2.0米之間，探測管徑在100mm以上。由公式計算天線頻率為350MHz。如果考慮更小管徑管線探測時，可將天線頻率增高為500 MHz，采用500 MHz天線雖分辨率有所提高，但一般情況下對1.5米深度以下的管線失去了探測能力；如果要提高探測深度，采用250 MHz天線探測深度可達到3米左右，但對100mm以下管線就有可能漏測。
一般探測管線時采用350、500MHz雙天線組合，或500、250MHz雙天線組合。
1.3 時窗的設定
適宜的時窗避免時窗設定過小而丟失管線異常，又不會過大降低垂向分辨率而影響異常的顯示效果。時窗的設定可由公式：
w=3.4dmax/v
注：w(ns)為時窗；dmax目標深度；v(m/ns)介質波速估算時窗的大小，實際工作中以管線異常位于時窗內的中心偏下位置為最佳效果，結合不同天線的測深能力與管線分布特點，當目標管線埋深1.5米，周圍介質電磁波波速為0.1m/ns時，估算時窗為51ns。因此，采用350MHz天線探測管線時，時窗一般設定為50 ns，如果周圍介質波速較低并且目標管線埋深較大，時窗可適當增大，但最大不宜超過80 ns。
2 地下管線的探地雷達異常特征
對于管線探測，探地雷達的反射波組主要從兩方面進行識別解釋。
首先，反射波組的同相性形成同相軸是判別管線空間位置的重要標識，在管線探測的橫向剖面上管線作為孤立的埋設物其反射波的同相軸為：當管線為圓形管道時為向下開口的拋物線呈傘形狀；當為溝道式或管塊時同相軸為有限平板，界面反射的中部為平板狀，兩端各為半支下開口拋物線。
其次，電磁波在介質中傳播特性決定了地下界面上下介質的物性差異越大，反射波越強，振幅越大，上下介質中波速大小決定反射波振幅方向，當從介電常數小波速大的進入介電常數大波速小的介質時，反射系數為負，即反射波振幅反向，反之，從波速小進入波速大的介質時反射系數為正，反射波幅與入射波同向。地下目標管線一般存在四層介質界面，即管線的內外各兩層，反射波以上層內界面為例，非金屬管線內上界面的反射波振幅較大，當內介質為水時，反射系數為負，反射波為反向；當內介質為氣體時，反射系數為正，反射波為正向；金屬管線由于金屬內波速近似為零，反射波自然為反向，而且反射振幅特別強，同時反射信號以管線的外層界面為主，其它層面較弱。
3 應用建議
（1）因為管線周圍介質物性隨空間、時間變化的而變化，所以對目標管線的管線點探測應采用多條垂直剖面和多次重復觀測的方法，并對成果進行綜合對比分析之后確定管線點。作業時應注意選擇有利于探地雷達工作
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