摘要：應用RAMAC系列探地雷達進行了地下管線探測的研究。基于對城市地下管線周圍介質環境的分析，設計了探地雷達的工作參數，對不同類型的地下管線進行了探測，并就典型的管線異常特征進行了分析。
　　關鍵詞：探地雷達，地下管線，應用
　　1.引言
　　地質雷達（GroundPenetratingRadar，簡稱CPR）是采用無線電波檢測地下介質分布和對不可見目標體或地下界面進行掃描，以確定其內部結構形態或位置的電磁技術。其工作原理為：高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發射天線發射，經目標體反射或透射，被接收天線所接收。高頻電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質的電性質及集合形態而變化，由此通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標體的空間位置或結構狀態。地質雷達具有分辨率高、無損、操作簡便、抗干擾能力強等特點，適用于各種環境條件。
　　只要地下管線目標與周圍介質之間存在足夠的物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,因此在城市地下管線的探測中得到普遍應用。本文采用瑞典瑪拉公司（MALAGEOSCIENCE）生產的RAMAC系列探地雷達，對無錫市某場地的地下管線進行了探測，以確定地下管線的具體位置和走向。并且根據探測結果和實際開挖的對比研究，對典型的雷達測線平面異常特征進行了分析。
　　2.方法簡介
　　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0.5m～5m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0.1m～1.5m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、塑料等。
　　探地雷達應用的前提是，目標管線體與周圍介質的介電常數和電磁波傳播的波速存在明顯差異。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,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。這些性質通常能夠滿足探地雷達應用的前提條件。
　　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。第一,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的拋物線。第二,電磁波在介質中傳播特性反映了地下界面上下介質的物性差異,該差異越大,反射波越強,振幅越大;上下介質中波速大小決定了反射波振幅方向,當波從介電常數小波速大的介質進入到介電常數大、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。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。
　　
　　圖1  RAMAC雷達主機和天線
　　3.探地雷達參數的確定
　　本次試驗采用的探地雷達屬瑞典瑪拉公司（MALAGEOSCIENCE）的RAMAC系列（見圖1）。天線的中心頻率為（1001600）MHz，時窗范圍為0200ns，雷達脈沖寬度為0.510ns，脈沖間隔為11045104ns，脈沖幅值達100150V。雷達配有4套天線，以適應不同介質的探測要求。
　　采用的天線頻率以探測目標管線深度和空間分辨率所決定。天線頻率按以下公式計算:
　　                （1）
　　其中，為空間分辨率（m），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約為0.8m～2.0m之間,探測管徑在100mm以上。由公式計算天線頻率為400MHz。如果考慮更小管徑管線探測時,可將天線頻率增高為500MHz,采用500MHz天線,雖分辨率有所提高,但一般情況下對1.5m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250MHz天線,探測深度可達到3m左右,但對100mm以下管線就有可能漏測。在本次探測中，綜合考慮管線直徑和探測深度，采用RAMAC系列250MHz頻率的屏蔽天線，其分辨率約為150mm，探測深度約為3m。采樣頻率設置為天線頻率的10倍左右，采樣點數為500左右。
　　4.地下管線的探測結果
　　4.1非金屬給水、燃氣管道異常的判別
　　在無錫市管線普查過程中，金屬管線基本上用管線儀探測，但非金屬管道主要包括塑料(PVC)給水管、水泥(砼)給水管、（PVC）燃氣管，管線儀卻束手無策。在使用了RAMAC型地質雷達后，有效地解決了這一難題。
　　圖2是水泥(砼)給水管和塑料(PVC)燃氣管的地質雷達圖像，從圖中我們可以發現，其異常效果很明顯，反射波組的同相軸都是為向下開口的雙曲線，呈傘狀。根據異常形態，我們可以確定，雙曲線的中心位置即為管線的中心位置。另外，對比這兩條管線的異常我們也發現，雖然都是非金屬管線，但是它們的異常特征有很大的區別。給水管有明顯的多次波，根據反復的試驗并結合給水管物理特性和反射波振幅特征我們發現，給水管最上面的異常為其管頂異常，下面兩個異常分別為給水管管底反射波和管底二次反射波；燃氣管只有一個管頂異常。根據圖像我們判斷該給水管距起點1.21m，埋深為0.54m左右，燃氣管距起點3.18m，埋深為1.01m，經現場開挖驗證，給水管線平面誤差為0.03m，實際埋深為0.52m，誤差僅為0.02m；燃氣管平面誤差為0.04m，實際埋深為0.97m，誤差為4cm。根據波速試驗并結合地質雷達圖像處理軟件判斷出給水管和燃氣管直徑分別為600mm和300mm，結合其他勘測結果，經驗證這兩個估算還是很準的。

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