探地雷达在地下管线探测中的应用与思考.docx
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探地雷达在地下管线探测中的应用与思考
远程教育学院
本科生毕业论文（设计）
题目探地雷达在地下管线探测中的应用与思考
姓名与学号刘洋712003322012
年级与专业2012秋土木工程管理
学习中心宁波学习中心
指导教师蔡其茅
浙江大学远程教育学院本科生毕业论文（设计）诚信承诺书
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毕业论文（设计）作者：
刘洋
2014 年11月3日
论文版权使用授权书
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毕业论文（设计）作者签名：
刘洋
2104 年11月3日
摘要
本文从当前国内地下管线探测仪器的情况，详细了论述了城市复杂地质条件下地质雷达探测地下管线的工作方法和原理、常见介质的电磁学特征，地下管线的探地雷达异常特征；其次简述了意大利IDS公司RIS—K2探地雷达探测方法和图像分析处理，并且对探地雷达在不同土层（沙坑、水泥路和杂填土）中的管线扫描图和选择何种天线做了分析。
并通过探测实例详细介绍了城市地下管线探测中常见干扰情况下地下管线地质雷达异常的解释方法，如何根据探地雷达扫描图像来确定不同管线的材质和大小。
再对近间距平行管线、金属和非金属（给水砼、给水PVC、陶瓷管等）管线雷达探测的各种典型图像进行了说明。
最后对探地雷达优缺点做了一个总结。
关键词 探地雷达；地下管线；雷达扫描图像；图像分析处理
摘要I
引言1
课题背景1
第1章探地雷达国内外研究现状2
1.1国内应用发展现状2
1.2国外应用发展现状2
第2章探地雷达工作理论4
2.1结构组成4
2.2方法原理4
2.3解释原理8
第3章意大利IDS公司RIS-K2S雷达10
3.1现场工作图10
3.2扫描处理图像11
第4章探地雷达在管线探测中的实例12
4.1沙坑中不同材质管线的探测12
4.2水泥路面下不同材质管线的探测12
4.3对陶瓷污水管线的探测13
4.4对电缆管线的探测14
第5章探地雷达分辩地下管线和材质15
5.1近距离管线的分辩15
5.2给水管线的分辩15
5.3非金属给水管的管径识别16
第6章探地雷达技术的优点与不足18
6.1探地雷达技术的优点18
6.2探地雷达技术的不足之处18
第7章结论与展望19
参考文献20
引言
课题背景
近年来，随着城市现代化的发展，地下电缆、给水等管道的密集度越来越大。
它们的安全直接关系到经济建设、市民生活，同时，也影响到施工人员的人身安全。
因此，地下工程中如何在施工时，避免破坏这些地下管线就变得越来越重要。
覆土前对管线的测量是十分必要的，但实际上很多管线都是覆土竣工后才进行竣工验收测量的。
在许多大城市出现施工时挖断通信、电力电缆导致通讯中断、区域性停电、停产事故，这些事故给该地区经济和人们的生产生活带来了巨大的损失。
因此我们引进探地雷达技术对管线进行探测，是对目前管线探测技术的一个补充。
探地雷达作为一种高分辨探测技术，能够探明施工区地下管线、线路的敷设情况，确保施工安全，减少由不明地下管线的分布而造成的损失，近年来得到了一定的应用。
第1章探地雷达国内外研究现状
1.1国内应用发展现状
由于近年来城市建设的飞速发展，城市地下管线探测越来越重要。
需要了解地下管网如电力管线、热力管线、上下水管线、输气管线、通信电缆等管线的位置和深度情况。
由于大量非金属管线的广泛应用以及管线间距的变小，使用传统的金属管线仪已无法完全满足现有的管线探测需要，所以近年国内引入了探地雷达这项新技术。
利用雷达反射的电磁波探测管线的平面位置和埋设深度等情况。
目前探地雷达为地下管线探测发展了高分辨3D探测系统及软件，不但可探测到水平位置分布，还可以确定其深度，得到三维分布图。
雷达探测管线的方法已为我国一些管线专业探测队伍所采用，使用较多的有PATHFINDER雷达、RIS-2K/S等雷达。
目前，国内地质雷达主要应用于非金属管线（如砼管、塑料管等）和导电性弱的金属管线（如含绝缘垫层的铸铁管、球墨铸铁管等）的探测，复杂地段管线的检查验证。
但由于路面层状结构、地下介质不均匀及管线密集埋设等影响，使得地质雷达探测及异常解释变得极其复杂。
其次国内南北地下水位大小也对探地雷达探测管线产生很大影响，总的来说北方地下水水位较低，土层干燥对波的干扰小，使用探地雷达效果好。
南方地下水水位高，使用效果往往不是很好。
目前国内城市地下管线的工作主要由市测绘院负责测绘，以前主要都是使用管线仪调查管线，现在有一些测绘院开始购买探地雷达或请专业管线队伍使用探地雷达来帮助调查管线。
由于探地雷达费用高，在国内管线应用中还只是在一些如北京、上海、杭州等发展大的城市使用较多。
1.2国外应用发展现状
在国外将雷达原理用于探地，早在1910年就已提出，然而只是在高频微电子技术以及计算机数据处理方法迅速开展的今天，这项技术才获得本质性的进展。
现在在国外，探地雷达不仅在探测装备上高度集中了现代技术领域的成就而得到了极大的改善，它的应用领域也正在迅速开拓。
美国、加拿大、瑞典、日本以及西欧等国正大力开发这一技术，服务业务也日益增多。
有关该项技术方面的应用成果和文章，已频繁地出现在一些期刊、专门会议文集以及各种地球物理国际学术会议的报告中。
目前国内仪器公司代理经销的主流进口商用探地雷达有美国地球物理探测设备公司（GSSI）的SIR系列，彼岸科技代理的加拿大探头及软件公司（SSI）的PulseEKKO系列，北京新衡运代理的瑞典地质公司（SGAB）的RAMAC系列，北京康泰克代理的意大利RIS系列，由于这些仪器都需经代理商向国外厂家订购，费用中无一例外要包括出厂价、保险费、运输费、关税、报关费、经销商的高额利润等项目，导致国外仪器价格昂贵，均在50~100万人民币左右，并且供货及售后服务周期长，维修成本昂贵。
第2章探地雷达工作理论
2.1结构组成
探地雷达主要由控制器、发射与接收天线组成。
控制器是雷达的核心部分,它是在计算机的基础上配合信号发生触发器、A/D转换器共同组成。
2.2方法原理
探地雷达利用高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫）以宽频带短脉冲形式，田地面通过天线T送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线R所接收（图1-1）。
脉冲波行程需时：
。
当地下介质中的波速v为已知时，可根据测到的精确的t值（ns，1ns=lO-9s）。
由上式求出反射体的深度（m）。
式中x（m）值在剖面探测中是固定的：
v值（m/ns）可以用宽角方式直接测量，也可以根据
近似算出（当介质的导电率很低时）[4]，其中c为光速（c=0.3m/ns），
为地下介质的相对介电常数值，后者可利用现成数据或测定获得。
图1-1反射探测原理
图1-2雷达记录示意图
雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。
波形的正负峰分别以黑、白色表示，或者以灰阶或彩色表示。
这样，同相轴或等灰度、等色线即可形象地表征出地下反射面。
图1-2为波形记录的示意图。
图上对照一个简单的地质模型.，画出了波形的记录。
在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。
与反射地震剖面相似，雷达剖面亦同样存在反射波的偏移与绕射波的归位问题。
故雷达图形也需作偏移处理。
反射脉冲信号的强度，与界面的波反射系数和穿透介质的波吸收程度有关“垂直界面入射的反射系数R的模值和幅角，分别可由下列关系式表示：
式中，
，μ和ε、σ分别为介质的导磁系数、相对介电常数和电导率。
角标1和2分别代表入射介质和透射介质。
由关系式可以看出，反射系数与界面两边介质的电磁性质和频率
有关。
很明显，电磁参数差别大者，反射系数也大，因而反射波的能量也大。
上式可以用作大致的数值估计。
对于斜入射情况，反射系数将因波极化性质而变，反射系数还与入射角大小有关。
介质的含水量一般也会对σ、ε值有所影响，含水多者σ、ε值变大，相应地，反射系数也会不同。
波的吸收程度与衰减因子有关，表示为：
当介质的电导率很低时：
这是一个与电磁参数有关的量，随σ的增大而增大，随ε的增大而减小；但介质电导率高时，β值则与σ、ω有关，而与ε几乎无关。
表1-1列出了常见介质的有关参数。
表1-1常见介质的物理量
TablelParametersvalueofcommonmediums
介质
电导率（Sm）
介电常数（相对值）
速度（m/ns）
衰减系数（dB/m）
空气
0
1
0.3
0
纯水
10-4～3×10-2
81
0.033
0.1
海水
4
81
0.01
103
冰
3.2
0.17
0.01
花岗岩（干）
10-8
5
0.15
0.01～1
花岗岩（湿）
10-3
7
0.1
0.01～1
玄武岩（湿）
10-2
8
0.15（干）
灰岩（干）
10-9
7
0.11
0.4～1
灰岩（湿）
2.5×10-2
8
0.4～1
砂（干）
10-7～10-3
4～6
0.15
0.01
砂（湿）
10-4～10-2
30
0.06
0.03～0.3
粘土（湿）
10-1～1
8～12
0.06
1～300
页岩（湿）
10-1
7
0.09
1～100
砂岩（湿）
4×10-2
6
土壤
1.4×10-4
2.6～15
0.13～0.17
20～30
肥土
15
0.078
混凝土
6.4
0.12
沥青
3～5
0.12～0.18
探测的分辨率问题，是指对多个目的体的区分或小目的体韵识别能力。
概括地说，这个问题决定于脉冲的宽度，即与脉冲频带的设计有关。
频带越宽，时域脉冲越窄，它在射线方向上的时域空间分辨能力就越强，或可近似地认为深度方向的分辨率高，其关系式为：
式中：
Beff有效频带宽度；
为分辨界面的有效波形之间的时间间隔。
若从波长的角度来考虑，则工作主频率越高（即波长短），雷达反射波的脉冲波形就越窄，其分辨率应越高。
实际应用中可以半波长为尺度来表明纵向分辨率。
例如，对于100MHZ的中心频率，在粘土中，波长λ=0.6m（以v=0.06m/ns计），其分辨能力为0.3m。
分辨率问题，尚应包含水平空间方向上的区分性概念。
这个分辨能力，在很大程度上决定于介质的吸收特性。
介质吸收越强，目的体中心部位与、边缘部位的反射能量相对差别也越大，水平方向的分辨能力相对也就较强。
吸收系数β和探测深度d均较大时，可写出关系式：
式中
为目的体水平方向的间距。
当然；分辨率还与地下各个方向上脉冲波的能量分布情况，即天线的方向图有关。
此外，波的散射截面也对分辨率有影响，面介质与目的体的物理性质、工作频率的大小以及目的体的埋深则与散射截面有关。
因此，要了解雷达探测的实际分辨能力，需要根据不同的仪器通过具体试验来进行。
需要特别指出的是天线的极化性质，对于线性极化的情形，有时在一些走向方位上接收信号的幅度为零，而圆极化辐射则可避免这一现象。
因此，对于前一种极化性质的天线，现场工作中必须配合天线试验进行。
现场测量工作，通常采用剖面法（CDP）或宽角法（WARR）两种方式。
前者，发射天线和接收天线以固定间距（TR=z=D）沿探测线同步移动，记录点位于TR的中点。
天线距可由式
估计（对于方向仍呈弯月形峰尖临界角的天线），式中D为目的体的深度。
测量中测点间距应小于波长的l/4。
对于宽角法，采用一个天线固定，移动另一个天线的方式，或者两天线同时由一中心点向两侧反方向移动。
此时记录的是电磁波脉冲通过地下各个不同介质层的双程传播时间，它反映地下成层介质的速度分布。
其图形是以天线间距为横坐标，双程走时为纵坐标，.图形以同相轴呈倾斜形态显示，速度大者较缓，速度小者较陡。
除了共深度法（剖面法）和宽角法以外，还有一种“多天线法（MAM）”。
这种测量方式是利用多个接收天线，同时实现多点测量。
但这种方法必须考虑天线的屏蔽，以避免直达波或泄漏波在天线之间多次反射造成的干扰。
测量方式中尚有“透射法”这一形式，但用得较少。
目前，各种探地雷达仪器的基本原理均类同。
雷达控制电路产生一定间隔（3.3×104～l×104ns即30～lOOkHz的重复率）的一系列电磁短脉冲，由天线送入地下。
这些脉冲的频宽按探测分辨特性的要求设计，一般均具有甚宽的频带，以使脉冲波形尖锐。
脉冲时宽为1Ons至1～2ns，脉冲峰值达100～150V。
接收天线（或分离式的或同点式的）检测来自地下不同介质界面的反射波（波形稍有变化），送到控制电路，或进行直接数值采集（如EKKO仪），或者经一定的处理以后再做数值采集（如SIR仪）。
各类探测仪均由微机控制，并配有数字处理和解释软件以及黑白（波形或灰阶）或彩色图形输出设备（包括现场模拟显示和打印成图），但各类设备的技术规格、结构、重量等各有特点。
2.3解释原理
雷达探测资料的解释，包含两部分内容，一为数据处理，二为图像解释。
由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅被减小，波形变得与原始发射波形有较大的差别。
此外，不同程度的各种随机噪声和干扰波，也歪曲了实测数据，因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善数据资料，为进一步解释提供清晰可辨的图像。
目前，数字处理主要是对所记录的波形作处理。
例如取多次重复测量的平均，以抑制随机噪声；取邻近的不同位置的多次测量平均，以压低非目的体杂乱回波，改善背景；做自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波；做滤波处理或时频变换以除去高频杂波或突出目的体、降低背景噪声和余振影响，或进一步考虑测域的一维、二维空间滤波，设计与脉冲波形有关的反滤波或匹配滤波器，做与目的体有关的三维处理等。
对于小的、局部的和细长物体，其回波散射有一些频谱特性或极化特性需专门考虑，而天线的极化性质也影响着接收效果。
这些都是当前数字处理的
研究对象。
和地震勘探的数字处理一样，探地雷达实测资料的数字处理正处在不断的发展中。
图像解释的第一步是识别异常，然后进行地质解释。
对于异常的识别在很大程度上基于地质雷达图像的正演成果，然而这方面的内容至今报道甚少。
中国地质大学（武汉）在完成国家自然科学基金项目“探地雷达目-的体物理模拟和数值模拟研究”的过程中，做了某些理论计算和大量的物理模拟实验。
这些成果无疑为识别现场探测中可能遇到的种种有限目的体所引起的异常，以及对各类图像进行地质解释提供了理论依据。
和所有物探技术一样，雷达异常的地质解释是一个“系统工程”，它包含了高频技术、地质和地理、工程人文等多方面的知识和经验。
目前的人工判读解释，只是对异常的识别作一些联系已知条件的注释，但仅就这一工作，应深入研究的问题仍不少。
可以肯定，和专家系统、人工智能的研究类同，雷达图像异常解释的成功率，必将随着“系统工程”的不断完善而大大提高。
第3章 意大利IDS公司RIS-K2S雷达
3.1现场工作图
意大利IDS公司RIS—K2雷达现场工作图
3.2扫描处理图像
金属雷达反射特性图像（图一）
第4章 探地雷达在管线探测中的实例
4.1沙坑中不同材质管线的探测
首先在沙坑中对500MHz天线和900MHz天线进行实验。
者在沙坑中埋设四种不同介质管线，它们分别是金属管、陶瓷管、塑料管和铁块，管线直径8厘米，埋设深度为25厘米，铁块的埋设深度1厘米，接近地表面。
时窗设定36ns，使用500MHz天线进行雷达扫描探测。
下图二为扫描探测结果。
从实验结果来看，金属目标体具有较强的反射能量，且多次干扰波严重，非金属物在介质均匀的沙坑中，也存在明显的反射图象。
金属管、陶瓷管、塑料管和铁块反射特性图像（图二）
4.2水泥路面下不同材质管线的探测
下图三是在水泥路面使用900MHz天线对地下管线的探测结果，时窗设置为16ns。
在探测区域内，发现三处明显的异常反射。
其中两处反射时间在4.3ns，另一处接近0时。
推断前两处为自来水的分支管道，第三处为地表水沟，并经开挖得到验证。
水泥路面下三处自来水管反射特性图像（图三）
4.3对陶瓷污水管线的探测
下图四为某地的陶瓷污水管道的雷达剖面图像。
地表为混凝土地面，地下介质较为均匀，测线与管道垂直。
在剖面图像4.3m~5.7m点位、0.8m深度开始有一个明显的弧形反射波同相轴，弧形的两翼较长。
其解释结果与实际污水管的埋深符合。
陶瓷污水管道的雷达剖面图像（图四）
4.4对电缆管线的探测
电缆线埋深较浅，但直径很小，在雷达图像上也一样能反映出来。
下图五是上海某工地的雷达探测剖面。
场地为杂填土，质地不均匀。
剖面图像上的杂乱干扰波为杂填土不均匀的干扰造成的，但从探测的结果来看，能明显看出地下埋设电缆的位置及深度。
地下埋设电缆的雷达剖面图像（五）
探地雷达分辩地下管线和材质
近距离管线的分辩
一般来说，金属管线仪的探测对属管线更为有效，但在管线距离很近甚至于上下埋设时，金属管线仪就难以分辨。
我们在某市农林上路进行给水管线竣工测量时就碰见这样的的问题:
场地内有两条金属管，附近都有检查井。
但是使用管线仪探测时，不论是直接法还是感应法，都有只能探测到一条管线。
于是，我们采用地质雷达进行探测，成果如下图六所示:
原来两条管线（红线光标对应位置）埋设非常近，近乎上下埋设，且水平上有交叉现象（a剖面中，上管在右，下管在左;B剖面中，上管在左，下管在右）这与管线相对位置与就近检查井所反映的情况是一致的。
近距离雷达管线的图像（六）
给水管线的分辩
一般来说，城市的给水管基本上有以下材质:
金属管（钢管、铸铁管）,PVC管、玻璃钢管和水泥管在给水管线的竣工测量中，我们常常会遇到这样的问题:
原来是金属管后来改成非金属管、非金属管改成金属管,PVC管改成水泥管等等，也就是说新旧管线的材质变化为了施工方便、节省经费等原因，往往旧管并不拆除，因此，当我们到现场探测时，往往同时会测到两条管线，哪一条是我们需探测的新管呢?
这里材质分辨是非常重要的一环。
为此我们综合了不同材质管线的雷达反射图形，对其进行总结如下图七所示，其图像分辨特征如图七所示。
不同材质给水管线的典型雷达图像（七）
非金属给水管的管径识别
如下图八中，我们选取了五种不同管径的非金属给水管线的反射图像，由图可以看出，管径的大小与管线异常多次反射波的问距有着近于正比的对应关系，即:
管径越大，其多次波的问距越大，出现的多次波数越少;反之，管径越小，其多次波的间距越小，出现的多次波次数越多经过研究总结，我们已经发现:
非金属给水管的多次波实际上是其管底的多次反射:
雷达波到达顶时产生雷达反射首波，同时一部分产生一部分电磁波透射，经过慢速的水介质，到达管底时，产生底部反射波，该反射波上行到达管顶时，一部分自接透射到达接收天线成为二次反射波，另一部分则再次反射击向下，至管底时再次产生三次反射波、四次反射波…，（表二）根据水的波速计算所得的两次反射波所代表的实际问距与管径的对比结果，由表2可知，采用雷达多次波的间距可以有效计算出非金属给水管的管径。
不同管径非金属给水管线的典型雷达图反射像（八）
实际间距与管径的对比结果（表二）
序号
图像号
材质
首波与二次波的走时差（s）
首波与二次波的间距（m）
实际管径（m）
偏差（m）
1
图八-A
PVC
35.4
0.59
0.60
0.01
2
图八-B
PVC
12.2
0.21
0.20
0.01
3
图八-C
PVC
8.8
0.15
0.15
0.00
4
图八-D
PVC
6.3
0.11
0.10
0.01
5
图八-E
PVC
4.2
0.10
0.85
0.15
探地雷达技术的优点与不足
探地雷达技术的优点
（1）探地雷达是一种非破坏性的探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场。
工作场地条件宽松，适应性强（对于轻便类的仪器）；
（2）抗电磁干扰能力强，可在城市内各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；
（3）具有工程上较满意的探测深度和分辨率.现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观；
（4）便携微机控制数字采集、记录、存储和处理。
轻便类仪器现场仅需3人或更少人员即可工作，工作效率高。
探地雷达技术的不足之处
（1）雷达天线高频特性能较好，低频性能差一些；
（2）发射功率较小，探测浅；
（3）雷达系统本身噪音较大，影响探测能力；
（4）雷达处理软件发展落后于硬件；
（5）由于使用了高频率，电磁波能量在地下的衰减剧烈，因而在高导厚覆盖条件下，探测范围受到限制。
（6）在一些地方由于地下水位较高，对探地雷达效果影响很大。
此外，有些雷达整体性差，接线太多，有的雷达采用笔记本作为记录器，现场工作不方便；还有些雷达数据传输很不方便，数据采集1小时，回来传数据3小时。
结论与展望
通过使川意大利的RIS型地质雷达，在给水管线近测中可以取得很好的成果，尤其是在近距离管线的分辨、管线材质、非金属管线的管径等方面均取得了进展希望能给同行以有效帮助。
不同材质、载体、管径、埋深的管道和周围介质会有不同的异常特征，探测时遵照从已知到未知，简单到复杂的原则。
充分运用异常特征类比法进行目标管线的识别和区分。
探测小管径和埋深小于lm的非金属管道时，宜采用较高频率（如600MHz）的天线和小采样点距（如2．4cm），以获得较高的分辨率。
RIs—K2探地雷达作为一种高新仪器，图像直观，分辨率高，操作方便，在近距离平行管线的探测，上下重叠管线以及非金属管线的探测等方面具有无可比拟的优势，可解决管线探测的众多疑难问题，但该系统仍存在后处理软件功能太少，采集数据无法与其它同类软件兼容等不足。
可以肯定，探地雷达在城市建设、管网探测工程项目中会得到越来越广泛的应用。
同时我们也希望以此为契机，大力推进地质雷达应用技术的创新与发展。
参考文献
著作：
[1]袁明德：
《探地雷达探测地下管线的能力》，北京，地质出版社2002年4月，第2期；
[2]战玉宝：
《探地雷达探测地下管线的研究》，岩土力学2004年9月，第25期；
[3]张汉春：
《RIS-K2探地雷达在地下管线竣工测量中的应用》，工程地理物理学报2007年10月，第4卷；
[4]张进华：
《探地雷达在地下管线探测中的应用》，城市勘测2004年3月，第3期；
[5]杨可：
《探地雷达方法的原理及工作方法技术简介》，西部探矿工程2001年第6期；
[6]汤洪志：
《探地雷达在管线探测与工程勘察中的应用》，华东地
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