基于RIS探地雷达的地下管线探测实例

郭晓南，冯 磊，程 涌

（河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作454000）

1 引言

近年来，中国城市化进程加快，城市建设和改造等各类工程项目日益增多，而每个城市的地下都是管线交错、复杂异常，如光缆线、电力线、自来水管道、燃气管道、排污管道等。由于时间久远，许多城市地下管线的分布无据可查，再加上不同的管线属于不同的部门管辖，在对管线进行维修活动或工程施工时，盲目开挖常会破坏其它管线，导致人员伤亡、通讯中断、燃气泄漏、停水停电事故，造成每年大约450亿的巨大经济损失。如果预先使用探地雷达查清地下管线的详细分布情况，在进行施工时就可以有针对性地开挖、大幅度减少工程量，同时大大降低了破坏管线和引发事故风险，避免了不必要的经济损失。

探地雷达作为一种先进的物探手段，具有分辨率高、无损性、轻质便携、抗干扰能力强并能适应野外作业等优点而得到了广泛应用。本文在对探地雷达进行了可行性试验的基础上，对河南理工大学馨月湖南侧排水管道进行探测。经过详细研究，查清了该区排水管道的空间位置及埋藏深度，为排水管道维护维修和后期建设施工提供了基础资料，为全面查清河南理工大学地下水管道提供了经济高效且可靠的手段。

2 探地雷达发展现状

探地雷达技术经过近几十年来的深入研究和不断发展，取得了巨大的突破，目前在生产实际中已得到了广泛的应用。国外仪器生产厂商由于科研实力强、经费充足、技术水平遥遥领先，迅速占领了国际市场。70年代初我国才开始研究探地雷达，技术水平相对落后。目前市场上几种主流探地雷有：美国地球物理探测仪器公司（GSSI）的SIR系列、意大利IDS公司的RIS系列和瑞典MALA公司的RAMAC系列等。

河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室（河南理工大学）经过调研对比，购置了意大利IDS公司生产的RIS K2高精度探地雷达（图1）。主要参数为：控制单元多至8个通道，可接8个单天线同时测量；时窗长度：4～9999nsec；迭加：最大至32768；发射速率：400k Hz；扫描速度：850扫／s；工作温度：－10～50℃；工作功率：20W；A／D转换率：16bit；分辨率：5psec。该雷达具有信号稳定、分辨率高、软件功能强大、轻质便携及能适应恶劣的环境等优点。本次排水管道探测借助于此探地雷达进行了实际应用。

3 探地雷达工作原理

图1 意大利RIS高精度探地雷达

图2 探地雷达工作原理

探地雷达在探测地下管线时，产生周期性的高频毫微秒信号，由发射天线T向地下发射高频电磁波，电磁波经过地下介质界面的反射后由接收天线R接收（图2）。电磁波在地下材料介质中传播时，由于通过的材料介质的电性质与几何形态不断发生变化，电磁波的传播路径、电磁场强度和波形亦将产生变化。因此，根据接收到波的双旅程时间、振幅与波形资料，就可以推断地下分界面、介质结构和目标地质体的空间位置、结构、形态以及埋藏深度等相关信息。

由于地下管线材料与周围岩石、土壤介质材料的介电常数不同，电磁波在其分层界面处发生反射和透射，一部分电磁波能量衰减，另一部分电磁波返回地面，被接收天线接收，形成反射界面。根据接收天线收到的电磁波的特点就可以推断地下管线的空间位置、粗细、材料及埋藏深度等相关信息。

4 探地雷达管线探测步骤

4．1 雷达参数的选择

探地雷达测量参数选择直接关系到测量结果的准确性。需设置的参数有很多，现选择重要的几个参数进行叙述。

（1）天线中心频率：天线中心频率的选择很重要，因为探测深度、分辨率与之息息相关，而探测深度和分辨率直接体现探地雷达探测能力，即中心频率控制着探地雷达的探测能力。根据对探测区域排水管道的埋深和地面介质的分析，本次实验采用200MHz的屏蔽天线进行探测。

（2）A／D采样分辨率：雷达的 A／D转换有8Bit、16Bit、24Bit可供选用，随着位数增加探测深度变大，动态记录能力强，但采集速度会减慢，根据需要适宜选择。

（3）增益方式选择：适合选择自动方式，当地面介质发生明显变化时，自动增益曲线应重新拾取，以适应相应的探测环境，然后在新环境下进行探测。

如果想要获得理想的、准确的探测数据，还要合理的设置扫描样点数，扫描速率，增益点数，滤波设置，合理的采集方式和显示方式等。

4．2 工作思路和流程

具体工作分为三个阶段：第一阶段——分析探测区地下排水管道概况，设置探地雷达参数，设计探地雷达测线布置方案；第二阶段——户外数据采集，本阶段主要是根据室内设计的测线布置方案，利用探地雷达对探测区区域进行探测，采集相关的剖面数据；第三阶段——数据处理和解释，本阶段通过对探地雷达采集的数据进行处理和分析，结合探测区的实际情况，综合各个雷达剖面的解释结果，最终得到排水管道的地下埋藏情况。

5 管线探测可行性试验

为验证探地雷达仪器性能，寻找最合适的雷达参数，对河南理工大学校园内已知地下管线区域进行探测实验。分别选择两个区域进行测试，区域一位于河南理工大学电气学院楼南侧，区域二位于河南理工大学安全学院楼南侧。

图3 电气学院地下管线井盖及对应探地雷达剖面

通过对区域一（图3）的探测，一方面测试了仪器能否正常使用，另一方面通过这一测试对金属管道形成的雷达剖面有一个形象的认识，由于金属管线的介电常数与周围介质明显不同，电磁波射到地面金属管道时，将发生明显的反射。我们在这次试验中认识到了运用探地雷达探测地下管线时应注意的问题，掌握了探地雷达的正确使用方法。

图4 安全学院地下管线井盖及对应探地雷达剖面

区域二（图4）的测试对于我们进一步认识地下管道对电磁波的反射特点起到很大作用，尤其是非金属管道。由于介质的吸收系数与电导率成正比，因此非金属管道反射电磁波波衰减很大，其反射曲线明显没有金属管道波峰值高。

通过这两个试验还可以了解到：（1）管道存在的标志——剖面双曲线形态；（2）波峰的大小和管道的直径和材质等有很大关系；（3）地下管线的地面分布位置由探地雷达的雷达剖面上双曲线同相轴的极小点位置确定；（4）根据探地雷达图像上双曲线同相轴的极小点在垂直剖面的位置，可以从图中读出地下管线顶部位置埋深。

6 地下管线实际探测

经过前期多次试验分析，取得了此次探测最理想的探地雷达采集参数，针对河南理工大学馨月湖桥南侧局部公路排水管道走向进行了探测（图5和图6），目的在于为今后在该区域的工程施工提供地下排水管道分布资料，同时也证明了探地雷达在地下管线探测应用的可靠性。

排水管线探测结果分析：

根据图7中测线3、5、6对应的雷达探测剖面，结合探测区现场情况，在距所定基线附近4．7～5．3m范围内，瞬时信号能量团比较集中，有明显的剖面双曲线异常，具体管道位置双曲线同相轴的极小点确定为距基线5m左右，埋深由雷达剖面图可以看出大约1．3m左右，杂乱反射较少，推断为管线，并且由于管道的非金属材质原因，目标体反射能量并不是很大，造成双曲线幅值变小，图像颜色浅。

图5 测线工程布置示意图

图6 现场探测照片

测线2对应的雷达探测剖面，在距基线5m左右，存在杂乱的雷达反射信号，从雷达剖面图像中即可看出，其反射波波形复杂凌乱，同相轴错乱，存在绕射，推断该段管线可能由于年久失修，出现泥沙淤积管线现象。

通过对实地排水管道在馨月湖一侧的露头观测，管线的分布情况与探地雷达的探测结论相一致。经过雨天同类排水管道排水能力的实际对比，该管道的排水能力明显低于其他管道，验证了以上推断的正确性。

7 结论

本次探测采用RIS K2探地雷达查明了探测区排水管道的分布，确定了河南理工大学馨月湖南侧地下排水管道地下走向分布，为学校对该区地下排水管道的维护维修和后期建设施工提供可参考依据。在实际应用中，选择合适的探测仪器和正确的工作方法，才能采集到高质量的野外数据；另外在数据解释时，可采用多种勘探手段相结合、纵横雷达剖面相互配合的方法，才能减弱甚至消除地下管线实际探测中的诸多干扰因素，真实准确地确定地下管线的空间分布情况。

图7 测线2、3、5、6对应的雷达探测剖面

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