摘　要：探地雷達(dá)技術(shù)是如今適應(yīng)快速、準(zhǔn)確、無(wú)損地探測(cè)地下障礙物而迅速發(fā)展的電磁技術(shù)。文中介紹了意大利IDS公司生產(chǎn)的“Detector Duo型”雙通雙頻管線探地雷達(dá)的工作原理、解釋方法和工作方式，并通過(guò)結(jié)合工程實(shí)例來(lái)來(lái)討論探地雷達(dá)在地下燃?xì)夤芫€探測(cè)中的廣泛使用。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá) 雙頻天線陣 地下燃?xì)夤芫€探測(cè) 異常反射

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR)是一種對(duì)地下或物體內(nèi)不可見(jiàn)的目標(biāo)或界面進(jìn)行定位的電磁法，并以其探測(cè)的高分辨率和高效率而成為地球物理勘探的一種有力工具。隨著信號(hào)處理技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展及工程實(shí)踐的增多和經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，探地雷達(dá)技術(shù)也得到極大提高，儀器不斷更新，從最初的單一頻率、收發(fā)分體到多種頻率、收發(fā)一體，再到目前應(yīng)用的雙通道雙頻天線陣管線探地雷達(dá)。

本文將以探地雷達(dá)在城市地下燃?xì)夤芫€探測(cè)中的應(yīng)用，說(shuō)明雙通道雙頻天線陣探地雷達(dá)可以有效解決地下隱蔽工程上的許多疑難問(wèn)題，并總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用效果。

1 探地雷達(dá)的工作原理及工作方式

探地雷達(dá)由地面上發(fā)射天線將高頻帶短脈沖形式的高頻電磁波送入地下，高頻電磁波遇到存在電性差異的地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，由接收天線接收。高頻電磁波在傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨著所通過(guò)的介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化，故通過(guò)對(duì)時(shí)域波形的采集、處理與分析，就可確定地下界面或地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。

探地雷達(dá)通常以脈沖反射波的波形記錄。波形的正負(fù)峰分別以黑白表示，或者以灰諧或彩色表示，這樣同相軸或等灰線、等色線即可形象地表征出地下反射面或目標(biāo)體。在波形圖上各測(cè)點(diǎn)均以測(cè)線的鉛垂反向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面。根據(jù)雷達(dá)剖面圖(GPR圖)便可判斷地下不明障礙物。探地雷達(dá)電磁波在地下介質(zhì)中的傳播遵循波動(dòng)方程理論。探地雷達(dá)探測(cè)效果主觀上則取決于地下目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的電磁性質(zhì)差異(主要是電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和電常數(shù))、目標(biāo)體的深度與介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收作用、目標(biāo)體的大小、幾何形態(tài)、干擾波的類型、強(qiáng)度及特點(diǎn)等因素。

以意大利IDS公司生產(chǎn)的“Detector Duo雙通雙頻管線探地雷達(dá)”為例，該儀器的特點(diǎn)是內(nèi)部集成了兩種不同頻率天線(250MHz和700MHz)和采用先進(jìn)的天線陣技術(shù)。它通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)一次剖面探測(cè)可以同時(shí)獲取反映深部(250MHz天線)和淺部(700MHz天線)各自一張GPR剖面圖，在其提高探測(cè)速度的同時(shí)也大大增加了探測(cè)到管線概率和探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率。

圖1為一個(gè)二元天線陣的示意圖，天線0同天線1均為偶極子天線，只是天線0為250MHz，天線1為700MHz。它們的取向(排列方向相同)，兩天線間的距離為d，它們到觀察點(diǎn)p的距離分別為r₀和r₁，由于觀察點(diǎn)很遠(yuǎn)，r₀和r₁可看成平行。在計(jì)算兩天線到p點(diǎn)的相位差時(shí)，可近似令r₀≈r₁，但計(jì)算兩天線到P點(diǎn)的相位時(shí)，應(yīng)采用較為準(zhǔn)確的關(guān)系式r₁=r₀-dcosφ，當(dāng)兩天線電流大小和相位關(guān)系為I₁=mI₀e^-ja時(shí)(m與a為常數(shù))，天線1的輻射波在到達(dá)p點(diǎn)時(shí)將較天線0的輻射波超前相位φ=kdcosφ-a，等式右邊第一項(xiàng)是由兩天線的相對(duì)位置引起的；第二項(xiàng)是由兩天線電流的相對(duì)相位引起的。φ是天線陣由天線0到天線1(由電流超前引向電流滯后)的軸線沿著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到指向觀察點(diǎn)的射線夾角。如果天線0在p點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)是E₀，則由于電場(chǎng)強(qiáng)度正比于電流的一次方，故天線1在p點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)為E₁=mE₀e^jφ，于是合成場(chǎng)強(qiáng)是E=E₀+E₁=E₀(1+m^jφ)可以看到，合成電場(chǎng)是由兩部分相乘求得的，第一個(gè)因子E₀是天線0單獨(dú)產(chǎn)生于p點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，由天線0的類型(更確切的就是它的電流分布)決定；第二個(gè)因子(1+me^jφ)只依兩天線之間電流比值和它們相互位置而定，與天線類型無(wú)關(guān)，這一因子稱為陣因子。因此，由相同兩天線構(gòu)成的天線陣，它的合成方向圖是單獨(dú)一付天線的方向圖乘上因子。

由天線陣工作原理不難看出，采用天線陣及設(shè)計(jì)好兩付天線電流比值和兩付天線間距即可做到定向發(fā)射和接收。“Detector Duo雙通道雙頻管線探地雷達(dá)”的設(shè)計(jì)，一方面應(yīng)用了天線陣技術(shù)可達(dá)到定向發(fā)射有利于集中電磁能量，提高探測(cè)目標(biāo)體的分辨率；另一方面應(yīng)用了中心頻率分別為250MHz和700MHz天線(頻帶寬度近似等于各自天線的中心頻率)。其目的在于一次掃描可同時(shí)完成淺部和深部探測(cè)，這就極大地提高了探測(cè)準(zhǔn)確率和探測(cè)精度，猶如使用兩部像機(jī)，處于不同位置，對(duì)同一物體的不同部位面進(jìn)行同時(shí)瞬間拍攝，故此目標(biāo)物呈現(xiàn)出的即時(shí)圖像更加逼真。

本臺(tái)儀器的整體設(shè)備組成手推結(jié)構(gòu)。工作方式是在選擇剖面上進(jìn)行推車式剖析面測(cè)量(見(jiàn)圖2)。操作前在待實(shí)測(cè)剖面上進(jìn)行時(shí)間增益選擇(可以手選亦可自動(dòng)選擇)目的在于提高探測(cè)分辨率和準(zhǔn)確定目標(biāo)體的埋深。因儀器裝有位置傳感器，可以連續(xù)記錄從起點(diǎn)到終點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的距離，因而可回至尚需要重測(cè)或檢測(cè)位置，有利于檢測(cè)異常、提高定位、定深精度?，F(xiàn)場(chǎng)獲取的GPR剖面圖可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)解釋，一般情況下，不需室內(nèi)軟件再進(jìn)行圖像處理，便可做到現(xiàn)場(chǎng)異常解釋和定位、定深，操作簡(jiǎn)便、易于掌握。

2 探地雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的解釋

探地雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的解釋包括數(shù)據(jù)處理和圖像解釋兩項(xiàng)內(nèi)容。由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對(duì)電磁波的不同吸收以及介質(zhì)的不均勻性，使得脈沖電磁波到達(dá)接收天線時(shí)，波振幅減小，波形產(chǎn)生較大的變化，因此，必須對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，以改善?shù)據(jù)資料，為資料的解釋提供更清晰的GPR圖像。

探地雷達(dá)的正演規(guī)律在很大程度上幫助我們識(shí)別異常和進(jìn)行圖像解釋提供依據(jù)。對(duì)于地下管狀目的體的探測(cè)，其反射波形規(guī)律如下。

(1)地下管線的反射瞬時(shí)曲線在幾何形態(tài)上呈現(xiàn)雙曲線；(2)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度越快，拋物線(雙曲線)的曲率越??；(3)隨著深度的增加，拋物線的曲率隨之減?。?/span>(4)在傳播速度、深度及目標(biāo)體材質(zhì)都一樣的情況下，拋物線的頂部會(huì)隨著目標(biāo)尺寸的增大而變寬。故此在解釋GPR圖像時(shí)，要給以特別注意；(5)拋物線頂點(diǎn)對(duì)著管線中心位置；(6)由于受電磁波的傳播規(guī)律和記錄方式等因素影響，地下管線在GPR圖像上有偏移問(wèn)題存在；(7)有時(shí)也可以利用反射波的相位來(lái)識(shí)別管線的性質(zhì)，這是因?yàn)殡姶挪ǖ南辔皇侨Q于媒質(zhì)阻抗分界面的性質(zhì)；(8)地下管線賦存在回填或不密實(shí)的松土介質(zhì)時(shí)，GPR圖像呈現(xiàn)雜亂無(wú)章，目標(biāo)體的反射波往往被掩蓋，變得模糊，定位和定深不準(zhǔn)確；(9)在有鄰近管線(電力、通訊溝道)時(shí)，異常不夠清晰，解釋時(shí)提請(qǐng)注意，或用金屬管線儀將鄰近金屬管線排除，爾后再進(jìn)行資料分析，做出正確判斷；(10)管線處于土壤含水過(guò)多特殊情況時(shí)，因介電常數(shù)變得比測(cè)區(qū)試驗(yàn)過(guò)大時(shí)，使得探測(cè)深度比實(shí)際大，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行深度的適當(dāng)修正。

3 探地雷達(dá)在地下燃?xì)夤芫€探測(cè)中的應(yīng)用

近幾年，通過(guò)應(yīng)用意大利生產(chǎn)的“DetectorDuo型”探地雷達(dá)從事了地下燃?xì)夤芫€探測(cè)工作，在球墨鑄鐵、PE材質(zhì)燃?xì)夤艿鹊奶綔y(cè)方面獲取了豐富的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)資料，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也取得了較好的應(yīng)用效果。

3.1 球墨鑄鐵燃?xì)夤芫€探測(cè)

城市地下管線屬隱蔽工程，為了施工和地下管網(wǎng)普查需要，往往要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位、定深。通常金屬管線采用地下管線探測(cè)儀尋找，但對(duì)深部的大口徑或?qū)щ娦赃B續(xù)性差的金屬管，如球墨鑄鐵管就難以取得較好探測(cè)效果而多采用探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)。由于金屬管線的介電常數(shù)與周圍介質(zhì)明顯不同，所以當(dāng)電磁波反射到地下管道表面時(shí)，將產(chǎn)生較強(qiáng)的反射，通過(guò)對(duì)在地面上接收到的反射波同軸幾何形態(tài)、回波振幅及波形等特征的對(duì)比分析，便能確定地下金屬管線的空間位置。在某市一立交橋西側(cè)，因地下燃?xì)夤艿栏脑焓┕ば枰覀儾捎昧?ldquo;Detector Duo型”探地雷達(dá)，準(zhǔn)確地探測(cè)到?400mm，埋深1.1m的球墨鑄鐵燃?xì)夤艿赖奈恢煤吐裆睢?/span>

3.2 PE 材質(zhì)燃?xì)夤芫€探測(cè)

由于管線儀無(wú)法探測(cè)非金屬管線，因而應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)非金屬管道才成為可能。影響探地雷達(dá)探測(cè)效果的主要物性參數(shù)是介電常數(shù)和電導(dǎo)率。PE管與周圍介質(zhì)存在著一定的物性差異，PE管必定會(huì)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的反射波；經(jīng)實(shí)踐證明，的確取得較好探測(cè)效果。

3.3 自來(lái)水管與 PE 燃?xì)夤芫€探測(cè)與區(qū)分

在應(yīng)用探地雷達(dá)探測(cè)某市某路段PE燃?xì)夤芫€剖面測(cè)量時(shí)，在其GPR圖像中呈現(xiàn)兩個(gè)較為明顯的拋物特征異常。為了解釋和識(shí)別異常管線類別，應(yīng)用日本富士PL-960管線探測(cè)儀進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，右邊異常電磁感應(yīng)法未有顯示，而另一異常則有，再經(jīng)繼續(xù)追蹤，該異常是給水管線；則另一異常為PE燃?xì)夤芫€，達(dá)到了異常識(shí)別和區(qū)分的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)在地下管線尤其是非金屬管線探測(cè)中具有目前還未有其它方法取代的一種有力探測(cè)技術(shù)，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，探地雷達(dá)硬件不斷改進(jìn)，軟件的開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，定會(huì)將這一技術(shù)推向更高、更新發(fā)展階段。但筆者認(rèn)為企盼探地雷達(dá)解釋圖譜總之難以實(shí)現(xiàn)，只有依靠廣大從事這行的同仁們，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，廣泛技術(shù)交流，以便更快提高和發(fā)展我國(guó)的這一行業(yè)水平。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 劉傳正.地質(zhì)災(zāi)害勘查指南[M].北京:地質(zhì)出版社.

(本文作者：馬西安 西安市勘察測(cè)繪院 陜西西安 710054)