摘　要：探地雷達(dá)技術(shù)是如今適應(yīng)快速、準(zhǔn)確、無損地探測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，并通過結(jié)合工程實例來來討論探地雷達(dá)在地下燃?xì)夤芫€探測中的廣泛使用。

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

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是一種對地下或物體內(nèi)不可見的目標(biāo)或界面進(jìn)行定位的電磁法，并以其探測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。隨著信號處理技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展及工程實踐的增多和經(jīng)驗的不斷積累，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€探測中的應(yīng)用，說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題，并總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗和應(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，其路徑、電磁場強度與波形將隨著所通過的介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化，故通過對時域波形的采集、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。在波形圖上各測點均以測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)中的傳播遵循波動方程理論。探地雷達(dá)探測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、強度及特點等因素。

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)。它通過現(xiàn)場一次剖面探測可以同時獲取反映深部(250MHz天線)和淺部(700MHz天線)各自一張GPR剖面圖，在其提高探測速度的同時也大大增加了探測到管線概率和探測結(jié)果的準(zhǔn)確率。

圖1為一個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p的距離分別為r₀和r₁，由于觀察點很遠(yuǎn)，r₀和r₁可看成平行。在計算兩天線到p點的相位差時，可近似令r₀≈r₁，但計算兩天線到P點的相位時，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(m與a為常數(shù))，天線1的輻射波在到達(dá)p點時將較天線0的輻射波超前相位φ=kdcosφ-a，等式右邊第一項是由兩天線的相對位置引起的；第二項是由兩天線電流的相對相位引起的。φ是天線陣由天線0到天線1(由電流超前引向電流滯后)的軸線沿著逆時針方向旋轉(zhuǎn)到指向觀察點的射線夾角。如果天線0在p點產(chǎn)生的場強是E₀，則由于電場強度正比于電流的一次方，故天線1在p點產(chǎn)生的場強應(yīng)為E₁=mE₀e^jφ，于是合成場強是E=E₀+E₁=E₀(1+m^jφ)可以看到，合成電場是由兩部分相乘求得的，第一個因子E₀是天線0單獨產(chǎn)生于p點的場強，由天線0的類型(更確切的就是它的電流分布)決定；第二個因子(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，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完成淺部和深部探測，這就極大地提高了探測準(zhǔn)確率和探測精度，猶如使用兩部像機，處于不同位置，對同一物體的不同部位面進(jìn)行同時瞬間拍攝，故此目標(biāo)物呈現(xiàn)出的即時圖像更加逼真。

本臺儀器的整體設(shè)備組成手推結(jié)構(gòu)。工作方式是在選擇剖面上進(jìn)行推車式剖析面測量(見圖2)。操作前在待實測剖面上進(jìn)行時間增益選擇(可以手選亦可自動選擇)目的在于提高探測分辨率和準(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)記錄從起點到終點所經(jīng)過的距離，因而可回至尚需要重測或檢測位置，有利于檢測異常、提高定位、定深精度?，F(xiàn)場獲取的GPR剖面圖可進(jìn)行現(xiàn)場即時解釋，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)場異常解釋和定位、定深，操作簡便、易于掌握。

2 探地雷達(dá)探測數(shù)據(jù)的解釋

探地雷達(dá)探測數(shù)據(jù)的解釋包括數(shù)據(jù)處理和圖像解釋兩項內(nèi)容。由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對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，波振幅減小，波形產(chǎn)生較大的變化，因此，必須對接收信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚愿纳茢?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別異常和進(jìn)行圖像解釋提供依據(jù)。對于地下管狀目的體的探測，其反射波形規(guī)律如下。

(1)地下管線的反射瞬時曲線在幾何形態(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??；(4)在傳播速度、深度及目標(biāo)體材質(zhì)都一樣的情況下，拋物線的頂部會隨著目標(biāo)尺寸的增大而變寬。故此在解釋GPR圖像時，要給以特別注意；(5)拋物線頂點對著管線中心位置；(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圖像上有偏移問題存在；(7)有時也可以利用反射波的相位來識別管線的性質(zhì)，這是因為電磁波的相位是取決于媒質(zhì)阻抗分界面的性質(zhì)；(8)地下管線賦存在回填或不密實的松土介質(zhì)時，GPR圖像呈現(xiàn)雜亂無章，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，異常不夠清晰，解釋時提請注意，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多特殊情況時，因介電常數(shù)變得比測區(qū)試驗過大時，使得探測深度比實際大，此時應(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€探測中的應(yīng)用

近幾年，通過應(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€探測工作，在球墨鑄鐵、PE材質(zhì)燃?xì)夤艿鹊奶綔y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，同時也取得了較好的應(yīng)用效果。

3.1 球墨鑄鐵燃?xì)夤芫€探測

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儀尋找，但對深部的大口徑或?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效果而多采用探地雷達(dá)進(jìn)行探測。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，將產(chǎn)生較強的反射，通過對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

由于管線儀無法探測非金屬管線，因而應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行探測非金屬管道才成為可能。影響探地雷達(dá)探測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管必定會產(chǎn)生一定強度的反射波；經(jīng)實踐證明，的確取得較好探測效果。

3.3 自來水管與 PE 燃?xì)夤芫€探測與區(qū)分

在應(yīng)用探地雷達(dá)探測某市某路段PE燃?xì)夤芫€剖面測量時，在其GPR圖像中呈現(xiàn)兩個較為明顯的拋物特征異常。為了解釋和識別異常管線類別，應(yīng)用日本富士PL-960管線探測儀進(jìn)行探測，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)到了異常識別和區(qū)分的目標(biāo)。

4 結(jié)語

探地雷達(dá)在地下管線尤其是非金屬管線探測中具有目前還未有其它方法取代的一種有力探測技術(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)，軟件的開發(fā)與創(chuàng)新，定會將這一技術(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現(xiàn)，只有依靠廣大從事這行的同仁們，總結(jié)經(jīng)驗，廣泛技術(shù)交流，以便更快提高和發(fā)展我國的這一行業(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 西安市勘察測繪院 陜西西安 710054)