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浅谈探地雷达的原理与特点 摘要：地下管线系统的建立是城市现代化建设的重要因素，但由于地下管线中的非金属管线的大量存在以及城市建设快速安全的需要，探地雷达探测技术的独特优势就显现出来，本文通过对探底雷达和地下管线的分析，为应用探底雷达在城市地下管线建设提供参考。 关键字：探地雷达；地下管线；探测技术 0 引言 随着城市现代化的发展，地下管线的密集程度也在不断地扩大。地下管线作为城市的重要基础设施之一，它一方面关系着城市居民生活及城市工业的发展，担负着巨大的社会责任，另一方面又由于它深埋于地下，具有不透明性，纵横交错、结构复杂。近年来，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，地下工程在施工时如何避免破坏这些地下管线就变得越来越重要，建立完整的城市地下管线系统成为现代城市快速建设的关键因素。 探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一种对地下或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁法，并以其探测的高分辨率和高效率而成为地球物理勘探的一种有力工具。随着信号处理技术和电子技术的不断发展及工程实践的增多和经验的不断积累，探地雷达技术也得到极大提高，仪器也不断更新，探地雷达检测技术具有分辨率高、采集速度快、后期数据处理简便等特点。因此在铁路、公路、建筑、市政、考古等领域得到广泛的应用,并受到广大现场技术人员的认可和喜爱。 1 探地雷达的发展 国外探底雷达技术最早可追溯到二十世纪初，西方国家以专利形式提出将雷达原理用于探地，正式提出了探地雷达的概念。但是直到50年代后期探地雷达技术才被慢慢重视起来。探地雷达在矿井、冰层厚度、地下粘土属性、地下水位等方面的得到了应用。1967年，一个与Stern最初用于冰川探测的仪器类似的系统被设计研制出来，1972年，Rex Morcy和Art Drake开创了GSSI公司，主要从事商业探底雷达的销售。随着电子技术的发展，电子存储设备的问世，加之现代数据处理技术的应用，特别是拟反射地震处理的应用，探底雷达的应用领域迅速扩大，其中有：石灰岩地区采石场的探测、淡水和沙漠地区的探测、工程地质探测、煤矿井探测、泥灰调查、放射性废弃物处理调查、埋设物探测、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、水坝的缺陷检测、隧道及堤坝探测等。 自70年代以来，许多商业化的通用数字探地雷达系统先后问世，其中有代表性的有：美国GSSI公司的SIR和MK系列，加拿大Sensor&Software公司的Pulse Ekko系列。这些雷达的基本原理大同小异主要功能有多通道采集、多维显示、实时处理、变频天线、多次叠加、多波形处理等，另外还有井中雷达系统， 多态雷达系统，层析成像雷达系统等。 国内探地雷达的研究始于70年代初。当时，地矿部物探所，科研院，以及一些高校和其他研究部门均做过这方面的实验，但由于一些原因，这些研究未能正式用于实际工作。90年代以来，由于大量国外仪器的引进，探地雷达技术得到了广泛的应用和研究。 2 探地雷达的原理 在地下管线探测中，探地雷达向地下发射高频电磁波，由于土壤与管线的介电常数有明显差异，电磁波在地下管线顶面会产生反射、折射和人射，反射波返回地面由接收天线所接收，形成探地雷达图像信息。反射波探测管线原理如图1所示。地面通过发射天线T将电磁波送人地下，经管线反射后返回接收天线。 电磁波行程时间为： s为发射天线与接收天线间距离， h为地下目标体埋深， t为电磁波从地表传至地下管线后反射回地表的双程时间， v为电磁波在地下介质中的传播速度， 对于自发自收天线，天线距s→0，h=vt/2。当介质中波速v为已知时，可根据测到的t值(ns)，由上式求出目标体的深度值。式中s值在探测中是固定的，v值可以用宽角方式(CDP)直接测量，也可以用近似算出(实际应用中通常取磁导率群，=1)，其中c为光速(c=0.3m/ms)，为地下介质的相对介电常数值，可利用理论数据或实际测定获得。 3 探地雷达的优势 地下管线的存在往往会改变天然的或人工的地球上物理场的分布情况，通过对这些异常的分布情况、形态及性能的研究可以获得与地下管线位置相关的资料，为我们进行地下管线合理的铺设奠定了理论基础。探地雷达以其独特的技术优势，在地下管线探测中发挥着越来越重要的作用。 随着科技和材料科学的不断进步，在过去不断使用的金属管线逐渐被非金属管线所代替。地下管线中的非金属材料有：玻璃钢、混凝土管、工程塑料、复合塑料等，这些材料拥有金属管线的不可比拟的优点比如：质量轻，抗老化、耐腐蚀、使用周期长、便于施工、成本低等。但是同时它又存在着电性能差，无绝缘性，对于信号的接受能力比较差。因此，许多现存的探测技术不能应用到其中。因而应用探地雷达进行探测非金属管道才成为可能，进过大量的验证，探地雷达在这方面取得了较好的探测效果。同时探底雷达因其具有快速性、直观性和连续 性而更显优势。 4 结束语 探地雷达在地下管线尤其是非金属管线探测中具有目前还未有其它方法取代的一种有力探测技术，随着微电子技术的飞速发展，探地雷达硬件不断改进，软件的开发与创新，定会将这一技术推向更高、更新发展阶段。随着探地雷达这一新技术在城市地下管线探测中的不断应用，以及地下管线管理体制和机制的完善与健全，技术队伍不断壮大，水平不断提高，城市地下管线建设前景美好的明天一定会实现。 5 参考文献 [1] 张玉海.RIS一ⅡK探地雷达的工作原理及波形分析[J].建筑技术，2003，34(4):277一287. [2] 邓仰岭，韩新芳，赵地红等.非金属地下管线探测问题的分析[J].勘察科学技术，2007(2):62一64. [3] 杨向东，聂上海.复杂条件下的地下管线探测技术[J].地质科技情报，2005，24(7)增刊:129一132. [4] 雷林源.城市地下管线探测与测漏[M].北京:冶金工业出版社，2003:77一84. 本文来源：https://www.dywdw.cn/79602b26b91aa8114431b90d6c85ec3a87c28b8e.html
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2022-05-24
