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摘要：城市地下管线探测是城市规划、建设、管理的一项重要基础工作。通过地下管线探测，可查明地下管线的分布现状，为城市地下空间的合理开发利用、综合管理、城市数字化等奠定坚实的基础。现在地下管线采用了越来越多的新型管材，如PVC和PE管等非金属材质。实际工作中，使用传统管线探测仪，其方法的单一性也越来越突出。相比，探地雷达在地下管线探测中，针对非金属管线探查上具有明显优势。
关键词：地下管线；探测；探地雷达
1探地雷达探查原理
1.1探地雷达基本原理
探地雷达是通过利用地下介质与地下目标之间的电磁特性差异来探测地下目标进行探查工作的。探地雷达的硬件主要由控制单元、发射机、接收机、天线、计算机终端和电源组成。探地雷达工作原理：基于电磁波的传播与散射原理，由发射天线对地下发射高频电磁脉冲，电磁波在传播的过程中，在遇到目标或界面等地下介质特性变化处产生反射和散射，一部分电磁波会产生反射返回地面，另一部分则继续向前传播，再次遇到目标或界面等地下介质特性发生变化处时，又有一部分电磁波产生反射返回地面。根据接收到的反射回波的双程走时、幅度、波形等参数，通过对采集的雷达回波的特性进行数据处理和数据分析，进而对地下目标及其内部结构进行描述，确定地下介质的空间分布与结构。
1.2探地雷达特点
①探地雷达剖面分辨率高，其分辨率是目前所有地球物理探查手段中最高的，能清晰直观地显示被探查介质体的内部结构特征；②探地雷达探查效率高，对被探查目标无破坏性，其天线可以贴近或离开目标介质表面进行探查，探查效果受现场条件影响小，适应性较强；③探地雷达抗干扰能力强，探查不受机械振动干扰的影响，也不受天线中心频段以外的电磁信号的干扰影响；④探地雷达反射法与地震反射法的基本物理限制不同：通常的地层接口地震波的反射系数相对较低，数量上只有百分之几，而地层介质中不同介质的电磁性差异通常为弹性差异的2～3个数量级，因而地层界面上雷达波的反射系数可达15%～30%；另外，导电性介质对高频电磁波具有强衰减吸收作用，因此，探地雷达探查在一些常见地质介质中的穿透深度非常有限。
1.3探地雷达数据形式
探地雷达系统可以采用多种不同的扫描方式进行采集数据，由于扫描方式的不同，采集的数据和探查空间位置之间的对应方式也不同，目前探地雷达的扫描方式有A扫描（A-Scan）、B扫描（B-Scan）和C扫描（C-Scan），其数据形式分别为一维、二维和三维。探地雷达天线在某一固定点（xi，yi）进行扫描，并接收到单道数据的扫描方式称为A扫描。
根据电磁波传播和反射理论，GPR接收的回波信号的A扫描信号由天线串扰产生的直达波，地面反射产生的地面杂波，目标反射产生的目标回波和白噪声四部分组成，其组成成份示意图如图2所示。因此GPR接收到的回波信号可用数学公式表示为：W=s+b+c+n
其中，W是接收到的回波信号；s是地下目标回波信号；b是地面反射信号及其他干扰带来的噪声信号；c是直达波；n是噪声项，通常假设它是一个加性高斯白噪声。
探地雷达天线沿着一个测线方向扫描，连续接收到一系列的A扫描构成了二维数据集，称为B扫描，可以用灰度级B扫描信号描述为一个二维的图像。
探地雷达天线沿着多条相互平行的测线进行扫描，获得多个平行的。B扫描数据构成了三维数据集，称为C扫描。
1.4数据基本处理流程
根据上一节探地雷达原理分析，探地雷达探查地下管线的成像特征模型呈双曲线，可用双曲线的特征方程来表示，其管径也可由双曲线参数确定，因此我们的研究目标为准确地提取回波图像中的目标双曲线并获取其参数，即可确定地下管道的管径及其他信息。
GPR数据处理流程主要包括采集图像、数据预处理、提取目标双曲线和管线识别等。数据预处理的目的就是最大程度的强化图像目标信息的同时除去噪声和干扰，因此在数据预处理过程中包括杂波抑制和边缘提取技术对探地雷达回波图像进行数据处理，抑制杂波并提取出目标成像特征双曲线的边缘信息，为下一步的目标提取和识别做好准备。
2探地雷达技术在地下管线探测中的具体应用分析
2.1 金属地下管线探查中探地雷达技术的应用分析
在我国社会经济快速发展的今天，在城市建设中所埋设的地下管线数量逐渐增加，使得地下管线探测工作任务量也逐渐增加。相关人员在进行地下金属管线探测过程中就需要使用探地雷达技术，在探地雷达技术下，金属地下管线中的金属介质就会呈现出巨大的波动，出现强度非常大的介质常数，在此种情况下，地面上产生的电磁波就会经过天线发射到地面上，在地面上遇到一定的障碍后电磁波就会出现高强度的反弹，此种情况下，相关工作人员通过对反弹回来的高强度电磁波进行分析，通过分析结果准确找到金属地下管线存在的位置，然后对金属地下管线进行管径、位置深度等方面内容的测量工作，提高了金属地下管线探测效率。
2.2非金属地下管线探查中探地雷达技术的应用分析
随着我国社会经济的快速发展，使得地下管线的类型呈现出多样性，增加了地下管线探测工作难度。在对非金属地下管线进行探查过程中经常受到空气、土壤、环境等方面因素的影响，造成探测效果存在严重的误差，从而导致探测结果准确性严重下降，给探测工作增加了困难度。因此相关人员就需要在非金属地下管线探测工作中使用探地雷达技术，具体工作原理主要体现在以下：由于地面天线发射出的电磁波在传输过程中经常会受到非金属地下管线周围介质的影响，而非金属地下管线周围的介质具有多样性，不同的介质对地面天线发射出的电磁波产生的影响具有差异性，从而对电磁波的传递产生不同程度的影响，造成电磁波传递效果出现严重的下降。但是介质的电导率随着吸收系数的增加而呈現出上升的趋势，在此种情况下，对不同地段所传递的介质也呈现出不同，进而准确探查出非金属地下管线，提高非金属地下管线探测工作质量。例如，在嘉兴市南湖区，采用探地雷达方法（雷达仪器型号：RAMACGPR型）对一条管径为600mm的雨水砼管进行探查。探查时所选的技术参数为：天线频率为100MHz，天线距为0.6m，采样点距为0.1m，时窗为100ns。根据被探查管线在雷达剖面上反射同相轴极小点的水平位置，可得到管道中心的地面投影在测线上2.2m处。为了求出该雨水砼管的埋深，在该管附近另一条已知埋深的排水管道上进行原位波速测定。已知该排水砼管直径为800mm，管顶埋深h=1.08m，从雷达剖面上读得单程反射回波走时t=13.33ns，故求得电磁波在该地段的速度v=0.081m/ns。雨水砼管反射回波同相轴极小点的双程走时为21.5ns，由此，求得该管顶埋深为0.87m。
3结语
探地雷达技术对干扰小、埋深浅的非金属地下管线探查效果良好，对大口径管线在一定埋深范围内探查效果明显。针对不同种类、不同管径的管线，应合理采用不同频率天线开展探查工作。探地雷达可以高效探查金属和非金属地下管线及异常体，是对城市地下管线探测中无法进行钎探、开挖路段以及信号较弱的地下管线的探测方法一种有效补充。
参考文献：
[1]邹延延.地下管线探测技术综述[J].勘探地球物理进展，2006（01）：14-19+9.
[2]刘永义，杨磊，王瑞芳.探地雷达在地下管线探测中的应用[J].全球定位系统，2015，40（03）：73-76.
关键词：地下管线；探测；探地雷达
1探地雷达探查原理
1.1探地雷达基本原理
探地雷达是通过利用地下介质与地下目标之间的电磁特性差异来探测地下目标进行探查工作的。探地雷达的硬件主要由控制单元、发射机、接收机、天线、计算机终端和电源组成。探地雷达工作原理：基于电磁波的传播与散射原理，由发射天线对地下发射高频电磁脉冲，电磁波在传播的过程中，在遇到目标或界面等地下介质特性变化处产生反射和散射，一部分电磁波会产生反射返回地面，另一部分则继续向前传播，再次遇到目标或界面等地下介质特性发生变化处时，又有一部分电磁波产生反射返回地面。根据接收到的反射回波的双程走时、幅度、波形等参数，通过对采集的雷达回波的特性进行数据处理和数据分析，进而对地下目标及其内部结构进行描述，确定地下介质的空间分布与结构。
1.2探地雷达特点
①探地雷达剖面分辨率高，其分辨率是目前所有地球物理探查手段中最高的，能清晰直观地显示被探查介质体的内部结构特征；②探地雷达探查效率高，对被探查目标无破坏性，其天线可以贴近或离开目标介质表面进行探查，探查效果受现场条件影响小，适应性较强；③探地雷达抗干扰能力强，探查不受机械振动干扰的影响，也不受天线中心频段以外的电磁信号的干扰影响；④探地雷达反射法与地震反射法的基本物理限制不同：通常的地层接口地震波的反射系数相对较低，数量上只有百分之几，而地层介质中不同介质的电磁性差异通常为弹性差异的2～3个数量级，因而地层界面上雷达波的反射系数可达15%～30%；另外，导电性介质对高频电磁波具有强衰减吸收作用，因此，探地雷达探查在一些常见地质介质中的穿透深度非常有限。
1.3探地雷达数据形式
探地雷达系统可以采用多种不同的扫描方式进行采集数据，由于扫描方式的不同，采集的数据和探查空间位置之间的对应方式也不同，目前探地雷达的扫描方式有A扫描（A-Scan）、B扫描（B-Scan）和C扫描（C-Scan），其数据形式分别为一维、二维和三维。探地雷达天线在某一固定点（xi，yi）进行扫描，并接收到单道数据的扫描方式称为A扫描。
根据电磁波传播和反射理论，GPR接收的回波信号的A扫描信号由天线串扰产生的直达波，地面反射产生的地面杂波，目标反射产生的目标回波和白噪声四部分组成，其组成成份示意图如图2所示。因此GPR接收到的回波信号可用数学公式表示为：W=s+b+c+n
其中，W是接收到的回波信号；s是地下目标回波信号；b是地面反射信号及其他干扰带来的噪声信号；c是直达波；n是噪声项，通常假设它是一个加性高斯白噪声。
探地雷达天线沿着一个测线方向扫描，连续接收到一系列的A扫描构成了二维数据集，称为B扫描，可以用灰度级B扫描信号描述为一个二维的图像。
探地雷达天线沿着多条相互平行的测线进行扫描，获得多个平行的。B扫描数据构成了三维数据集，称为C扫描。
1.4数据基本处理流程
根据上一节探地雷达原理分析，探地雷达探查地下管线的成像特征模型呈双曲线，可用双曲线的特征方程来表示，其管径也可由双曲线参数确定，因此我们的研究目标为准确地提取回波图像中的目标双曲线并获取其参数，即可确定地下管道的管径及其他信息。
GPR数据处理流程主要包括采集图像、数据预处理、提取目标双曲线和管线识别等。数据预处理的目的就是最大程度的强化图像目标信息的同时除去噪声和干扰，因此在数据预处理过程中包括杂波抑制和边缘提取技术对探地雷达回波图像进行数据处理，抑制杂波并提取出目标成像特征双曲线的边缘信息，为下一步的目标提取和识别做好准备。
2探地雷达技术在地下管线探测中的具体应用分析
2.1 金属地下管线探查中探地雷达技术的应用分析
在我国社会经济快速发展的今天，在城市建设中所埋设的地下管线数量逐渐增加，使得地下管线探测工作任务量也逐渐增加。相关人员在进行地下金属管线探测过程中就需要使用探地雷达技术，在探地雷达技术下，金属地下管线中的金属介质就会呈现出巨大的波动，出现强度非常大的介质常数，在此种情况下，地面上产生的电磁波就会经过天线发射到地面上，在地面上遇到一定的障碍后电磁波就会出现高强度的反弹，此种情况下，相关工作人员通过对反弹回来的高强度电磁波进行分析，通过分析结果准确找到金属地下管线存在的位置，然后对金属地下管线进行管径、位置深度等方面内容的测量工作，提高了金属地下管线探测效率。
2.2非金属地下管线探查中探地雷达技术的应用分析
随着我国社会经济的快速发展，使得地下管线的类型呈现出多样性，增加了地下管线探测工作难度。在对非金属地下管线进行探查过程中经常受到空气、土壤、环境等方面因素的影响，造成探测效果存在严重的误差，从而导致探测结果准确性严重下降，给探测工作增加了困难度。因此相关人员就需要在非金属地下管线探测工作中使用探地雷达技术，具体工作原理主要体现在以下：由于地面天线发射出的电磁波在传输过程中经常会受到非金属地下管线周围介质的影响，而非金属地下管线周围的介质具有多样性，不同的介质对地面天线发射出的电磁波产生的影响具有差异性，从而对电磁波的传递产生不同程度的影响，造成电磁波传递效果出现严重的下降。但是介质的电导率随着吸收系数的增加而呈現出上升的趋势，在此种情况下，对不同地段所传递的介质也呈现出不同，进而准确探查出非金属地下管线，提高非金属地下管线探测工作质量。例如，在嘉兴市南湖区，采用探地雷达方法（雷达仪器型号：RAMACGPR型）对一条管径为600mm的雨水砼管进行探查。探查时所选的技术参数为：天线频率为100MHz，天线距为0.6m，采样点距为0.1m，时窗为100ns。根据被探查管线在雷达剖面上反射同相轴极小点的水平位置，可得到管道中心的地面投影在测线上2.2m处。为了求出该雨水砼管的埋深，在该管附近另一条已知埋深的排水管道上进行原位波速测定。已知该排水砼管直径为800mm，管顶埋深h=1.08m，从雷达剖面上读得单程反射回波走时t=13.33ns，故求得电磁波在该地段的速度v=0.081m/ns。雨水砼管反射回波同相轴极小点的双程走时为21.5ns，由此，求得该管顶埋深为0.87m。
3结语
探地雷达技术对干扰小、埋深浅的非金属地下管线探查效果良好，对大口径管线在一定埋深范围内探查效果明显。针对不同种类、不同管径的管线，应合理采用不同频率天线开展探查工作。探地雷达可以高效探查金属和非金属地下管线及异常体，是对城市地下管线探测中无法进行钎探、开挖路段以及信号较弱的地下管线的探测方法一种有效补充。
参考文献：
[1]邹延延.地下管线探测技术综述[J].勘探地球物理进展，2006（01）：14-19+9.
[2]刘永义，杨磊，王瑞芳.探地雷达在地下管线探测中的应用[J].全球定位系统，2015，40（03）：73-76.