摘　要：探地雷達技術是如今適應快速、準確、無損地探測地下障礙物而迅速發展的電磁技術。文中介紹了意大利IDS公司生產的“Detector Duo型”雙通雙頻管線探地雷達的工作原理、解釋方法和工作方式，并通過結合工程實例來來討論探地雷達在地下燃氣管線探測中的廣泛使用。

關鍵詞：探地雷達 雙頻天線陣 地下燃氣管線探測 異常反射

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是一種對地下或物體內不可見的目標或界面進行定位的電磁法，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。隨著信號處理技術和電子技術的不斷發展及工程實踐的增多和經驗的不斷積累，探地雷達技術也得到極大提高，儀器不斷更新，從最初的單一頻率、收發分體到多種頻率、收發一體，再到目前應用的雙通道雙頻天線陣管線探地雷達。

本文將以探地雷達在城市地下燃氣管線探測中的應用，說明雙通道雙頻天線陣探地雷達可以有效解決地下隱蔽工程上的許多疑難問題，并總結了相關經驗和應用效果。

1 探地雷達的工作原理及工作方式

探地雷達由地面上發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的電性及幾何形態而變化，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體的空間位置及結構。

探地雷達通常以脈沖反射波的波形記錄。波形的正負峰分別以黑白表示，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體。在波形圖上各測點均以測線的鉛垂反向記錄波形，構成雷達剖面。根據雷達剖面圖(GPR圖)便可判斷地下不明障礙物。探地雷達電磁波在地下介質中的傳播遵循波動方程理論。探地雷達探測效果主觀上則取決于地下目標體與周圍介質的電磁性質差異(主要是電導率、磁導率和電常數)、目標體的深度與介質對電磁波的吸收作用、目標體的大小、幾何形態、干擾波的類型、強度及特點等因素。

以意大利IDS公司生產的“Detector Duo雙通雙頻管線探地雷達”為例，該儀器的特點是內部集成了兩種不同頻率天線(250MHz和700MHz)和采用先進的天線陣技術。它通過現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果的準確率。

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，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，應采用較為準確的關系式r₁=r₀-dcosφ，當兩天線電流大小和相位關系為I₁=mI₀e^-ja時(m與a為常數)，天線1的輻射波在到達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到指向觀察點的射線夾角。如果天線0在p點產生的場強是E₀，則由于電場強度正比于電流的一次方，故天線1在p點產生的場強應為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，這一因子稱為陣因子。因此，由相同兩天線構成的天線陣，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，采用天線陣及設計好兩付天線電流比值和兩付天線間距即可做到定向發射和接收。“Detector Duo雙通道雙頻管線探地雷達”的設計，一方面應用了天線陣技術可達到定向發射有利于集中電磁能量，提高探測目標體的分辨率；另一方面應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行同時瞬間拍攝，故此目標物呈現出的即時圖像更加逼真。

本臺儀器的整體設備組成手推結構。工作方式是在選擇剖面上進行推車式剖析面測量(見圖2)。操作前在待實測剖面上進行時間增益選擇(可以手選亦可自動選擇)目的在于提高探測分辨率和準確定目標體的埋深。因儀器裝有位置傳感器，可以連續記錄從起點到終點所經過的距離，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。現場獲取的GPR剖面圖可進行現場即時解釋，一般情況下，不需室內軟件再進行圖像處理，便可做到現場異常解釋和定位、定深，操作簡便、易于掌握。

2 探地雷達探測數據的解釋

探地雷達探測數據的解釋包括數據處理和圖像解釋兩項內容。由于地下介質相當于一個復雜的濾波器，介質對電磁波的不同吸收以及介質的不均勻性，使得脈沖電磁波到達接收天線時，波振幅減小，波形產生較大的變化，因此，必須對接收信號進行適當的處理，以改善數據資料，為資料的解釋提供更清晰的GPR圖像。

探地雷達的正演規律在很大程度上幫助我們識別異常和進行圖像解釋提供依據。對于地下管狀目的體的探測，其反射波形規律如下。

(1)地下管線的反射瞬時曲線在幾何形態上呈現雙曲線；(2)電磁波在介質中的傳播速度越快，拋物線(雙曲線)的曲率越小；(3)隨著深度的增加，拋物線的曲率隨之減小；(4)在傳播速度、深度及目標體材質都一樣的情況下，拋物線的頂部會隨著目標尺寸的增大而變寬。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，這是因為電磁波的相位是取決于媒質阻抗分界面的性質；(8)地下管線賦存在回填或不密實的松土介質時，GPR圖像呈現雜亂無章，目標體的反射波往往被掩蓋，變得模糊，定位和定深不準確；(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，因介電常數變得比測區試驗過大時，使得探測深度比實際大，此時應進行深度的適當修正。

3 探地雷達在地下燃氣管線探測中的應用

近幾年，通過應用意大利生產的“DetectorDuo型”探地雷達從事了地下燃氣管線探測工作，在球墨鑄鐵、PE材質燃氣管等的探測方面獲取了豐富的探地雷達數據資料，積累了一定的經驗，同時也取得了較好的應用效果。

3.1 球墨鑄鐵燃氣管線探測

城市地下管線屬隱蔽工程，為了施工和地下管網普查需要，往往要對其進行準確定位、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導電性連續性差的金屬管，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進行探測。由于金屬管線的介電常數與周圍介質明顯不同，所以當電磁波反射到地下管道表面時，將產生較強的反射，通過對在地面上接收到的反射波同軸幾何形態、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，因地下燃氣管道改造施工需要，我們采用了“Detector Duo型”探地雷達，準確地探測到?400mm，埋深1.1m的球墨鑄鐵燃氣管道的位置和埋深。

3.2 PE 材質燃氣管線探測

由于管線儀無法探測非金屬管線，因而應用探地雷達進行探測非金屬管道才成為可能。影響探地雷達探測效果的主要物性參數是介電常數和電導率。PE管與周圍介質存在著一定的物性差異，PE管必定會產生一定強度的反射波；經實踐證明，的確取得較好探測效果。

3.3 自來水管與 PE 燃氣管線探測與區分

在應用探地雷達探測某市某路段PE燃氣管線剖面測量時，在其GPR圖像中呈現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，應用日本富士PL-960管線探測儀進行探測，結果發現，右邊異常電磁感應法未有顯示，而另一異常則有，再經繼續追蹤，該異常是給水管線；則另一異常為PE燃氣管線，達到了異常識別和區分的目標。

4 結語

探地雷達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，隨著微電子技術的飛速發展，探地雷達硬件不斷改進，軟件的開發與創新，定會將這一技術推向更高、更新發展階段。但筆者認為企盼探地雷達解釋圖譜總之難以實現，只有依靠廣大從事這行的同仁們，總結經驗，廣泛技術交流，以便更快提高和發展我國的這一行業水平。

參考文獻：

[1] 李大心.探地雷達方法與應用[J].北京:地質出版社，1994，12.ISBN 7-116-01771-2.

[2] 劉傳正.地質災害勘查指南[M].北京:地質出版社.

(本文作者：馬西安 西安市勘察測繪院 陜西西安 710054)