Application of Ground Penetrating Radar in Urban Underground Pipeline Detection
秦镇 QIN Zhen；吴海波 WU Hai-bo；郑雷雷 ZHENG Lei-lei；胡富彭 HU Fu-peng
（安徽理工大学地球与环境学院，淮南 232001）
（School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）
摘要：城市地下管线的准确排查是当前城市建设的重要组成部分，探地雷达以其探测速度快、方便便捷、成像分辨率高等优点在城市管网探测活动中的应用越来越广泛。本文设计实验进行不同变量下对管线的探测，结合FDTD正演模型，验证了探地雷达在城市管网探测应用中的准确可靠性；指出以往经验波速估算管径埋深方法的不足，计算了实验场地的具体波速，提出利用提取单道波形图的方法计算埋深的新思路。
Abstract: The accurate investigation of urban underground pipelines is an important part of current urban construction. Ground penetrating radar is widely used in urban pipe network detection activities because of its fast detection speed, convenience and convenience, and high imaging resolution. In this paper, the experiment is carried out to detect the pipeline under different variables. Combined with the FDTD forward model, the accuracy of the ground penetrating radar in the urban pipe network detection application is verified. The shortcomings of the previous experience of the wave velocity estimation method are calculated. The specific wave velocity of the experimental site is proposed by using the method of extracting a single-channel waveform to calculate the buried depth.
关键词：探地雷达；管线；正演模拟；埋深
Key words: GPR；pipeline；forward modeling；buried-depth
中图分类号：TN956 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）35-0200-04
0 引言
随着经济的不断发展城市化水平的提高，城市地下管网建设规模不断扩大[1]。如何保障密集分布的居民生活配套地下管线设施的健康运行成为现代城市管网管理的重要一环[2]。过去在城市扩建中，由于各施工单位之间缺少一些统筹规划的机制，导致某些城区底线管网信息不健全，另外也存在一部分企业或个人私埋地下管线，种种原因导致城市地下管网信息不完整。探地雷达作为一种新兴的地球物理勘探技术，因其探测速度快速、定位准确、图像分辨率较高等特点，正被广泛地应用于城市地下管线探测活动中[3]。
当前针对城市地下管线探测的研究很多，并取得了丰富的研究成果。韩沙沙，王照天，郭凯等人研究了地下管线探测的不同方法和各自利弊，总结了不同类型管线的最佳探测方法，并认为探地雷达相较于其他探测方法，其抗干扰能力强，但是受地下介质的影响较大，尤其应用于含水率较高的地层上探测时效果将受到限制[4]。张鹏，王旭东，王晓文等基于FDTD正演模型，模拟了不同采集参数下地下管线的雷达图像特征，分析了形状、管径、埋深等因素对双曲线同相轴特征的影响规律[5]。张鹏，董韬，马彬等基于电磁波反射原理提出了三点定圆来计算管径的新方法[6]。
目前的一些研究主要集中在讨论探地雷达可以探测地下管线和用数值模拟探讨不同条件下管线的双曲线同相轴的变化特征，在计算地下管线的具体埋深时大都是根据探测经验来判断。本文结合FDTD正演模型模拟了不同管内填充物、不同材质的管线雷达图特征。设计实验计算探测场地的准确波速，在此基础上计算地下管线的具体埋深，为实际工程探测提供了准确科学依据。
1 探地雷达基本应用原理
探地雷达是通过发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波在地下传播时遇到电性性质不同的介质或临界面时会发生反射，这时通过接受天线接收反射回地面的电磁波[7,8]，然后通过控制系统接受处理信号，得到探查地地质体分布情况。
2 实验设计
2.1 物理实验设计
为了研究城市地下管线的不同用途（管内不同填充物）和不同材质对探测效果的影响以及实验场地的波速，设计了以下3组实验：
①为了比较不同管内充填物的探测效果，实验设计了相同管径为105mm、埋深都为28cm的非金属管，管内填充物设置为充气、满水，分别埋于沙土中分别进行探测。
②为了判别地下管线的不同材质，实验设计了直径都为70mm，埋深35cm的金属和非金属管线，埋于沙土中分别进行探测研究不同的探测效果。
③为了检验探地雷达能否大致探测出管线的埋深，实验中将一块铁板埋入沙土中探测，埋深为30cm、40cm和50cm，根据电磁波旅行时间来计算实验场地的准确波速。
试验中非金属管都为PVC管，金属管线为钢制管线。
2.2 采集参数设置
实验数据的采集使用瑞典MALA地球科学的500MHz屏蔽型雷达，该型雷达天线主要应用于中浅层、高分辨率探测。理论探测深度为2-5m，主要用于管线探测，公路铁路路面、路基检测和公路铁路隧道检测等。本文试验中设置采样频率为7881MHz、时间窗口为51.79ns、叠加次数8次并自动叠加、偶极距为0.18m为天线设备的默认值，道间距0.03m，叠加次数为8次，使用滚轮触发。
3 地下管线判别
3.1 管内填充物探测判别
图2为实验数据经过滤波处理得到的雷达波灰度图，从左往右分别为充气管线雷达灰度图、1/2含水雷达灰度图、满水雷达灰度图。左边充气管线的双曲线同相轴表现为黑—白—黑，即振幅由负变为正再变为负；中间1/2充水管线的双曲线同相轴变现为黑—白—黑，即振幅由负变为正再变为负，图像下部有明显的多次反射波；右边满水管线的双曲线同相轴变现为白—黑—白，及振幅由正到负再到正，正反射较为明显，图像下方多次反射波很多[9]。由此可以根据反射波特征判断管线内的填充物，具体变现为：在沙土结构中，管线的雷达波反射为开口向下的双曲线同相轴，充气管线的反射波较少，充水管线下反射波较多且会随着管内水量的增加而增多。
3.2 管线材质探测判别
图3为外径0.07mm的两种不同材质管线的雷达灰度图，左边为金属管线，右边为PVC管线。两种材质管线的反射特征都为双曲线同相轴，比较两组双曲线图特征可以发现：①金属管线的双曲线图像比PVC管线的双曲线图像更清晰，这是因为金属与沙土的介电常数差异较之PVC非金属管线与沙土的相对介电常数大，所以电磁波遇到金属时反射更强烈。②金属管线雷达图像的双曲线的曲率比PVC管线雷达图像的曲率小，成明显的尖波状。
3.3 基于正演模拟的可靠性检验
GprMax是一种基于时域有限差分（FDTD）算法的探地雷达正演模拟软件，借助GprMax可以模拟地下不同介质体的雷达灰度图，包括管线内不同填充物、不同材质管线等的模拟[10]。利用正演模拟可以直观清晰地比较不同条件下管线所变现出来的反射波信号特征，以此来验证探地雷达在实际工程探测应用的可靠性。
3.3.1 模型建立
利用gprmax2d软件数值模拟了实际的场地条件，共建立了两组模型，分别为不同管内填充物的模型和不同材质管线的模型。实验模拟中，假定选取的材质均为理想状态下的常量不会因频率的变化该发生变化。
3.3.2 模型结果
3.3.2.1 模型一：管内不同填充物
图4为正演模拟的管内不同填充物的雷达灰度图，左边为充气管线，右边为充水管线。图中同相轴颜色为白色是即该处振幅为正，同相轴为黑色即振幅为负。左图中，充气管线的反射信号不太明显，正负振幅也不易区分，这是因为PVC管线、空气以及沙土间的介电常数差异不明显，反射波能量较弱。右图中能明显地分别正负振幅，这是因为淡水的介电常数与PVC管线及沙土的介电常数差异较大，所以反射波信号很强，另外在管线的双曲线同相轴下和左、右上角向中心存在着明显的多次反射。该组正演模拟有效地验证了探地雷达可以判断管线内填充的是气还是水，为工程探测提供科学依据。
3.3.2.2 模型二：不同材质的管线
图5为正演模拟的不同材质管线的正演模拟灰度图，左图为钢制管线模拟图，右图为PVC材质管线模拟图。模型参数设置中，金属、PVC材质和空气的介电常数均大于沙土的介电常数，故双曲线同相轴相位变化都为负到正。由于钢管与沙土的介电差异大于PVC和沙土的介电差异，所以模拟的灰度图上，钢管的反射波信号强于PVC管的反射信号。另外钢管的双曲线同相轴下还有较多的反射信号，这也是钢制管线与PVC管线雷达灰度图的主要区别之一。
4 管线埋深计算
4.1 场地波速的估算
探测场地电磁波波速的确定是计算管径埋深的关键因数。在实际城市管线探测中，受场地条件限制，无法精准确定波速，在没有钻孔资料的情况下多数是取一个经验值。本文为提高实验准确性，设计了实验计算场地的具体波速。表2为实验采集的数据。
4.2 管线埋深计算方法
沙土、空气、PVC管线等介质的介电性质差异较大，故而电磁波在这些不同介质体间传播时会产生多个反射界面。根据这一特征，实验中电磁波在沙土中传播当穿透管线上壁时会出现明显的信号震荡，提取出该处的单道波形图，便能快速计算出管线埋深。
图7中左边的雷达灰度图中矩形区域内为PVC管线的双曲线反射特征，实验中该PVC管线埋深0.33cm,内径70mm，内部为空气填充。右半部分为双曲线反射弧顶端处提取的单道波形图，红线表示该处管线双曲线同相轴的最浅时间深度，深度为4.324ns。根据表2中平均波速计算，探测埋深为0.3243m，与实际设计埋深误差较小。
5 结论
通过实际实验数据和正演模型模拟，分析了不同条件下管线的双曲线同相轴特征，加深了探地雷达探测地下管线图谱特征的认识，为实际工程应用提供了理论依据。①管内填充物的判断在于双曲线下方多次反射信号的强弱。一般情况下充水管线相较于充气管线会有更明显的多次反射现象，且会随着管内水量的增加而增多。②金属管线和塑料材质管线的区别较明显，因为金属管线会近乎全反射。③探地雷达的无损探测特征是探测过程中相较其他地球物理探测技术而言，在实际需要目标探测体的埋深时还需要结合钻探计算场地条件下的具体波速。④电磁波在两介质常数差异较大的临界面时会发生明显的相位变化，利用提取单道波形的方法，可以直观、准确地计算出管线的埋深。
参考文献：
[1]卢石坤，吴献文.城市地下管线探测及其信息管理系统应用分析[J].测绘通报，2016（s1）：151-154
[2]Liu C R, Li J, Gan X, et al. 2002. New model for estimating the thickness and permittivity of subsurface layers from GPR data[J]. Iee Proceedings Radar Sonar & Navigation, 149(6):315-319.
[3]张永山.探地雷达异物目标探测与数据处理研究[D]. 中北大学，2012.
[4]韩沙沙，王照天，郭凯.地下管线探测方法综述[J].测绘通报，2016（s1）：104-106.
[5]张鹏，王旭东，王晓文，等.基于GPR的地下管线图谱特征的正演研究[J].地下空间与工程学报，2014，10（02）：304-310.
[6]张鹏，董韬，马彬，等.基于探地雷达的地下管线管径探测与判识方法[J].地下空间与工程学报，2015，11（4）：1023-1032.
[7]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.
[8]李华，鲁光银，何现启，等.探地雷达的发展历程及其前景探讨[J].地球物理学进展，2010，25（4）：1492-1502.
[9]代启林，化得钧，李娟，等.探地雷达在含水地下管线探测中的研究[J].工程勘察，2014，42（09）：94-98.
[10]许献磊，赵艳玲，王方，等.GPR探测地埋管径研究综述[J].地球物理学进展，2012，27（05）：2206-2215. |
