管道检测机器人--X2-A探地雷达实施方案

地下管线探测是采取现场调查、仪器探测等方法获取工作区范围内现状、地下管网属性和空间位置有关数据的过程。

地下管线普查中使用的探测仪器以管线探测仪和探地雷达为主，其中由于管线探测仪的快速高效、简便灵活和高精度低成本的特点而得到广泛应用，但受其工作原理的限制，存在探测工作盲区：非金属管线如水泥、塑料与陶瓷等材质管线；传导电信号弱的金属管线（如橡胶垫接口的铸铁管、球墨铸铁管等）和探测信号难以区分的并行与交叉金属管线等。          

管线探测雷达利用发射高频宽频带电磁波并接受来自地下界面的反射波，根据反射波的旅行时间、幅度与波形资料，解释推断地下介质结构。只要地下管线目标与周围介质之间存在足够的电性差异就能被探地雷达发现。

管线探测雷达的管线探测能力弥补了管线探测仪的探测缺陷，因此探地雷达已成为城市地下管线探测必备的设备。

一、探测内容

管线雷达法探测内容为：探查地面下方5m以内管线分布状况。

二、工作方法

1． 管线雷达工作原理

管线雷达主机通过天线T在路表面向地下发射频率为数百兆赫的电磁波（如图2-1），当电磁波遇到不同的介质界面时便会发生反射和透射，反射波返回路表面，被天线R所接收（发射与接受天线可为同一天线）。此时雷达主机记录下电磁波从发射到接收的双程走时。电磁波的传播速度可根据土层的相对介电常数计算出来，所以可由深度式求出反射面的深度。当路面地下土层存在管线时，路面地下的管线与土层有较大的物性（）差异，此时雷达反射波杂乱，局部产生弧形反射的电磁波（反射双曲线）。

在电磁波勘探中，电磁波通常被近似为均匀平面波。其传播速度在高阻媒质取决于媒质的相对介电常数，即：

式中：   为介质的相对介电常数

电磁波传播在遇到不同的反射界面时，其反射系数为：

由此可知，电磁波的反射系数取决于界面两边介质的相对介电常数的差异，差异越大，反射系数越大。本次探测介质的相对介电常数见表1-1:

     介质的相对介电常数表             表1-1

地质雷达探测地下管线是利用管线与土层的电性差异来实现的。由于路面、土层、管线是不同的材料构成，不同材质间的接触面及同一种材质内部不连续面都是良好的雷达波反射界面（即管线、空洞与土层接触面、路面与土层的分界面等）。当雷达波向下传播经过这些界面时，都会发生不同程度的反射、折射和散射，产生不同程度的波能吸收和衰减，集中反映在波形和波阻特征变化上。分析研究接收回波的特征差异，就可以揭示路面地下管线特征。管线雷达的工作原理如图2-1。

实测时将雷达天线紧贴于路面，沿测线连续滑动，采用测距模式进行定位，根据系统配置和天线滑行速度设定空间采样率，雷达主机实时记录每个测点反射波的时间和振幅值，构成连续雷达剖面。当地下介质的波速已知时，根据所探测到的双程旅行时，就可以求得目标体的位置和埋深。

应用专业软件，分析反射波同相轴的波形和波阻特征，就可以获得路面地下土层的信息。

2. 工作方法

（1）外业工作

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本次探测采用武汉天毅达TPR-200型探地雷达。该仪器具有工作效率高，分辨率高，现场处理实时效果好等多种优点。

外业工作采用200MHz频率天线，时窗选择为110ns；增益点16个；采取测距模式。具体工作程序如下：

1． 选择一条试验剖面，试验确定雷达系统的工作参数；

2． 选择好牵引天线的手段，本次探测工作采用测距轮牵引天线；

3． 进行连续测量，测线位置由现场桩号辅以皮尺确定；

4． 在试验线上重新测量，测试仪器零点漂移，确定当日资料的可靠性。

（2）内业工作

由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对电磁波不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得雷达发射出去的脉冲在到达接收天线时，“蕴涵”着地下不同介质的物理信息，波幅被减小，波形变得与原始发射波形有较大的差别，此外，不同程度的各种随机噪声和干扰波，也“歪曲”了实测数据，因此，需对采集的现场数据进行如下处理：

①取多次重复测量平均以抑制随机噪声。

②取邻近不同位置的多次测量平均以压低非目的体杂乱回波，改

善背景。

③自动变换增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波。

④滤波处理或时频变换以除去高频杂波或突出目的体，降低背景

噪声和余振影响。

⑤时域的一维、二维空间滤波。

各结构层厚度及土洞变形区分布范围按下式计算：

其中：h为被探测体的厚度或深度；

 为电磁波双程旅行时；

c为真空中的光速；

为被探测体的相对介电常数。

资料处理的流程图如下：

根据经验，土层平均速度取V=0.7m/ns。（介电常数为12）

三、测线布置

根据需求，测线宜采用横、纵向垂直交叉1m等间距布置，如图2所示。

四、资料处理

 资料处理流程为:数据传输→距离均衡→滤波处理→资料解释。

 资料解释：在了解测区工程概况及地质资料的基础上，对雷达图像记录中的异常段进行判释，分析异常信号的成因,去除干扰物体的干扰信号,最后确定地下管线分布情况。

五、结果解释

     通过对数据处理与分析，得出地下管线分布及埋深情况。

     野外实测资料需通过资料整理：将每条测线进行编录整理、归一化测线长度使得每条测线的探测资料具有统一的道间距、采样间隔和时间窗口，再经过基本的信号滤波等方法对探测资料进行数字化处理以达到提高信号信噪比的目的。 

通过对比处理后的探测资料图，以资料图中所反映的地下介质变化情况，以此达到探测的目的。如图4地下管线雷达探测图形：

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