RIS_K2 探地雷达在地下管线竣工测量中的应用

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工程地球物理学报(ChineseJournalofEngineeringGeophysics) 第4卷

接收装置组成,用发射天线向地下介质发送电磁波,电磁波在介质(如地下管线、岩土体等)中传播时,其路径、波形将随所通过介质的电磁性(电阻率、介电率及磁导率)和几何形态的不同而变化,反射的电磁回波由接收天线接收,根据接收到的探地雷达剖面图,可对地下目标体进行定位,确定其准确的位置及埋深。

探地雷达的观测方式有宽角法、剖面法两种,我们使用RIS-K2雷达是零天线距的剖面法。

探地雷达通常以反射剖面法工作并以数字化形式采样记录,波形的正负峰可分别以黑白、灰阶或彩色表示。管线异常在雷达图像上的特征是一条双曲线,通常可根据这一异常特点来判定管线位置、深度。

2.2 常见介质的电磁学特征

探地雷达应用的物性前提是目标管线体与周围介质的介电常数、电导率和电磁波速存在明显差异。各种与管线探测相关的介质的电磁参数见表1[1~3]

表1 介质的电磁参数

Table1 Theelectromagneticparameter

ofthecommonmedium

介质名称传播速度/vm ns-1相对介电常数/ 电导率/ S m-1

空气水干砂湿粘土土壤(含水20%)土壤(干)混凝土沥青塑料(PVC)

金属

0.30.0330.11~0.150.0770.0950.13~0.18

0.120.13~0.18

0.170

1814~615103~56.43~53.3300

1.34107~101010-10

R=

1-1+2

v=2电磁波由空气进入地下,会出现强反射(负相

位);如果地面下存在管线或疏松带,这时雷达系统接收到的回波幅度会明显变强,在雷达剖面上将出现典型双曲线反映。

当目标管线反射系数|R| 0.1,是满足探地雷达探测的物性前提条件[1,4]。

2.3 地下管线的探地雷达异常特征

对于管线探测,探地雷达的反射波组主要从两方面进行识别解释。

首先,反射波组的同相性形成同相轴是判别管线空间位置的重要标识,管线作为孤立的埋设物其反射波的同相轴为:当管线为圆形管道时,为向下开口(向上凸起)的抛物线呈伞形状,顶部反射振幅最强;当为沟道式或管块时,同相轴为有限平板状,反射界面的中部为平板状,两端各为半支下开口抛物线。

其次,地下界面上下介质的物性差异决定了电磁波的传播特性,物性差异越大,反射波越强,振幅越大,上下介质中波速大小决定反射波振幅方向,当从介电常数小(波速大)的进人介电常数大(波速小)的介质时,反射系数为负,即反射波振幅反向;反之,从介电常数大(波速小)进人介电常数小(波速大)的介质时反射系数为正,反射波幅与人射波同向。

地下目标管线一般存在四层介质界面,即管线的内外各两层,反射波以上层内界面为例,非金属管线内上界面的反射波振幅较大,当内介质为水时,反射系数为负,反射波为反向;当内介质为气体时,反射系数为正,反射波为正向;金属管线由于金属内波速近似为零,基本是全反射波,波型自然为反向,而且振幅较强。一般情况下反射信号以管线的外层界面为主,其它层面较弱。

10-4~3 10-210-7~10-35 10-210-3~10-42.4 10-4

根据表1,由于金属管壁跟周围介质粉质粘土的电常数比差很大(一般6/300),在金属管道的上管壁发生了全反射,没有底反射,再没有能量传入下管壁,故金属管线中电磁波波速为零。非金属管线除管线本身材质与周围介质存在一定差异外,如混凝土介电常数为6.4,传播速度为0.12m/ns,而湿土介电常数为10~15,波速为0.07~0.l0m/ns,更主要的是管道内介质如水、气体等与周围介质电磁性差异更大。反射系数和波速主要取决于介电常数,设反射系数为R,光速为c,周围介质 1、管线或管线内介质 2,则它们有如下[1]:

[3]

3 RIS-K2探地雷达仪器及使用

3.1 仪器特点

本单位使用的RIS-K2探地雷达,配备了200MHz、600MHz两种频率的屏蔽天线,它们可

单独使用、也可组合成天线阵,配有Greswin2解释软件。该系统为多通道连续采样雷达,可单通道扫描,也可2通道扫描一次得出多张同一断面