趙 鐠

（中國煤炭地質總局，北京 100038）

三維探地雷達技術在市政工程中的應用研究

趙 鐠

（中國煤炭地質總局，北京 100038）

為了提高城市地下管線探測精度，對道路病害（尤其是空洞）進行提前預測，及時治理，避免或大大減少管線事故和道路塌陷事故發(fā)生，我們開展了三維探地雷達技術研究，并將其應用于城市地下管線探測、道路病害檢測等市政工程領域。結果表明，由于三維探地雷達具有空間采樣率高，成像準確，分辨能力強，解譯技術手段豐富等優(yōu)勢，在城市地下管線探測、道路病害檢測工作中應用效果顯著。

三維探地雷達；管線探測；道路病害檢測

0 引言

近年來，城市道路塌陷事件頻繁發(fā)生。北京、大連、哈爾濱、深圳、廣州、南京、合肥、長沙、南寧、太原等都出現(xiàn)過城區(qū)道路塌陷事件，輕則影響交通，重則造成生命財產的重大損失。特別是近5年來，全國范圍城市道路塌陷災害開始進入集中爆發(fā)期。因此有效防范和減少我國城市道路空洞塌陷災害的發(fā)生，保護城市公眾安全和城市的可持續(xù)和諧發(fā)展，道路空洞塌陷災害的探測與防范治理已經刻不容緩。探地雷達作為一種非破壞性的探測技術，可以安全地用于城市建設中的工程場地，并具有較高的探測精度和分辨率，目前已在管線探測、道路病害探測等領域廣泛應用。三維探地雷達是近年來發(fā)展起來的一項新技術，可以進行高密度、快速無縫掃描。與二維探地雷達相比，具有海量數(shù)據(jù)、真三維歸位、地下物體真實還原等優(yōu)勢。近年來的實踐表明，其在管線探測、道路病害檢測等領域，效果顯著。

1 探地雷達工作原理及特點

探地雷達是利用超高頻脈沖電磁波探測地下介質分布特征的一種地球物理方法（Harry，2011）。其工作原理是，寬帶脈沖發(fā)射天線將納秒高壓脈沖源提供的電脈沖信號轉化為脈沖電磁場，并以脈沖電磁波形式射向目標體。寬帶脈沖接收天線將來自目標體的反射脈沖電磁波轉化為電脈沖信號傳送給寬帶采樣器后，用顯示器以時域方式顯示出來，再經計算機處理后給出時域特性或頻域特性顯示。在雷達移動探測過程中，定時向地下發(fā)射脈沖電磁波，并不斷接收到目標體的反射波,它們組成雷達剖面圖像（曾邵發(fā)，2006）。通過對雷達圖像的判讀可確定目標體（管道、洞穴、埋藏物、地層等）的分布特征，包括空間位置、結構、形態(tài)和埋藏深度等，其在巖土工程勘察、水文地質勘察、工程質量檢測、地下埋藏物探測、塌陷和巖溶勘察、礦產資源勘探和考古等眾多領域得到廣泛應用。

探地雷達方法有以下特點：①探地雷達剖面分辨率高，其分辨率是目前所有地球物理探測手段中最高的，能清晰直觀地顯示被探測介質體的內部結構特征；②探地雷達探測效率高，對被探測目標無破壞性，其天線可以貼近或離開目標介質表面進行探測，探測效果受現(xiàn)場條件影響小，適應性較強；③抗干擾能力強，探地雷達探測不受機械振動干擾的影響，也不受天線中心頻段以外的電磁信號的干擾影響；④探地雷達反射法與地震反射法的基本物理限制不同：通常的地層界面地震波的反射系數(shù)相對較低，數(shù)量上只有百分之幾，而地層介質中不同介質的電磁性差異通常為彈性差異的2～3個數(shù)量級，因而地層界面上雷達波的反射系數(shù)可達15%～30%；另外，導電性介質對高頻電磁波具有強衰減吸收作用，因此，探地雷達探測在一些常見地質介質中的穿透深度非常有限。

2 三維探地雷達技術

2.1 三維探地雷達技術優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的二維探地雷達相比，三維探地雷達有如下技術優(yōu)勢：①采用三維陣列天線技術，可采集到高密度、無縫拼接的海量雷達數(shù)據(jù)，不會造成地下信息的缺失（圖1）。②高密度采集獲得的縱橫向數(shù)據(jù)間距接近天線中心波長的1/4，滿足高分辨率要求。③三維陣列式天線中，任何發(fā)射和接收天線的組合都是可能的，即任何發(fā)射天線輻射的信號都能被任何接收天線接收，這就做到了真三維采集，為將來全三維處理、解釋提供硬件實現(xiàn)的可能。④三維陣列式天線發(fā)射脈沖頻率一般可選擇從200MHz到1300MHz，高頻天線可做到超淺層的高分辨，低頻天線可保證一定的探測深度。⑤三維雷達工作時，通過帶基站動態(tài)GPS對天線陣進行高精度定位，控制精度可達到厘米級，這樣能保證雷達數(shù)據(jù)的精確歸位，得到真實、直觀的解釋圖像。⑥輕便化設計，可以采用多種（車載、人力）形式進行資料采集，做到快速、便捷。⑦采用三維雷達專門的處理技術，可進行三維偏移，使地下目標體成像清晰、準確，成果為三維數(shù)據(jù)體，可進行任意深度水平切片展示。

圖1 三維地質雷達天線陣列Fig.1 Antenna Array of 3D Geological Radar

2.2 采集、處理及解譯技術

（1）采集技術

三維探地雷達采集系統(tǒng)由三維陣列天線、主機、綜合定位系統(tǒng)、拖車系統(tǒng)4部分組成，為了在保證探測精度和解譯成果真實、可靠的同時，提高現(xiàn)場工作效率，降低野外成本，針對不同工作環(huán)境和探測目的，需要對采集參數(shù)進行論證、對比試驗和優(yōu)化。經過數(shù)十個項目的采集試驗對比分析，確定了主要采集參數(shù)如下：①發(fā)射脈沖頻率：發(fā)射脈沖頻率越高，縱向分辨率越高，探測深度越小，因此，當要求縱向高分辨率采集，而探測深度較淺時，如瀝青路面結構、厚度探測，要采用高發(fā)射脈沖頻率，一般用1000MHz以上；當要求分辨率較高，同時，深度相對較淺時，如管線探測，可采用，中等發(fā)射脈沖頻率，一般用400MHz；當探測深度要求盡量大時，分辨率要求次之時，如道路下空洞探測，應采用低發(fā)射脈沖頻率，一般用200MHz。②空間采樣率：從探測精度來看，當然是空間采樣率越高越好。然而，我們知道三維探地雷達數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，一條50m寬的道路，采集10km的三維探地雷達數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量達到400G，另外，空間采樣率過高，也會限制采集行車速度，因此，空間采樣率的選擇要根據(jù)探測目的、要求精度、行車速度（采集效率）綜合考慮，經過試驗研究，空間采樣率一般選6cm～14cm×2cm～5cm。③疊加次數(shù)：根據(jù)環(huán)境噪音情況經試驗選擇疊加次數(shù)，疊加次數(shù)越大，信噪比越高，但采集速度越低。經試驗，疊加次數(shù)一般選4～8次。④車行速度：在不影響數(shù)據(jù)精度、可靠性的前提下，選擇較高的車行速度，通過試驗確定。一般選10～30km/h。

（2）處理及解譯技術

三維雷達數(shù)據(jù)處理技術與二維雷達數(shù)據(jù)處理在地形編輯、數(shù)據(jù)格式轉換、濾波等有相同之處，但在噪音壓制、數(shù)據(jù)規(guī)則化、偏移方面又有所不同，它更強調在三維空間中進行。

本課題在三維雷達數(shù)據(jù)處理方面重點開展了擬地震資料處理、三維雷達數(shù)據(jù)偏移處理等的研究工作，取得了以下主要研究成果：①三維探地雷達數(shù)據(jù)的定位與轉換：研究利用GPS軌跡計算各通道各數(shù)據(jù)道坐標的方法研究，利用VC語言，編制計算程序，實現(xiàn)各通道各道的位置計算，從而實現(xiàn)三維探地雷達各通道數(shù)據(jù)的定位。利用雷達通用處理軟件，把三維探地雷達數(shù)據(jù)調入，為了與地震處理軟件兼容，輸出時選擇IBM格式，將坐標相應地放大，以保證坐標小數(shù)點后二位的精度；并且把坐標植入SEGY數(shù)據(jù)的道頭，設定了地震數(shù)據(jù)處理要用的相應道頭，生成的SEGY數(shù)據(jù)為IBM16為整型格式，樣點數(shù)與原數(shù)據(jù)相同，輸出標準的SEGY文件。經地震處理軟件解編，實現(xiàn)了與地震處理軟件之間數(shù)據(jù)的轉換。②三維雷達數(shù)據(jù)擬地震處理的模塊選擇與測試，測試內容有數(shù)據(jù)解編；道均衡模塊測試及參數(shù)選擇；濾波參數(shù)測試；反褶積模塊及參數(shù)測試；三維噪聲衰減模塊選擇和參數(shù)測試；三維偏移模塊選擇及參數(shù)測試；三維數(shù)據(jù)網(wǎng)格方法研究。③試驗處理：對蘭州西津西路下立交東口三維探地雷達數(shù)據(jù)進行了擬地震試驗處理，下圖為試驗處理后從全疊加數(shù)據(jù)體截取的時間切片（上）和三維偏移數(shù)據(jù)體截取的時間切片（下）（圖2）。對斯里蘭卡管線探測工程進行了三維偏移試驗處理，偏移后，能量得以聚焦，管線顯示更加清晰（圖3）。

圖2 三維探地雷達數(shù)據(jù)擬地震試驗處理成果Fig.2 3D Geological Radar data pseudo seismic processing

圖3 三維偏移處理效果對比（上圖：疊加剖面 下圖：偏移剖面）Fig.3 Comparison of 3D migration(up:stack section down:migrated section)

三維雷達數(shù)據(jù)解譯與二維雷達數(shù)據(jù)解譯相比，技術手段更多，解譯信息密度更大，自動功能更強。在垂直剖面方面，它可以在探測范圍內沿任意方向切取剖面，可以進行類比解譯；在水平切片方面，可以沿任意時間或深度切取屬性切片。將垂直剖面與水平切片聯(lián)合顯示、聯(lián)合解釋，做到了地下異常的真三維顯示與解譯，可大大提高解釋精度和可靠性。

3 應用案例

3.1 管線探測

通過三維探地雷達采集，可以獲得6cm～14cm×2cm～5cm×1ns的GPR三維數(shù)據(jù)體，并以垂直時間剖面和水平時間切片聯(lián)合顯示的形式，能夠對地下管線進行直觀的顯示。

圖4 北京某實訓場三維探地雷達1.5m深度切片圖Fig.4 Depth-Section of 1.5 Meter in Beijing Trial Site

圖5 山西省清徐縣PE管探測Fig.5 PE Pipeline Survey in Qing Xu County Shan Xi

圖4為北京一個實訓場三維雷達數(shù)據(jù)在1.5m深度的切片圖，可以清晰看到左右兩根管線展布及在中部向下拐的顯示，它清晰地反映了管線的真實形態(tài)。圖5為山西省清徐縣PE管探測，在信號探測范圍內，PE管均有較清晰的顯示。

3.2 道路病害檢測

我國以往對城市道路病害探測以二維探地雷達技術為主（張英杰等，2015）。多年來的實踐表明，二維探地雷達存在工作效率不高、橫向分辨率低和多解性問題突出的缺點，而且探測成果的可靠性較差，這嚴重制約著該項工作的開展。為了提高工作效率和勘查精度，進入21世紀以后，探地雷達逐漸向多通道二維和三維采集系統(tǒng)發(fā)展，青島電波所、大連中?？萍及l(fā)展有限公司、美國勞雷公司等眾多雷達研發(fā)、生產廠商均研制了二維多通道探地雷達采集系統(tǒng)，一般為2到5通道。而瑞典MALA公司、意大利IDS公司、美國三維雷達公司（原挪威三維雷達公司）相繼推出了三維探地雷達系統(tǒng)。1990年起，日本在全球率先使用雷達探測技術，在全國范圍內進行地下空洞調查，對一些大的、危險的空洞進行工程填補。之后，日本在各城市重點區(qū)域定期探測、巡查，一旦發(fā)現(xiàn)塌陷隱患，立時填補，并啟動預案對周邊加強檢測。三維探地雷達技術推出后，日本又迅速引進該項技術，定期開展公路病害探測工作。由于采用了道路病害定期檢測機制，日本東京由20年前每年大規(guī)模地陷次數(shù)多達20～25次，但最近20余年，東京卻每年僅有一至兩起大規(guī)模地陷，甚至數(shù)年未出現(xiàn)大規(guī)模地陷。

我們采用三維探地雷達技術分別在上海、杭州、長春、邯鄲、南京、合肥、哈爾濱、蘭州等地進行了公路病害檢測工作，取得了較好效果（圖6）。

3.3 道路結構探測

公路事業(yè)的快速發(fā)展對道路質量檢測技術的要求越來越高。傳統(tǒng)的檢測方法隨機性大,效率低,精度差,經濟成本高,且具有破壞性,易導致道路破損加劇。探地雷達以其探測速度快、分辨率高、對探測對象無損害、可以得到連續(xù)成像信息等優(yōu)點在淺層精細地層結構和隱蔽缺陷的高分辨率探測方面得到了廣泛的應用（顏肖沙等，2014）,在開展道路結構檢測方面取得了令人滿意的效果。

圖6 三維探地雷達探測道路病害（上圖為空洞，下圖為脫空）Fig.6 Road Hazards Detection by 3D Geological Radar (Cavity& Voids)

3.4 市政工程

采用三維探地雷達，在某地高鐵沿線，對居民房屋建造時填埋多少土石方進行探測。原來水塘基底埋深，上部回填土厚度非常清晰，達到了非開挖探測的效果（圖7）。

圖7 三維探地雷達在市政工程中的應用Fig.7 Application of 3D Geological Radar in Urban Civil Works

4 結論

三維探地雷達是近年來發(fā)展的一項新技術，與傳統(tǒng)二維雷達相比具有縱橫向分辨率高，真三維歸位成像效果好，管線及道路病害檢測成像直觀，無縫掃描且工作效率高等優(yōu)勢。三維數(shù)據(jù)體的任意深度切片使得最終的檢測成果可以直觀、細致的全方位展示出來。實踐表明，其在管線探測和道路病害檢測等方面效果良好。

Harry M. Jol, 2011. Ground Penetrating Radar: Theory and Application[M]. 電子工業(yè)出版社：2-24。

顏肖沙，黃律群，屠偉新，2014. 3D探地雷達在道路特殊檢測中的應用[J]. 市政設施管理，(2)：5-6.

曾邵發(fā)，劉四新，王者江，等，2006. 探地雷達方法原理及應用[M]. 北京：科學出版社.

張英杰，馬士杰，閆翔鵬，2015. 三維探地雷達在道路病害探測中的應用[J]. 山東交通科技，(5)：80-82.

3D Ground-penetrating Radar Technology Study on the Municipal Engineering

ZHAO Pu

(China National Administration of Coal Geology , Beijing 100038)

In recent years, the deaths and injuries caused by underground-pipeline accidents and road collapses have been increasing. It is believed that the underground-pipeline accidents and road-collapsing due to underground cavity are accountable for a huge direct loss of billions RMB and posing severe threats to both public society and human lives. To improve the accuracy of underground-pipeline detection and prediction of road damages(especially cavities) for the timely solving of the problems, we carried out a study on the 3D ground-penetrating radar technology and its application in urban-underground-pipeline detection and road-related hazards survey. The results showed very good responsiveness by outstanding features of the 3D ground-penetrating radar such as high sampling rate, accurate imaging, good resolution, and diversity of interpretation methods.

3D ground-penetrating radar; Pipeline detection; Road-related hazards survey

A

1007-1903（2017）03-0100-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.0020

淺層地下空間勘查技術體系研究（ZMKG-2016-02）

趙鐠（1963- ），男，碩士，教高，主要從事煤田物探技術、三維探地雷達技術研究工作。E-mail：zhaopu1964@126.com