一种地下非金属管管径的探测方法

摘要

一种地下非金属管管径的探测方法，充分利用了雷达发射电磁波的多次反射波之间的走时间距，本发明使用地质雷达探测采取地下非金属管道的多次反射波后；在雷达主机上依次读取地质雷达多次反射波的反射走时；根据反射波之间的走时间距的特点按照运算式求取管道的管径。本发明经济效益高，探测精度高，使用范围广泛。

权利要求

1.一种地下非金属管管径的探测方法，所述地下非金属管管径的探测方法采用地质雷达，其特征在于，地下非金属管处于充满低波速高介电常数的介质的状态；所述地质雷达的发射天线发射的电磁波与所述地下非金属管管道的垂直方向之间的夹角为α，且

0°≤α≤45°，所述地下非金属管管径的探测方法的步骤是：

a.使用地质雷达探测采取地下非金属管道的多次反射波，其具体步骤为：选择探测剖面位置，地质雷达剖面垂直于地下非金属管道的走向，地质雷达剖面的地面保持平整；选择地质雷达天线的频率；连接好主机、天线和电源，打开地质雷达主机后设置采集参数；推动地质雷达车，采集地质雷达剖面，获得多次地质雷达波；

b.在雷达主机上依次读取地质雷达多次反射波的反射走时T1、T2、T3……Ti；

c.按运算式求取管道的管径，所述运算式为：

D＝Vc×∑(Ti+1-Ti)/2(n-1)，

在所述运算式中：Vc是所述低波速高介电常数的介质的电磁波速度，单位是m/ns；

Ti+1、Ti是相邻上下反射波的走时，单位为ns；n为探测到的地质雷达波反射总次数；在所述步骤a中，选择地质雷达天线的频率时，探测埋设深度大于3m的地下非金属管道时选择的天线频率为 100MHz；探测埋设深度在3m以内的地下非金属管道时选择的天线频率为

200MHz、400MHz或600MHz；

在所述步骤a中，设置采集参数时：时窗选择为80～150ns；选择自动增益调设探测参数，自动增益调设时，地质雷达天线从地下非金属管道正上方经过；测距轮参数选择，采样间隔不得大于0.1m；

在所述步骤a中，获得多次地质雷达波后，如果采集的数据不理想，重新调设增益：如信号过强，则让天线经过反射最强地段进行增益重设；如信号过弱，则让天线经过反射最弱地段进行增益重设；

在所述步骤a中，如果重新调设增益后仍不能有效探测，将地质雷达剖面向两侧平行移动再行探测；

当雷达天线运行至A点时，其电磁波发射至管上A’点，反射至雷达天线，其运行的距离是2AA’，运行时间为2AA’/Vc土，其中Vc土为土介质中电磁波运行速度，这样在雷达记录时间剖面图上，就相应地在A点下时间为2AA’/Vc土处出现雷达反射波，当土介质较均匀时，其显示的距离就是AA’，即在A点下A”点出现反射波，AA”＝AA’，如此而出现的数个点如：A”B”C”D”，这样形成的弧形反射波即是管道的雷达反射波型。

2.根据权利要求1所述的一种地下非金属管管径的探测方法，其特征在于：所述低波速高介电常数的介质为水，在所述 运算式中，Vc水＝0.033m/ns。

说明书

一种地下非金属管管径的探测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地下非金属管管径的探测方法，具体是应用地质雷达实现对地下非金属管管径的探测。

背景技术

[0002] 在地下管线的竣工测量工作中，管线的管径是一个非常重要的属性。因为在城市道路中，管线不仅数量庞大，而且管线的分布和排列错综复杂。要准确区分开各种管线，不至造成误判的话，就要尽可能充分地掌握实测管线异常的属性。这其中管径是非常重要的一项属性。比如，有的管线原来直径为100mm，改造后变为200mm，而旧管线只废弃并不拆除，在探测时会同时发现两条管线，除了管线的管径不同以外，这两条管线的其他属性都相同，这时候，探测管径的大小就成为区分两条管线的重要依据。

[0003] 目前，地质雷达在地下管线探测中得以广泛应用，并且技术上取得了重大的进展。但一直以来，地质雷达基本上只是用来探测地下管线的位置与埋深，对于管线的管径，基本上都是利用已知资料或开挖取证。有时也会利用雷达波的宽度对管径进行估计，但这样的做法其误差往往会很大，技术很不成熟。

[0004] 发明内容

[0005] 为解决上述问题，本发明公开了一种地下非金属管管径的探测方法，应用地质雷达对地下非金属管进行线探测，通过对地质雷达发射的电磁波的多次反射波之间的走时间距的运算，实现对管线管径的精确探测。

[0006] 地质雷达勘探是以地下不同介质的介电常数差异为基础的一种物探方法。如图1示，它通过发射天线向地下发射高频电磁脉冲，此脉冲在向地下传播过程中遇到地层内的物体及地层的介电常数变化界面时会产生反射波。反射波传播回地表后被接收天线所接收，并将其传入主机进行记录和显示，每一测点接收到一道电磁波形，一条测线上全部测点的电磁波形排列在一起，形成完整的雷达剖面，经过资料的后处理，进行反演解释便可得到地下地层(如面层、水泥稳定层)或地下目的物(如地下管线、空洞、钢筋、渠箱等)的位置、分布范围、埋深等参数。

[0007] 如图2所示，为地质雷达探测管线的原理：雷达天线向下发射电磁波时，存在一定的旁侧角度，因此在天线并未到达管道顶方时，其发射的电磁波“提前”探测到管道。如图2所示：当雷达天线运行至A点时，其电磁波发射至管上A’点，反射至雷达天线，其运行的距离是2AA’，运行时间为2AA’/Vc土，其中Vc土为土介质中电磁波运行速度，这样在雷达记录时间剖面图上，就相应地在A点下时间为2AA’/Vc土处出现雷达反射波，当土介质较均匀时，其显示的距离就是AA’，即在A点下A”点出现反射波，AA”＝AA’。如此而出现的数个点如：A”B”C”D”，这样形成的弧形反射波即是管道的雷达反射波型。

[0008] 其多次反射波的形成如图3所示：当电磁波发射至管上A’点时，其可以分解为管道切线方向A’E及垂直于切线方向指向圆心O(方向为A’O)的两个分量，沿A’E方向的电磁波继续向下传播，沿A’O方向的电磁波透射入管道内，经管道内介质传播经圆心到达管道对面点F点，遇管壁又产生反射，直接沿FA’方向返回至A’点，在A’点处产生反射与透射，其中的透射波方向沿A’F’，其沿A’A方向的分量，返回至雷达天线为雷达接收，这就是管道的雷达二次反射波，其运行的路径为2AA’+2A’F，运行的时间为2AA’/Vc土+2A’F/Vc，其中Vc土为土介质中电磁波运行速度，而Vc为管道中介质的电磁波运行速度。当管道中介质为水时，其波速约为土介质的1/3。因此，地下非金属管道的雷达二次反射波会出现的位置应该在首波A”点下2A’F/Vc处相当于6A’F/Vc土，即会出现在首波A”点下3d(管道直径)的A””位置，而非人们想象的首波A”点下d(管道直径)的A’”位置，以至于人们会误将其视为无关干拢。就这样，雷达在A’O方向的电磁波透射入管道内，经管道内介质传播经圆心到达管道对面点F点，遇管壁又产生反射，直接沿FA’方向返回至A’点再形成再一次的反射波，如此而成多次的反射波。因而根据上述雷达发射电磁波的多次反射波之间的走时间距，通过合理的数据采集方法和运算，能够精确探测地下非金属管线的管径。

[0009] 为实现本发明的目的，一种地下非金属管管径的探测方法，所述地下非金属管管径的探测方法采用地质雷达，其特征在于，地下非金属管处于充满低波速高介电常数的介质的状态；所述地质雷达的发射天线发射的电磁波与所述地下非金属管管道的垂直方向之间的夹角为α，且0°≤α≤45°，所述地下非金属管管径的探测方法的步骤是：

[0010] a.使用地质雷达探测采取地下非金属管道的多次反射波，其具体步骤为：选择探测剖面位置，地质雷达剖面垂直于地下非金属管道的走向，地质雷达剖面的地面保持平整；选择地质雷达天线的频率；连接好主机、天线和电源，打开地质雷达主机后设置采集参数；
推动地质雷达车，采集地质雷达剖面，获得多次地质雷达反射波；

[0011] b.在雷达主机上依次读取地质雷达多次反射波的反射走时T1、T2、T3……T4；

[0012] c.按运算式求取管道的管径，所述运算式为：

[0013] D＝Vc×∑(Ti+1-Ti)/2(n-1)，

[0014] 在所述运算式中：Vc是所述低波速高介电常数的介质的电磁波速度，单位是m/ns；Ti+1、Ti是相邻上下反射波的走时，单位为ns；n为探测到的地质雷达波反射总次数。

[0015] 作为改进，在所述步骤a中，选择地质雷达天线的频率时，探测埋设深度大于3m的地下非金属管道时选择的天线频率为100MHz；探测埋设深度在3m以内的地下非金属管道时选择的天线频率为200MHz、400MHz或600MHz。

[0016] 作为改进，在所述步骤a中，设置采集参数时：时窗选择为80～150ns；选择自动增益调设探测参数，自动增益调设时，地质雷达天线从地下非金属管道正上方经过；测距轮参数选择，采样间隔不得大于0.1m。

[0017] 作为改进，在所述步骤a中，获得多次地质雷达波后，如果采集的数据不理想，重新调设增益：如信号过强，则让天线经过反射最强地段进行增益重设；如信号过弱，则让天线经过反射最弱地段进行增益重设。

[0018] 作为改进，在所述步骤a中，如果重新调设增益后仍不能有效探测，将地质雷达剖面向两侧平行移动再行探测。

[0019] 作为改进，所述低波速高介电常数的介质为水，在所述运算式中，Vc水＝0.033m/ns。

[0020] 与现有技术相比，本发明充分利用了雷达发射电磁波的多次反射波之间的走时间距，改变了以往当地下非金属管线反射异常出现多次波时，就一直被忽略，甚至被很多认为是干扰波的探测方法。另外，本发明根据多次波反射间之间的走时间距设计出一种全新的地下非金属管管径的探测方法，其有益效果是：

[0021] (I)提升了地质雷达的使用价值和探测能力，改变了地质雷达只能探测地下管线的位置与埋深的现状；

[0022] (II)具有极大的经济效益，以往利用已知资料或开挖取证费时费力，并且耗费较大，本发明在利用现有设备的在非开挖的情况下能够实现探测管线管径的目的，节约了大量探测成本；

[0023] (III)探测精度高，偏差范围极小，结合管线的深埋和位置等信息能够帮助探测人员准确辨认地下不同的管线。

[0024] (IV)使用范围广泛，能应用于多种地下非金属管管径的探测。

附图说明

[0025] 图1为透地雷达基本原理；

[0026] 图2为管道的雷达反射波形成原理示意图；

[0027] 图3为管道的雷达反射多次波的形成原理示意图；

[0028] 图4为第一塑料管的第一雷达反射图像；

[0029] 图5为第一塑料管的第二雷达反射图像；

[0030] 图6为第二塑料管的第一雷达反射图像；

[0031] 图7为第二塑料管的第二雷达反射图像；

[0032] 图8为玻璃钢管的第一雷达反射图像；

[0033] 图9为玻璃钢管的第二雷达反射图像；

[0034] 图10为玻璃钢管的第三雷达反射图像。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0036] 实施例一

[0037] 如图4至图7所示，在广州市大埔南一街上编号为07J3345的地下非金属给水管竣工验收中，两个地下非金属给水管的分别为管径是0.1m的第一塑料管和管径是0.15m的第二塑料管，所述的两个地下非金属给水管处于供水的状态；地质雷达的发射天线发射的电磁波与所述地下非金属给水管的垂直方向之间的夹角为α，且0°≤α≤45°，其探测步骤是：

[0038] a.使用地质雷达探测采取地下非金属管道的多次反射波。首先，正确选择探测剖面位置：雷达剖面要垂直于管线的走向，雷达剖面的地面要保持平整，剖面上不要有井盖、铁块、电线等干扰，剖面不要布设在高压线下方；其次，正确选择雷达天线，天线频率的选择范围为100MHz～600MHz：探测埋设在3m以下的管线时选择100MHz天线，当探测深度在3m以内的管线时选择200MHz、400MHz或600MHz；再而，连接好主机、天线、电源，打开雷达主机，在主机中启动K2操作软件，正确设置采集参数：(1)时窗选择为80～150ns，不得大于
150ns；(2)选择“自动增益”调设探测参数，在自动增益调设时，应让雷达天线从管线正上方经过；(3)测距轮参数选择：采样间隔不得大于0.1m；最后，推动雷达车，在本实施例中采集雷达剖面超过五十个，获得如图5至图8所示的多次地质雷达波。

[0039] b.在雷达主机上打开K2程序，查看已采集的雷达波形图，读取T1、T2、T3……Ti。

[0040] c.依据运算式D＝Vc水×∑(Ti+1-Ti)/2(n-1)计算，其中Vc水是水的电磁波速度，Vc水＝0.033m/ns；图5中第一塑料管的管径计算值为0.033×(30.2-12.2)/6＝0.1m，误差为0；图6中第一塑料管管径计算值为0.033×(30.6-13.2)/6＝0.097m，误差为0.003m，相对误差为3％；图7中第二塑料管管径计算值为0.033×(44.0-6.4)/8＝0.155m，误差为0.005m，相对误差为3.33％；图8中第二塑料管管径计算值为0.033×(46.2-17.6)/6＝0.157m，误差为0.007m，相对误差为4.67％。

[0041] 其中在上述步骤a中，如果采集的数据不理想，选择以下方法进行重复探测：I、重新调设增益，如信号过强则让天线经过反射最强地段进行增益重设，如信号过弱则让天线经过反射最弱地段进行增益重设；II、如I方法仍不能有效探测，可将雷达剖面向两侧平行移动，再行探测。

[0042] 实施例二

[0043] 如图8所示，在广州市西湾路探测一条地下非金属管时，该地下非金属管为管径是0.6m的玻璃钢管，所述玻璃钢管处于供水的状态；地质雷达的发射天线发射的电磁波与所述玻璃钢管的垂直方向之间的夹角为α，且0°≤α≤45°，其探测步骤是：

[0044] a.使用地质雷达探测采取所述地下玻璃钢管道的多次反射波。首先，正确选择探测剖面位置：雷达剖面要垂直于管线的走向，雷达剖面的地面要保持平整，剖面上不要有井盖、铁块、电线等干扰，剖面不要布设在高压线下方；其次，正确选择雷达天线，天线频率的选择范围为100MHz～600MHz：探测埋设在3m以下的管线时选择100MHz天线，当探测深度在3m以内的管线时选择200MHz、400MHz或600MHz；再而，连接好主机、天线、电源，打开雷达主机，在主机中启动K2操作软件，正确设置采集参数：(1)时窗选择为80～150ns，不得大于150ns；(2)选择“自动增益”调设探测参数，在自动增益调设时，应让雷达天线从管线正上方经过；(3)测距轮参数选择：采样间隔不得大于0.1m；最后，推动雷达车，采集雷达剖面，获得如图9所示的多次地质雷达波。

[0045] b.在雷达主机上打开K2程序，查看已采集的雷达波形图，读取T1、T2、T3……Ti。

[0046] c.依据运算式D＝Vc水×∑(Ti+1-Ti)/2(n-1)计算，其中Vc水是水的电磁波速度，Vc水＝0.033m/ns；图8中管径计算值为0.033×(60.0-24.6)/2＝0.584m，误差为0.016m，相对误差为2.67％；图9中管径计算值为0.033×(67.8-31.2)/2＝0.604m，误差为0.004m，相对误差为0.67％；图10中管径计算值为0.033×(65.6-28.8)/2＝0.607m；
误差为0.007m，相对误差为1.17％。本实施例中玻璃钢管道的材质、实际管径均经过开井核实。

[0047] 其中在上述步骤a中，如果采集的数据不理想，选择以下方法进行重复探测：I、重新调设增益，如信号过强则让天线经过反射最强地段进行增益重设，如信号过弱则让天线经过反射最弱地段进行增益重设；II、如I方法仍不能有效探测，可将雷达剖面向两侧平行移动，再行探测。