專利名稱：一種地下非金屬管管徑的探測方法
技術領域：
本發明涉及地下非金屬管管徑的探測方法，具體是應用地質雷達 實現對地下非金屬管管徑的探測。
背景技術：
在地下管線的竣工測量工作中，管線的管徑是一個非常重要的屬 性。因為在城市道^各中，管線不僅數量龐大，而且管線的分布和排 列錯綜復雜。要準確區分開各種管線，不至造成誤判的話，就要盡 可能充分地掌握實測管線異常的屬性。這其中管徑是非常重要的一項屬性。比如，有的管線原來直徑為lOOran,改造后變為200 mm, 而舊管線只廢棄并不拆除，在探測時會同時發現兩條管線，除了管 線的管徑不同以外，這兩條管線的其他屬性都相同，這時候，探測 管徑的大小就成為區分兩條管線的重要依據。目前，地質雷達在地下管線探測中得以廣泛應用，并且技術上 取得了重大的進展。但一直以來，地質雷達基本上只是用來探測地 下管線的位置與埋深，對于管線的管徑，基本上都是利用已知資料 或開挖取證。有時也會利用雷達波的寬度對管徑進行估計，但這樣 的做法其誤差往往會很大，技術很不成熟。發明內容為解決上述問題，本發明公開了一種地下非金屬管管徑的探測 方法，應用地質雷達對地下非金屬管進行線探測，通過對地質雷達發 射的電磁波的多次反射波之間的走時間距的運算，實現對管線管徑 的精確探測。地質雷達勘探是以地下不同介質的介電常數差異為基礎的 一種 物探方法。如圖1示，它通過發射天線向地下發射高頻電磁脈沖， 此脈沖在向地下傳播過程中遇到地層內的物體及地層的介電常數變 化界面時會產生反射波。反射波傳播回地表后被接收天線所接收， 并將其傳入主片幾進^亍記錄和顯示，每一測點4妄收到一道電》茲波形， 一條測線上全部測點的電磁波形排列在一起，形成完整的雷達剖面， 經過資料的后處理，進行反演解釋便可得到地下地層(如面層、水 泥穩定層)或地下目的物(如地下管線、空洞、鋼筋、渠箱等)的 位置、分布范圍、埋深等參數。如圖2所示，為地質雷達^:測管線的原理雷達天線向下發射 電磁波時，存在一定的旁側角度，因此在天線并未到達管道頂方時， 其發射的電磁波"提前"探測到管道。如圖2所示當雷達天線運 行至A點時，其電磁波發射至管上A，點，反射至雷達天線，其運行 的距離是2AA，，運行時間為2AAWc土，其中Vc土為土介質中電》茲 波運行速度，這樣在雷達記錄時間剖面圖上，就相應地在A點下時 間為2AAVVc土處出現雷達反射波，當土介質較均勻時，其顯示的距 離就是AA，，即在A點下A"點出現反射波，AA"=AA，。如此而出現 的數個點如A"B"C"D",這樣形成的弧形反射波即是管道的雷達反射波型。其多次反射波的形成如圖3所示當電磁波發射至管上A，點時， 其可以分解為管道切線方向A，E及垂直于切線方向指向圓心O (方 向為A'O)的兩個分量，沿A' E方向的電^f茲波繼續向下傳播，沿A，O 方向的電磁波透射入管道內，經管道內介質傳播經圓心到達管道對 面點F點，遇管壁又產生反射，直接沿FA，方向返回至A，點，在A， 點處產生反射與透射，其中的透射波方向沿A，F,其沿A，A方向的 分量，返回至雷達天線為雷達接收，這就是管道的雷達二次反射波， 其運行的路徑為2AA， + 2A，F,運行的時間為2AA7Vc土 +2 A，F/Vc, 其中Vc土為土介質中電磁波運行速度，而Vc為管道中介質的電磁波 運行速度。當管道中介質為水時，其波速約為土介質的1/3。因此， 地下非金屬管道的雷達二次反射波會出現的位置應該在首波A"點 下2A，F/Vc處相當于6A，F/Vc土，即會出現在首波A"點下3d (管道 直徑)的A""位置，而非人們想象的首波A"點下d (管道直徑)的 A"，位置，以至于人們會誤將其視為無關干攏。就這樣，雷達在A，O 方向的電石茲波透射入管道內，經管道內介質傳播經圓心到達管道對 面點F點，遇管壁又產生反射，直接沿FA，方向返回至A，點再形成 再一次的反射波，如此而成多次的反射波。因而根據上述雷達發射 電磁波的多次反射波之間的走時間距，通過合理的數據采集方法和 運算，能夠精確探測地下非金屬管線的管徑。為實現本發明的目的， 一種地下非金屬管管徑的探測方法，所 述地下非金屬管管徑的探測方法釆用地質雷達，其特征在于，地下非金屬管處于充滿低波速高介電常數的介質的狀態；所述地質雷達 的發射天線發射的電磁波與所述地下非金屬管管道的垂直方向之間 的夾角為"，且0。《"《45° ，所述地下非金屬管管徑的探測方法的 步驟是a. 使用地質雷達探測采取地下非金屬管道的多次反射波，其具 體步驟為選擇^:測剖面位置，地質雷達剖面垂直于地下非金屬管 道的走向，地質雷達剖面的地面保持平整；選擇地質雷達天線的頻 率；連接好主機、天線和電源，打開地質雷達主機后設置采集參數； 推動地質雷達車，采集地質雷達剖面，獲得多次地質雷達反射波；b. 在雷達主機上依次讀取地質雷達多次反射波的反射走時Ti、 T2、 T3......T4;c. 按運算式求取管道的管徑，所述運算式為 D=VcXE (Ti+i- Ti)/2(n-l)，在所述運算式中Vc是所述低波速高介電常數的介質的電磁波 速度，單位是m/ns; Ti+l、 Ti是相鄰上下反射波的走時，單位為ns; n為探測到的地質雷達波反射總次數。作為改進，在所述步驟a中，選擇地質雷達天線的頻率時，探 測埋設深度大于3m的地下非金屬管道時選擇的天線頻率為lOOMHz; 探測埋設深度在3m以內的地下非金屬管道時選擇的天線頻率為 200MHz、 400MHz或600MHz。作為改進，在所述步驟a中，設置采集參數時時窗選4奪為80 150ns;選擇自動增益調設探測參數，自動增益調設時，地質雷達天線從地下非金屬管道正上方經過；測距輪參數選擇，采樣間隔不得 大于0. lm。作為改進，在所述步驟a中，獲得多次地質雷達波后，如果采 集的數據不理想，重新調設增益如信號過強，則讓天線經過反射 最強地段進行增益重設；如信號過弱，則讓天線經過反射最弱地段 進行增益重設。作為改進，在所述步驟a中，如果重新調設增益后仍不能有效探 測，將地質雷達剖面向兩側平行移動再行探測。作為改進，所述低波速高介電常數的介質為水，在所述運算式中， Vc水=0. 033m/ns。與現有技術相比，本發明充分利用了雷達發射電^ 茲波的多次反 射波之間的走時間距，改變了以往當地下非金屬管線反射異常出現 多次波時，就一直被忽略，甚至被很多認為是干擾波的探測方法。另 外，本發明根據多次波反射間之間的走時間距設計出一種全新的地 下非金屬管管徑的^^笨測方法，其有益效果是(I )提升了地質雷達的使用價值和探測能力，改變了地質雷達 只能探測地下管線的位置與埋深的現狀；(II )具有極大的經濟效益，以往利用已知資料或開挖取證費 時費力，并且耗費較大，本發明在利用現有設備的在非開挖的情況下能夠實現探測管線管徑的目的，節約了大量探測成本；(ni)探測精度高，偏差范圍極小，結合管線的深埋和位置等 信息能夠幫助探測人員準確辨認地下不同的管線。(IV )使用范圍廣泛，能應用于多種地下非金屬管管徑的探測。
圖1為透地雷達基本原理；
圖2為管道的雷達反射波形成原理示意圖3為管道的雷達反射多次波的形成原理示意圖4為第一塑料管的第一雷達反射圖像；
圖5為第一塑料管的第二雷達反射圖像；
圖6為第二塑料管的第一雷達反射圖像；
圖7為第二塑料管的第二雷達反射圖像；
圖8為玻璃鋼管的第一雷達反射圖像；
圖9為玻璃鋼管的第二雷達反射圖像；
圖IO為玻璃鋼管的第三雷達反射圖像。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。 實施例一
如圖4至圖7所示，在廣州市大埔南一街上編號為07J3345的 地下非金屬給水管竣工驗收中，兩個地下非金屬給水管的分別為管 徑是0. lm的第一塑料管和管徑是0. 15m的第二塑料管，所述的兩個 地下非金屬給水管處于供水的狀態；地質雷達的發射天線發射的電 磁波與所述地下非金屬給水管的垂直方向之間的夾角為"，且0° ^"^45。，其探測步驟是
a.使用地質雷達探測采取地下非金屬管道的多次反射波。首先， 正確選擇探測剖面位置雷達剖面要垂直于管線的走向，雷達剖面 的地面要保持平整，剖面上不要有井蓋、鐵塊、電線等干擾，剖面 不要布設在高壓線下方；其次，正確選擇雷達天線，天線頻率的選 擇范圍為100MHz ~ 600MHz:探測埋設在3m以下的管線時選擇lOOMHz 天線，當探測深度在3m以內的管線時選擇2 0OMHz 、 4 0OMHz或6 0OMHz; 再而，連接好主才幾、天線、電源，打開雷達主機，在主機中啟動K2 操作軟件，正確設置采集參數(1)時窗選擇為80~150ns,不得 大于150ns; (2)選擇"自動增益"調設探測參數，在自動增益調 設時，應讓雷達天線從管線正上方經過；(3)測距輪參數選擇采 樣間隔不得大于O. lm;最后，推動雷達車，在本實施例中采集雷達 剖面超過五十個，獲得如圖5至圖8所示的多次地質雷達波。
b.在雷達主機上打開K2程序，查看已采集的雷達波形圖，讀取
Ti、 T2、 T3......Ti。
c.依據運算式D=Vc水X E (Ti+i- Ti) /2 (n-1)計算，其中Vc水是水的 電磁波速度，Vc水-O. 033m/ns;圖5中第一塑料管的管徑計算值為0. 033 x (30. 2-12. 2)/6=0. lm,誤差為0;圖6中第一塑料管管徑計算值 為0. 033 x (30. 6-13. 2)/6=0. 097m,誤差為0. 003m,相對誤差為3%; 圖7中第二塑料管管徑計算值為0. 033 x (44. 0-6. 4) /8-0. 155m，誤 差為0. 005m，相對誤差為3.33%;圖8中第二塑料管管徑計算值為 0. 033 x (46. 2-17. 6) /6-0. 157m,誤差為0. 007m,相對誤差為4. 67%。其中在上述步驟a中，如果采集的數據不理想，選擇以下方法 進行重復探測I、重新調設增益，如信號過強則讓天線經過反射 最強地段進行增益重設，如信號過弱則讓天線經過反射最弱地段進 行增益重設；II、如I方法仍不能有效探測，可將雷達剖面向兩側 平行移動，再行探測。
實施例二
如圖8所示，在廣州市西灣路探測一條地下非金屬管時，該地 下非金屬管為管徑是0. 6m的玻璃鋼管，所述玻璃鋼管處于供水的狀 態；地質雷達的發射天線發射的電磁波與所述玻璃鋼管的垂直方向 之間的夾角為"，且0。 ^"^45。，其探測步驟是
a.使用地質雷達探測采取所述地下玻璃鋼管道的多次反射波。 首先，正確選擇探測剖面位置雷達剖面要垂直于管線的走向，雷 達剖面的地面要保持平整，剖面上不要有井蓋、鐵塊、電線等干擾， 剖面不要布設在高壓線下方；其次，正確選擇雷達天線，天線頻率 的選擇范圍為100MHz 600MHz:探測埋設在3m以下的管線時選擇 100MHz天線，當探測深度在3m以內的管線時選擇200MHz、 400MHz 或600MHz;再而，連接好主機、天線、電源，打開雷達主機，在主 機中啟動K2操作軟件，正確設置采集參數(1)時窗選擇為80 ~ 150ns,不得大于150ns; ( 2 )選擇"自動增益"調設探測參數，在 自動增益調設時，應讓雷達天線從管線正上方經過；(3)測距輪參 數選擇采樣間隔不得大于0. lm;最后，推動雷達車，采集雷達剖 面，獲得如圖9所示的多次地質雷達波。b. 在雷達主機上打開K2程序，查看已釆集的雷達波形圖，讀取 Ti、 T2、 T3......Ti。
c. 依據運算式D^c水X5: (Ti+i- Ti)/2(n-l)計算，其中Vc水是水的電 磁波速度，Vc *=0. 033m/ns;圖8中管徑計算值為0. 033 x (60. 0-24. 6)/2=0. 584m，誤差為0. 016m，相對誤差為2. 67%;圖9中 管徑計算值為0. 033 x (67. 8-31. 2) /2=0. 604m，誤差為0. 004m，相對 誤差為 0. 67% ; 圖 10 中管徑計算值為 0. 033 x (65. 6-28. 8)/2=0. 607ffl;誤差為0. 007m,相對誤差為1. 17%。本實施 例中玻璃鋼管道的材質、實際管徑均經過開井核實。
其中在上述步驟a中，如果采集的數據不理想，選擇以下方法進 行重復探測I 、重新調設增益，如信號過強則讓天線經過反射最 強地段進行增益重設，如信號過弱則讓天線經過反射最弱地段進行 增益重設；II、如I方法仍不能有效探測，可將雷達剖面向兩側平 行移動，再行探測。
權利要求
1、一種地下非金屬管管徑的探測方法，所述地下非金屬管管徑的探測方法采用地質雷達，其特征在于，地下非金屬管處于充滿低波速高介電常數的介質的狀態；所述地質雷達的發射天線發射的電磁波與所述地下非金屬管管道的垂直方向之間的夾角為α，且0°≤α≤45°，所述地下非金屬管管徑的探測方法的步驟是a. 使用地質雷達探測采取地下非金屬管道的多次反射波，其具體步驟為選擇探測剖面位置，地質雷達剖面垂直于地下非金屬管道的走向，地質雷達剖面的地面保持平整；選擇地質雷達天線的頻率；連接好主機、天線和電源，打開地質雷達主機后設置采集參數；推動地質雷達車，采集地質雷達剖面，獲得多次地質雷達波；b. 在雷達主機上依次讀取地質雷達多次反射波的反射走時T1、T2、T3……Ti；c. 按運算式求取管道的管徑，所述運算式為D＝Vc×∑(Ti+1-Ti)/2(n-1)，在所述運算式中Vc是所述低波速高介電常數的介質的電磁波速度，單位是m/ns；Ti+1、Ti是相鄰上下反射波的走時，單位為ns；n為探測到的地質雷達波反射總次數。
2、 根據權利要求1所述的地下非金屬管管徑的探測方法，其 特征在于在所述步驟a中，選擇地質雷達天線的頻率時，探測埋設深度大于3m的地下非金屬管道時選擇的天線頻率 為100MHz;探測埋設深度在3m以內的地下非金屬管道時選 擇的天線頻率為200MHz、 400MHz或600MHz。
3、 根據權利要求2所述的地下非金屬管管徑的探測方法，其 特征在于在所述步驟a中，設置采集參數時時窗選擇 為80 150ns;選擇自動增益調設探測參數，自動增益調設 時，地質雷達天線從地下非金屬管道正上方經過；測距輪 參數選擇，采樣間隔不得大于0. lm。
4、 根據權利要求3所述的地下非金屬管管徑的探測方法，其 特征在于在所述步驟a中，獲得多次地質雷達波后，如 果采集的數據不理想，重新調設增益如信號過強，則讓 天線經過反射最強地段進行增益重設；如信號過弱，則讓 天線經過反射最弱地段進行增益重設。
5、 根據權利要求4所述的地下非金屬管管徑的探測方法，其 特征在于在所述步驟a中，如果重新調^沒增益后仍不能有 效探測，將地質雷達剖面向兩側平行移動再行探測。
6、 根據權利要求1至5所述的任意一種地下非金屬管管徑的 探測方法，其特征在于所述低波速高介電常數的介質為 水，在所述運算式中，Vc水-O. 033m/ns。
全文摘要
一種地下非金屬管管徑的探測方法，充分利用了雷達發射電磁波的多次反射波之間的走時間距，本發明使用地質雷達探測采取地下非金屬管道的多次反射波后；在雷達主機上依次讀取地質雷達多次反射波的反射走時；根據反射波之間的走時間距的特點按照運算式求取管道的管徑。本發明經濟效益高，探測精度高，使用范圍廣泛。
文檔編號G01V3/12GK101504283SQ20091003789
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月16日 優先權日2009年3月16日
發明者丘廣新, 榮 張, 鴻 林, 葛如冰 申請人:廣州市城市規劃勘測設計研究院