摘要
由于城市改扩建和稳定运转的需要，完整的地下管网信息必不可少。快速探明地下管线可以极大地提高管线普查的效率，也可为开挖施工提供参考以避免造成破坏。目前的地下管网多类别、多权属、赋存状态复杂，探测环境不确定性大，其中非金属管线相对不易识别。因此，快速准确识别地下非金属管线是当今城市管线管理建设亟须解决的问题。 探地雷达基于目标体与背景介质的介电常数差异，可以快速无损地扫描定位小尺度目标。由于以管线定位仪为代表的电磁感应方法对非金属目标不敏感且地震、声波、电法等方法在城市施工受限，干扰众多。通过对比，认为探地雷达是探测非金属管线的可行方法。但目前雷达探测非金属管线研究不够全面系统，其响应特征、不同工况的影响、不同天线的适用以及剖面的分析解释等方面仍有不足。本文从电磁波传播理论出发，明确各参数物理意义和影响因素，系统地设置大量正演模型，同时进行大量现场实测，两者动态补充，相互佐证。从而总结非金属管线的响应特征、探测能力和实测时的仪器适用、参数选择以及注意事项，并对含噪数据进行处理，寻求突出非金属管线微弱响应的方法。 通过对探地雷达探测非金属管线正演数值模拟、原型实验和实际工程应用三个方面的研究，主要开展了以下工作并得到如下认识： （1）非金属管线雷达响应研究。依据实测情况，设置了不同管线材质，不同形态，不密实土体等15种工况的正演模拟。其中管径对回波强度起到决定性影响，材质对回波强度影响较弱；管线埋深对时距曲线几何形态起到决定性影响，管径决定了双曲线的整体尺寸；管线形态影响回波曲线的能量分布，不同内容物会产生特定响应特征。 （2）非金属管线的雷达探测能力研究。通过针对分辨率和回波强度的系统建模分析和大量实测证明：非屏蔽天线和大于900MHz天线不适用于城市管线精细探测；天线频率决定了空间分辨率，但对于光滑连续的圆形管线截面，薄层的极限分辨率并不适用；由于随机介质的吸收、色散、散射干扰，以莆田为代表的高含水率红黏土地层，雷达探测非金属管线的有效深度一般在3m以内。 （3）非金属管线雷达探测采集参数选择研究。叠加参数选择2-6次为宜；点测优于连测，平整场地适用连测提高效率；每个目标体需保证5道以上的有效扫描，扫描道间距小于20cm。 （4）雷达探测非金属管线数据处理方法。奇异值分解可以突出矩阵的细节特征、调整水平特征，有助于显示微弱的非金属管线响应和去除直达波等水平响应，小波阈值滤波可以对信号中的高频部分有良好的压制效果。 本论文系统地研究了城市地下非金属管线的雷达探测地球物理响应和不同天线的探测能力，应用了提高探地雷达数据处理质量的有效算法，优化了现场探测时仪器参数的选择，对非金属管线的探测效率、特征识别和数据优化有所提升。但本文对具有真实土壤特性介质的模拟、时域有限差分的计算速度提升、城市环境干扰噪声的模拟等方面未进行深入探讨，非金属管线探测的研究仍有广阔的应用前景和学术价值。
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