本研究主要針對標準沙(渥太華沙)中內含兩種不同材質管線(PVC 管與鋼管)，標 準沙於不同含水量下(含水量 0%、3%、6%、9%)，以探頭頻率為 1GHz 之透地雷達 分別掃描不同埋設深度(埋設深度 0cm、5cm、10cm、15cm、20cm)之管線，並以電磁 波波傳理論為基礎，配合數位訊號擷取技術，經由物理波形特性、材料反射係數、反 射能量、訊號能量衰減的情況進行探討，期能在除了透地雷達圖像之判讀比較外，建 立對管線位置、深度與材質差異性更明確的判別分析方法與技術。
4-1 實驗規劃
本研究使用瑞典MaLa GeoSciencee 公司所製造之透地雷達非壞性檢測儀器，屬 RAMAC/GPR 系統。配合 RAMAC Ground Vision 資料收集與解析軟體進行透地雷達 剖面圖之解析，判斷不同含水量之渥太華沙內含有不同深度及不同材質兩種管線，在 雷達剖面圖中可能之訊號特徵及相關物理參數。並利用已知位置配合數位訊號擷取技 術，經由物理波形特性、材料反射係數、反射能量、訊號能量衰減進行分析比對，並 建立對管線位置與深度及材質差異性以取得較有利之雷達影像圖與相關資訊。
研究實驗以砂箱進行管線訊號之透地雷達非破壞檢測試驗，將標準砂鋪設於砂箱 中，為探討不同含水量之標準砂內管線之訊號變化，故備有含水量 0%、3%、6%、
9%之標準砂進行試驗，於標準砂內層埋設外徑為 5cm 之 PVC 管與鋼管，為探討不 同管線埋設深度之訊號變化，亦以管線不同埋設深度0cm、5cm、10cm、15cm、20cm 進行管線掃描試驗，其埋設之平面圖與剖面圖如圖4-1 所示。
試驗中採用 1GHz 天線頻率透地雷達進行測線施測，透地雷達測線如圖 4-2 所 示，以透地雷達等支距施測法檢測不同含水量之渥太華沙內含不同深度及不同材質兩 種管線在雷達剖面圖之情形，以求得影像圖資料進行相關分析。
60cm
圖4-1 管線埋設之平面圖與剖面圖示意圖
管線(PVC 管/鋼管) 45mm 內徑
50mm 外徑 60cm
30cm 標準砂
1GHz GPR 測線 15cm
(b) 標準砂內含管線剖面示意圖 30cm
25cm 管線(PVC 管/鋼管)
45mm 內徑 50mm 外徑
標準砂 20cm 15cm
10cm 5cm
60cm
(a) 標準砂內含管線平面示意圖 30cm
標準砂
30cm
管線(PVC 管/鋼管) 45mm 內徑
50mm 外徑
30cm
圖4-2 透地雷達掃測線示意圖
4-2 實驗儀器設備與軟體介紹
4-2-1 儀器設備介紹
實驗中使用之透地雷達儀器為瑞典所製造 RAMAC/GPR 系統，其主要特點為以 往可任意調整發射天線和接收天線相對位置之無罩式天線(unshielded)加以修改，將發 射天線與接收天線位置固定，並整體罩置PVC 盒內部，稱為全罩式(shielded) 天線，
全罩式天線之優點是將透地雷達電磁波的發射天線和接收天線均裝置於天線盒底部 進行透地雷達探測，不僅可隔離及減少外部環境所引起之雜訊影響，並可收集到更為 完整與清晰的電磁波反射訊號。
本實驗所使用之透地雷達探頭頻率為1GHz，整體 1GHz 透地雷達儀器連同個人 筆記型電腦，主要有五個部份組成，分別為透地雷達控制系統(CU-II)、透地雷達天線 組、供電盒、距離量測裝置及個人筆記型電腦，如圖4-3 所示，整體細部裝置包含有：
透地雷達控制系統、訊號傳輸光纖、透地雷達天線組、電源供電盒、訊號傳輸線、距 離量測裝置、拖曳底盒、拖曳把手及攜帶型筆記型電腦等共九個裝置，各裝置之功能 與其用途分敘如下：
1. 透地雷達控制系統
透地雷達控制系統為訊號發送與資料收集之管理裝置，包含有電源供應、控制信 號模擬及內部電腦。透地雷達控制系統控制發射和接收時間、取樣頻率和軌跡間隔、
雷達資料的暫時儲存器，並將雷達資料傳輸至電腦之介面。透地雷達控制系統可藉由 訊號傳輸線輸出與電腦連結來接收電腦所發出之指令及將儲存器中的資料傳送到電 腦中。透地雷達控制系統之實體如圖4-4 所示。
2. 透地雷達天線組
透地雷達天線發射器和天線接收器兩者成對的一組天線組，透地雷達天線組在黑 色拖曳盒內部以並排放置。圖4-5所示分別為天線頻率1GHz、800MHz、500MHz、
250MHz、100MHz 之透地雷達天線組。
圖4-3 透地雷達實驗儀器 供電盒
個人筆記型電腦
訊號傳輸線
透地雷達控制主機(CU-II)
訊號產生器
資料存儲器
資料顯示分析
天線探頭 傳送與接收雷達訊號
可置換不同天線頻率
不同天線頻率及各式探頭 透地雷達天線組
距離量測裝置
光纖傳輸線
控制單元
圖4-4 透地雷達控制系統
探頭頻率：500Mhz
探頭頻率：250Mhz 探頭頻率：100Mhz 探頭頻率：800Mhz 探頭頻率：1Ghz
圖4-5 各式頻率之透地雷達天線組
a. 透地雷達天線發射器：透地雷達系統係以脈波方式連續不斷發射高頻電磁 波，測量脈波發射與接收回波之間所需的時間及振幅，此方式稱為脈波雷達。
當接收到從雷達控制系統由光纖傳輸的發射信號，透地雷達天線發射器即產 生高振幅脈衝波，透地雷達天線組將脈波轉換為帶有一中心頻率之雷達脈衝 波發射至欲探測之受測物體進行檢測。
b. 透地雷達天線接收器：天線接收器接收到連續類比反射信號，透地雷達天線 接收器將之數位化，代表接收到的雷達反射波之振幅，經由光纖傳送到透地 雷達控制系統。透地雷達天線接收器共有兩條光纖與透地雷達控制系統連 結，一條為接收光纖，用來轉換由控制系統發出之控制信號；另一條為資料 蒐集光纖，則將蒐集得數位資料傳送至控制系統。
3. 電源供電盒
本儀器使用之供電盒為鋰電池組，利用鋰電池組裝而成，可產生約10.5V 的直流 電源可分別提供電源給控制系統和透地雷達天線組，每個電源供電盒約可使用 6 小 時，鋰電池則需利用充電器對其充電，所需充電時間為8 小時。電源供電盒與充電器 之實體如圖4-6 所示。
圖4-6 透地雷達供電盒及充電器 4. 訊號傳輸光纖
訊號傳輸光纖為透地雷達控制系統與透地雷達天線組間的資料、信號傳輸媒介。
其資料傳輸速度可達4MB/s，訊號傳輸光纖在檢測時必須特別注意不可被彎折，並避 免內部之光纖物理性的破壞，光纖接頭亦必須保持乾淨，訊號傳輸光纖之實體如圖 4-7 所示。
圖4-7 訊號傳輸光纖
5. 訊號傳輸線
透地雷達控制系統與個人電腦間的資料訊號傳輸通常使用訊號傳輸線來做之間 的橋梁。訊號傳輸線之實體如圖4-8 所示。
圖4-8 訊號傳輸線 6. 距離量測裝置
距離量測裝置具有2 種功能，一是量測透地雷達天線拖曳盒拖行距離，另一為以 拖曳方式啟動透地雷達接受天線開始接收資料，設定固定距離收集資料，此設定值會 改變透地雷達剖面圖之解析度並影響資料分析與判釋時的難易與準確度。距離量測裝 置應每半年進行校正一次，距離量測裝置之實體如圖4-9 所示。
7. 拖曳底盒
本研究中所使用之透地雷達為全罩固定式天線，發射與接收天線均藏於拖曳盒 內，固定天線頻率及位置，並保護天線且使外界的干擾影響降到最低。拖曳底盒的為 PVC 材質製成，為防水密封材料，可讓透地雷達儀漂浮在水面，但無法保證水不會 滲透進入天線盒內，故需注意。如圖4-10 所示。
8. 拖曳把手
由鋁合金製成之拖曳把手，以拖曳把手前端的活動扣環與天線盒相連接，以利檢 測人員拖曳天線盒。如圖4-11 所示。
圖4-9 距離量測裝置
圖4-10 拖曳底盒
圖4-11 拖曳把手 9. 攜帶型筆記型電腦
筆記型電腦之功能為控制透地雷達之訊號運作、雷達資料擷取、量測結果顯示及 資料儲存。
4-2-2 處理軟體介紹
研究中使用之軟體，除了與透地雷達搭配使用之 Ground Vision 外，並使用 MATLAB 來處理透地雷達檢測所得之影像。有關軟體之介紹敘述如下。
1. Ground Vision
Ground Vision 是一套由 MALA GeoScience 設計，以 Windows 為作業平台，可用 於RAMAC/GPR 系統之透地雷達檢測資料收集軟體，如圖 4-12 所示。軟體的功能為 RAMAC/GPR 資料的收集、濾波、多頻道操作和列印。透地雷達進行檢測前之基本 設定、檢測時資料傳輸、檢測後資料儲存和處理，均需透過Ground Vision 執行。Ground Vision 內建有數個濾波功能，提供檢測之影像作進一步處理，可減少其複雜程度，不 僅方便操作人員辨識雷達影像亦可減少因雜訊誤判的可能性。Ground Vision 亦可將 雷達訊號進行轉換成為數位資料，可進一步進行相關資料分析與評估。
圖4-12 Ground Vision 資料收集軟體 2.MATLAB
MATLAB 是由 Math Works 公司於 1984 年推出的數學軟體，其主要為提供一套 完善的矩陣運算指令，隨著數值運算的演變，使MATLAB 成為各種系統模擬、數位 訊號處理、數位影像分析、科學分析的程式語言，隨著版本更新，推出握把式圖形及 許多不同的資料形態(如多維陣列、結構陣列、異質陣列等)，本研究中將使用此軟體 之矩陣計算功能及其圖形介面進行資料轉換與擷取，藉此達到研究分析之目的。
4-2-3 透地雷達處理程序
RAMAC/GPR 系統的運作及相關資料傳輸與記錄方式，可區分為以下五個步驟，
如圖4-13 所示。
1. 雷達控制系統分別發送時間信號到透地雷達天線組。
2. 透地雷達天線發射器接收到雷達控制系統發送之信號，天線發射器開始連續發射 雷達脈衝波。
3. 雷達脈衝波經由介質向外傳播，當雷達脈衝波遇到掩藏物體、結構物或其他相對 介質電磁特性改變的材料，雷達脈衝波便會在此介面產生電磁波反射現象。
4. 透地雷達天線接收器依照控制系統發送之時間信號及所設定之取樣頻率與取樣數 目，在固定時間內接收雷達波的反射訊號，並將所接收的資料傳輸回控制系統。
5. 透地雷達控制系統將傳送進來的反射訊號之取樣點資料，依照軌跡中對應之位置
透地雷達控制系統
天線探頭
介質
待測目標 施測方向
反射訊號 入射訊號
資料接收
資料傳送 接收透地雷達訊號資料
電磁波發射與啟動接收
透地雷達剖面圖像
圖 4-13 透地雷達法檢測程序示意圖
4-3 實驗設計
本試驗為分析透地雷達於不同含水量之標準砂內埋設不同深度、不同材質之管線 資料及相關物理參數的變化，於試驗室中施做一砂箱模型，其中將預先埋設 PVC 管 與鋼管為待測物，且使用不同含水量渥太華標準砂(ASTM C-109)作為砂箱模型之回 填砂，而本試驗過程中均使用透地雷達天線頻率為 1GHz 之天線探頭進行非破壞性 施測。
實驗設計模型尺寸為長60cm×寬 30cm×高 25cm 之砂箱，為明顯觀測出管線埋設 位置，於砂箱長邊其中一面，以高強度玻璃取代，以便於目視定出管線深度與位置，
並可與透地雷達剖面圖加以比對，砂箱如圖4-14 所示。