5-1 不同含水量之標準沙內含管線透地雷達剖面圖比較
本研究以標準沙(渥太華沙)中內含兩種不同材質管線(PVC 管與鋼管)，並調配 0%、3%、6%、9%等四種不同含水量之標準砂，以探頭頻率為 1GHz 之透地雷達進 行管線不同埋設深度(埋設深度 0cm、5cm、10cm、15cm、20cm)掃描，取得透地雷達 剖面圖與波譜軌跡，並以電磁波波傳理論為基礎，配合數位訊號擷取技術，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，除對透地雷達剖 面圖像之判讀比較外，並對管線位置與深度及材質差異性，建立更明確的判別分析方 法與技術。
圖5-1 與圖 5-2 為標準砂含水量於 0%、3%、6%、9%下，鋼管與 PVC 管於 0cm、
5cm、10cm、15cm、20cm 不同埋設深度，以 1GHz 之透地雷達掃描所得之剖面圖與 管線上方之波譜圖。由圖5-1 與圖 5-2，透地雷達剖面圖上之倒 V 影像為管線埋設位 置，於同一埋設深度與相同含水量標準砂下，鋼管剖面圖顏色較 PVC 管剖面圖顏色 明顯且強烈，此因透地雷達剖面圖中，顏色深淺為電磁波反射振幅值之變化，鋼管之 反射訊號較PVC 管之反射訊號明顯，造成鋼管之振幅值較 PVC 管之振幅值大，因此 鋼管剖面圖顏色明顯且強烈。
鋼管與 PVC 管隨埋設深度的增加，於標準砂含水量相同狀態時，剖面圖上管線 位置亦有逐漸增加趨勢及訊號有減弱趨勢，係因管線埋設深度增加，雷達波之雙程走 時增加，造成圖像深度亦有增加趨勢，而管線埋設深度增加，雷達波之衰減亦會增加，
導致波行能量的耗損，而振幅亦受到影響而減弱。
鋼管與 PVC 管於相同埋設深度而標準砂含水量逐漸增加時，剖面圖上管線位置 似有逐漸變深趨勢及訊號亦有減弱現象，係因標準砂含水量增加時，水造成雷達波波 速的減慢，導致相同埋設深度管線其電磁波雙程走時增加，因而圖像上管線深度似有 增加趨勢，再因水為一高導電介質，雷達波受水的影響而衰減，導致波行能量的耗損，
而振幅亦受到影響而減弱。
圖5-1 與圖 5-2 中管線埋設於 0cm 處之透地雷達剖面圖，鋼管部分之訊號明顯減 弱，推估金屬管線之全反射訊號與雷達波之入射訊號，因過於接近而相互干擾導致此 現象，而 PVC 管亦有些許訊號減弱現象，因管線過於接近標準砂表面，雷達波於標
準砂之訊號與PVC 管線訊號有相互合成的現象，僅有些微變化。
埋設深度 (cm) 含水量 (%)
0 5 10 15 20
0 鋼 管
3 鋼
管
埋設深度 (cm) 含水量 (%)
0 5 10 15 20
6 鋼 管
9 鋼 管
圖5-1 鋼管於不同含水量標準砂與不同埋設深度之透地雷達剖面圖與波譜圖
埋設深度 (cm) 含水量 (%)
0 5 10 15 20
0 P V C 管
3
P
V
C
管
埋設深度 (cm) 含水量 (%)
0 5 10 15 20
6 P V C 管
9 P V C 管
5-2 PVC 管於不同含水量標準砂與不同埋設深度之透地雷達剖面圖與波譜圖
5-2 不同含水量之標準沙之電磁波參數探討
研究中為探討標準沙於0%、3%、6%、9%四種不同含水量透地雷達電磁波之波 速、振幅、相對介電常數、反射係數與功率反射係數變化與差異，由已知深度5cm、
10cm、15cm、20cm 之鋼管與 PVC 管進行 1GHz 透地雷達掃描取得透地雷達剖面圖 與波譜軌跡，以電磁波波傳理論為基礎，配合數位訊號擷取技術，加以分析出不同含 水量標準沙之相關物理參數。
圖 5-3 為標準砂表面透地雷達振幅值分析與取點位置示意圖，於鋼管與 PVC 管 上方擷取其波譜圖，分別標訂出標準砂表面反射訊號之最大訊號值與最小訊號值，而 最大訊號值與最小訊號值之差值即為表面之振幅。
圖5-3 標準砂表面透地雷達振幅分析與取點位置示意圖
鋼管波譜圖
-20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000
0 100 200 300 400 500
Sample
Amplitude
PVC管波譜圖
-20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000
0 100 200 300 400 500
Sample
Amplitude 表面振幅
表面位置
雙程走時 表面位置
雙程走時
表面振幅
PVC 管位置
鋼管位置
表 5-1 為鋼管與 PVC 管埋設於不同含水量標準砂之表面透地雷達振幅比較表，
圖 5-4 與圖 5-5 為鋼管與 PVC 管埋設於不同含水量標準砂之表面透地雷達振幅比較 圖。由表5-1 與圖 5-4、圖 5-5 顯示，標準砂在同一含水量下，鋼管與 PVC 管位置在 距離表面 10cm、15cm、20cm，其透地雷達之表面振幅值相當接近，但由於鋼管與 PVC 管位置在距離表面 5cm 處，因鋼管及 PVC 管埋設位置並未超過透地雷達垂直解 析度，造成透地雷達表面反射訊號與管線之反射訊號相互影響關係，產生訊號疊加變 大現象，尤其以鋼管之訊號影響更為劇烈。由表5-1 與圖 5-4、圖 5-5 亦可觀察出標 準砂之含水量增加時，其透地雷達之表面振幅值會隨之下降之現象。
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000
0% 3% 6% 9%
含水量(%)
表面振幅
鋼管深度:5cm 鋼管深度:10cm 鋼管深度:15cm 鋼管深度:20cm
圖5-4 不同含水量標準砂表面振幅比較(埋設材質：鋼管)
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
0% 3% 6% 9%
含水量(%)
表面振幅
PVC管深度:5cm PVC管深度:10cm PVC管深度:15cm PVC管深度:20cm
表5-1 不同含水量標準砂表面振幅值比較表 管線埋設深度(cm)
5 10 15 20 標準砂
含水量 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 0% 60500 51017 51730 44835 46173 48692 47317 47907 3% 56638 38609 34392 31644 30703 31882 29987 31092 6% 54131 33382 27590 28816 30993 32619 27184 25587 9% 47114 28700 24300 27200 22791 24081 20822 22959 表 5-2 為鋼管與 PVC 管埋設於不同含水量標準砂之電磁波波速比較表，圖 5-6 與圖5-7 為鋼管與 PVC 管埋設於不同含水量標準砂電磁波波速比較圖。由表 5-2 與圖 5-6、圖 5-7 顯示，標準砂在同一含水量下，參考管線位置在距離表面 5cm、10cm、
15cm、20cm，其透地雷達電磁波波速相當接近，且當標準砂之含水量增加時，透地 雷達電磁波波速會隨之減慢趨勢。
表5-2 不同含水量標準砂電磁波波速比較表 管線埋設深度(cm)
5 10 15 20 標準砂
含水量 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 0% 0.18 0.21 0.20 0.21 0.18 0.21 0.20 0.19 3% 0.16 0.18 0.16 0.16 0.17 0.17 0.16 0.17 6% 0.15 0.14 0.14 0.13 0.13 0.13 0.14 0.14 9% 0.11 0.12 0.12 0.14 0.12 0.13 0.12 0.12
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
0% 3% 6% 9%
含水量(%)
電磁波波速(m/ns)
鋼管深度:5cm 鋼管深度:10cm 鋼管深度:15cm 鋼管深度:20cm
圖5-6 不同含水量標準砂電磁波波速比較(埋設材質：鋼管)
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
0% 3% 6% 9%
含水量(%)
電磁波波速(m/ns)
PVC管深度:5cm PVC管深度:10cm PVC管深度:15cm PVC管深度:20cm
圖5-7 不同含水量標準砂電磁波波速比較(埋設材質：PVC 管)
表 5-3 為鋼管與 PVC 管埋設於不同含水量標準砂相對介電常數比較表，圖 5-8 與圖5-9 為鋼管與 PVC 管埋設於不同含水量標準砂相對介電常數值比較圖。由表 5-3 與5-8、圖 5-9 顯示，標準砂在同一含水量下，參考管線位置在距離表面 5cm、10cm、
15cm、20cm，其相對介電常數材料性質相當接近。由於一般水之相對介電常數為 81，
故當水加入標準砂造成含水量增加時，其相對介電常數會隨之增加趨勢。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0% 3% 6% 9%
含水量(%)
相對介電常數 鋼管深度:5cm
鋼管深度:10cm 鋼管深度:15cm 鋼管深度:20cm
圖5-8 不同含水量標準砂透地雷達介電常數比較(埋設材質：鋼管)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0% 3% 6% 9%
含水量(%)
相對介電常數
PVC管深度:5cm PVC管深度:10cm PVC管深度:15cm PVC管深度:20cm
圖5-9 不同含水量標準砂透地雷達介電常數比較(埋設材質：PVC 管) 表5-3 不同含水量標準砂相對介電常數比較表
管線埋設深度(cm)
5 10 15 20 標準砂
含水量 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 0% 2.66 2.00 2.31 2.03 2.66 2.06 2.34 2.44 3% 3.73 2.89 3.31 3.65 3.19 2.96 3.33 3.10 6% 4.24 4.77 4.72 5.75 5.30 5.32 4.81 4.51 9% 7.44 6.19 5.89 4.77 5.99 4.95 6.73 6.12 表5-4 為空氣/不同含水量標準砂介面之反射係數比較表，圖 5-10 與圖 5-11 鋼管 與PVC 管埋設於不同含水量之標準砂狀態，其空氣/不同含水量標準砂介面之反射係 數比較圖。由表 5-4 與圖 5-10、圖 5-11 可得知，在同一含水量下標準砂，參考管線 位置在距離表面5cm、10cm、15cm、20cm，空氣/標準砂介面之反射係數性質與分析 結果相近。標準砂由於水的加入，造成其內部含水量的增加，導致相對介電常數隨之 增加，但卻造成空氣/標準砂介面的反射係數增加，換言之，透地雷達電磁波能量之 穿透性降低。
表5-4 空氣/不同含水量標準砂反射係數比較表 管線埋設深度(cm)
5 10 15 20 標準砂
含水量 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 0% 0.24 0.17 0.21 0.18 0.24 0.18 0.21 0.22 3% 0.32 0.26 0.29 0.31 0.28 0.26 0.29 0.28 6% 0.35 0.37 0.37 0.41 0.39 0.40 0.37 0.36 9% 0.46 0.43 0.42 0.37 0.42 0.38 0.44 0.42
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0% 3% 6% 9%
含水量(%)
反射係數
鋼管深度:5cm 鋼管深度:10cm 鋼管深度:15cm 鋼管深度:20cm
圖5-10 不同含水量標準砂反射係數比較(空氣/標準砂介面、埋設材質：鋼管)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0% 3% 6% 9%
含水量(%)
反射係數
PVC管深度:5cm PVC管深度:10cm PVC管深度:15cm PVC管深度:20cm
圖5-11 不同含水量標準砂反射係數比較(空氣/標準砂介面、埋設材質：PVC 管) 表5-5 為空氣/不同含水量標準砂介面之功率反射係數比較表，圖 5-12 與圖 5-13 鋼管與PVC 管埋設於不同含水量之標準砂狀態，其空氣/不同含水量標準砂介面之功 率反射係數比較圖。由表5-5 與圖 5-12、圖 5-13 可知，在同一含水量下標準砂，不 論參考管線位置在距離表面 5cm、10cm、15cm、20cm 處，空氣/標準砂介面之功率 反射係數性質與分析結果相當一致。標準砂亦因水的參入，導致其內部含水量增加，
造成空氣/標準砂介面的功率反射係數增加，亦即反射的能量相對的增加。
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0% 3% 6% 9%
含水量(%)
功率反射係數 鋼管深度:5cm
鋼管深度:10cm 鋼管深度:15cm 鋼管深度:20cm
圖5-12 不同含水量標準砂功率反射係數比較(空氣/標準砂介面、埋設材質：鋼管)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0% 3% 6% 9%
含水量(%)
功率反射係數
PVC管深度:5cm PVC管深度:10cm PVC管深度:15cm PVC管深度:20cm
圖5-13 不同含水量標準砂功率反射係數比較(空氣/標準砂介面、埋設材質：PVC 管) 表5-5 空氣/不同含水量標準砂功率反射係數比較表
管線埋設深度(cm)
5 10 15 20 標準砂
含水量 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 0% 0.06 0.01 0.04 0.01 0.06 0.02 0.04 0.03 3% 0.10 0.03 0.08 0.06 0.08 0.06 0.09 0.07 6% 0.12 0.10 0.14 0.13 0.16 0.14 0.14 0.12 9% 0.21 0.11 0.17 0.10 0.18 0.13 0.20 0.17
5-3 不同含水量標準沙內含不同管線之透地雷達訊號探 討
為探討標準沙於0%、3%、6%、9%四種不同含水量，標準砂內部含有埋設深度 5cm、10cm、15cm、20cm 之金屬鋼管與 PVC 管，利用 1GHz 透地雷達掃描取得透剖 面圖與波譜軌跡，配合數位訊號擷取技術，加以分析出不同管線之最大振幅編碼值變 化、管線標準化波形訊號比變化與管線深度誤差之分析。
5-3-1 管線最大振幅編碼值探討
於不同含水量標準沙內含有不同深度鋼管與 PVC 管之透地雷達剖面圖中，擷取 出管線上方之波譜訊號，分析出管線位置處之最大振幅編碼值，如圖5-14 所示。
5-14 管線位置處之最大振幅編碼值擷取位置
鋼管波譜圖
-20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000
0 100 200 300 400 500
Sample
Amplitude
PVC管波譜圖
-20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000
0 100 200 300 400 500
Sample
Amplitude
PVC 管位置
表面位置表面位置 鋼管位置
最大振幅編碼值
鋼管訊號
最大振幅編碼值 PVC 管訊號
圖5-15~圖 5-18 為不同含水量標準砂內含不同深度之鋼管與 PVC 管，標準砂與 管線介面於不同埋設深度下之透地雷達最大振幅編碼值比較圖，其相關數據如表5-6 所示。由表5-6 與圖 5-15~圖 5-18 可觀察得知，鋼管與 PVC 管在同一含水量之標準 砂下，最大振幅編碼值會隨著埋設深度增加而逐漸減小，以及鋼管與 PVC 管在同一 埋設深度下，最大振幅編碼值會隨著標準砂含水量增加而逐漸衰減變小。
圖5-15~圖 5-18 可發現到管線埋設在同一深度下，不論標準砂之含水量多寡，鋼 管的最大振幅編碼值均會大於 PVC 管之最大振幅編碼值且差異甚大。此因鋼管之反 射遠大於PVC 管之反射所造成之現象。
可藉此概略判斷在不同含水量標準砂內相同埋設深度之管線材質差異性，可於現 地進行快速之判讀依據，多數學者與傳統介質判斷方法均為以最大振幅編碼值加以區 分判斷。
表5-6 標準砂內含兩種管線透地雷達最大振幅編碼值比較表(標準砂/管線介面) 管線深度(cm)
5 10 15 20 最大振幅編碼值
標準砂含水量
鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 鋼管 PVC 管 0% 30480 19900 26430 13300 21224 11428 20200 7625 3% 26000 10800 18600 4766 11514 2815 10000 1500 6% 23400 9000 17000 3400 10999 1249 8300 550 9% 22700 8400 13300 2300 7700 900 5600 500
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%
含水量(%)
最大振幅編碼值
鋼管深度:5cm PVC管深度:5cm
圖5-15 不同含水量標準砂內埋鋼管/PVC 管透地雷達最大振幅編碼值比較圖(管線深