王向暉, 袁健全, 陳旭情, 路軍杰

(北京機(jī)電工程研究所,北京100074)

0 引言

探地雷達(dá)(Ground Penetrating radar)是一種有效的對(duì)地下或物體內(nèi)部不可見的目標(biāo)或界面進(jìn)行定位的電磁技術(shù)[1],其工作原理是向地下發(fā)送寬頻帶脈沖,經(jīng)存在電性差異的地下地層或目標(biāo)反射后返回地面。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí),其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性和幾何形態(tài)而變化。

目前,探地雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于地下管線探測(cè)、結(jié)構(gòu)物無損檢測(cè)、地基路基探測(cè)、巖溶地面沉陷、地下洞穴等淺層工程的勘察領(lǐng)域[2～4]。但通常探地雷達(dá)難以對(duì)深埋地下的目標(biāo)進(jìn)行有效探測(cè),另外探地雷達(dá)的探測(cè)方式限制了這種方式的擴(kuò)展應(yīng)用。

本文提出利用埋地目標(biāo)的電磁低頻泄漏作為輻射源進(jìn)行探測(cè)的方法,優(yōu)點(diǎn)是可以做到對(duì)深埋地下的目標(biāo)的探測(cè),并且探測(cè)形式更為靈活。

1 埋地目標(biāo)電磁泄漏電磁特性研究

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù),電磁波穿透介質(zhì)的深度由趨膚深度決定,而趨膚深度由介質(zhì)的電導(dǎo)系數(shù)、磁導(dǎo)率和工作頻率共同決定。

為簡(jiǎn)單起見,本文將研究的地質(zhì)條件統(tǒng)一規(guī)定為80 m厚的土壤,其下為巖石。

1.1 不同頻點(diǎn)電磁特性的比較

固定輻射源的埋深和觀察點(diǎn)離輻射源的距離,利用電磁場(chǎng)數(shù)值分析手段考察工作頻率的變化對(duì)觀察場(chǎng)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

圖1 工作頻率的變化對(duì)電磁特性的影響

圖1顯示的是在輻射源的埋地深度和觀察點(diǎn)的距離地面的高度皆為10 m的情況下,工作頻率的變化對(duì)觀察場(chǎng)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。由圖可見,在工作頻率從50 H z提高到1.97 MHz,在觀察點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度從4.96m A/m下降到78μA/m。降低工作頻率有利于提高觀察點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

1.2 不同觀察點(diǎn)電磁特性的比較

固定輻射源的埋深和工作頻點(diǎn),利用電磁場(chǎng)數(shù)值分析手段考察觀察點(diǎn)離輻射源距離的變化對(duì)觀察場(chǎng)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

圖2 埋深10m時(shí)觀察場(chǎng)點(diǎn)的變化對(duì)電磁特性的影響

圖2顯示了在輻射源的埋地深度為10m,工作頻率為50 Hz,觀察點(diǎn)離地面高度的變化對(duì)觀察場(chǎng)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。由圖可見,隨著場(chǎng)點(diǎn)離地高度由2 m提高到1 000m,在觀察點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度從13.8mA/m下降到0.130μA/m。

1.3 不同埋深電磁特性的比較

圖3顯示了在輻射源的埋地深度為5 m,工作頻率為50 Hz,觀察點(diǎn)離地面高度的變化對(duì)觀察場(chǎng)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。由圖可見,隨著場(chǎng)點(diǎn)離地高度由2 m提高到1 000 m,場(chǎng)值從40.6 mA/m下降到0.134μA/m。

比較圖2和圖3可以看出,對(duì)相同埋地目標(biāo)的電磁泄漏而言,隨著觀察點(diǎn)離地高度的增大,則因泄漏源的埋深深度不同所引起的觀察點(diǎn)場(chǎng)值的差別趨向減小。

圖3 埋深5m時(shí)觀察場(chǎng)點(diǎn)的變化對(duì)電磁特性的影響

2 結(jié)束語

探地雷達(dá)在建筑結(jié)構(gòu)、道路橋梁、地質(zhì)勘探、市政管線甚至考古刑偵等方面都得到較為有效的應(yīng)用,但其難以實(shí)現(xiàn)對(duì)深埋目標(biāo)的探測(cè),并且探地雷達(dá)的使用方式制約了這種方法的更廣泛使用。而本文所提的利用埋地目標(biāo)的電磁泄漏進(jìn)行探測(cè)具有使用靈活、探測(cè)深度較深等諸多優(yōu)點(diǎn),但需進(jìn)一步研究埋地目標(biāo)電磁泄漏頻譜特性。

[1] 李大興.探地雷達(dá)方法及應(yīng)用[J].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[2] 李志順.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在鐵路工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].北京:鐵道勘察,2003:63-64.

[3] 劉勇.樁底巖溶的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)[J].勘察科學(xué)技術(shù),2003(4):54-57.

[4] 董航.探地雷達(dá)測(cè)量近地表含水量的研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2009(1):163-167.