低頻電磁實現(xiàn)探測埋地目標電磁泄露研究初探

王向暉, 袁健全, 陳旭情, 路軍杰

(北京機電工程研究所,北京100074)

0 引言

探地雷達(Ground Penetrating radar)是一種有效的對地下或物體內(nèi)部不可見的目標或界面進行定位的電磁技術(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反射后返回地面。電磁波在介質(zhì)中傳播時,其路徑、電磁場強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,探地雷達已廣泛應(yīng)用于地下管線探測、結(jié)構(gòu)物無損檢測、地基路基探測、巖溶地面沉陷、地下洞穴等淺層工程的勘察領(lǐng)域[2～4]。但通常探地雷達難以對深埋地下的目標進行有效探測,另外探地雷達的探測方式限制了這種方式的擴展應(yīng)用。

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

1 埋地目標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)的電導系數(shù)、磁導率和工作頻率共同決定。

為簡單起見,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 不同頻點電磁特性的比較

固定輻射源的埋深和觀察點離輻射源的距離,利用電磁場數(shù)值分析手段考察工作頻率的變化對觀察場點磁場強度的影響。

圖1 工作頻率的變化對電磁特性的影響

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

1.2 不同觀察點電磁特性的比較

固定輻射源的埋深和工作頻點,利用電磁場數(shù)值分析手段考察觀察點離輻射源距離的變化對觀察場點磁場強度的影響。

圖2 埋深10m時觀察場點的變化對電磁特性的影響

圖2顯示了在輻射源的埋地深度為10m,工作頻率為50 Hz,觀察點離地面高度的變化對觀察場點磁場強度的影響。由圖可見,隨著場點離地高度由2 m提高到1 000m,在觀察點處的磁場強度從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,觀察點離地面高度的變化對觀察場點磁場強度的影響。由圖可見,隨著場點離地高度由2 m提高到1 000 m,場值從40.6 mA/m下降到0.134μA/m。

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

圖3 埋深5m時觀察場點的變化對電磁特性的影響

2 結(jié)束語

探地雷達在建筑結(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,但其難以實現(xiàn)對深埋目標的探測,并且探地雷達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的電磁泄漏進行探測具有使用靈活、探測深度較深等諸多優(yōu)點,但需進一步研究埋地目標電磁泄漏頻譜特性。

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

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

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

[4] 董航.探地雷達測量近地表含水量的研究[J].吉林大學學報,2009(1):163-167.