低频电磁实现探测埋地目标电磁泄露研究初探

王向晖, 袁健全, 陈旭情, 路军杰

(北京机电工程研究所,北京100074)

0 引言

探地雷达(Ground Penetrating radar)是一种有效的对地下或物体内部不可见的目标或界面进行定位的电磁技术[1],其工作原理是向地下发送宽频带脉冲,经存在电性差异的地下地层或目标反射后返回地面。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁特性和几何形态而变化。

目前,探地雷达已广泛应用于地下管线探测、结构物无损检测、地基路基探测、岩溶地面沉陷、地下洞穴等浅层工程的勘察领域[2～4]。但通常探地雷达难以对深埋地下的目标进行有效探测,另外探地雷达的探测方式限制了这种方式的扩展应用。

本文提出利用埋地目标的电磁低频泄漏作为辐射源进行探测的方法,优点是可以做到对深埋地下的目标的探测,并且探测形式更为灵活。

1 埋地目标电磁泄漏电磁特性研究

电磁波在介质中的传播速度取决于介质的磁导率和介电常数,电磁波穿透介质的深度由趋肤深度决定,而趋肤深度由介质的电导系数、磁导率和工作频率共同决定。

为简单起见,本文将研究的地质条件统一规定为80 m厚的土壤,其下为岩石。

1.1 不同频点电磁特性的比较

固定辐射源的埋深和观察点离辐射源的距离,利用电磁场数值分析手段考察工作频率的变化对观察场点磁场强度的影响。

图1 工作频率的变化对电磁特性的影响

图1显示的是在辐射源的埋地深度和观察点的距离地面的高度皆为10 m的情况下,工作频率的变化对观察场点磁场强度的影响。由图可见,在工作频率从50 H z提高到1.97 MHz,在观察点处的磁场强度从4.96m A/m下降到78μA/m。降低工作频率有利于提高观察点的磁场强度。

1.2 不同观察点电磁特性的比较

固定辐射源的埋深和工作频点,利用电磁场数值分析手段考察观察点离辐射源距离的变化对观察场点磁场强度的影响。

图2 埋深10m时观察场点的变化对电磁特性的影响

图2显示了在辐射源的埋地深度为10m,工作频率为50 Hz,观察点离地面高度的变化对观察场点磁场强度的影响。由图可见,随着场点离地高度由2 m提高到1 000m,在观察点处的磁场强度从13.8mA/m下降到0.130μA/m。

1.3 不同埋深电磁特性的比较

图3显示了在辐射源的埋地深度为5 m,工作频率为50 Hz,观察点离地面高度的变化对观察场点磁场强度的影响。由图可见,随着场点离地高度由2 m提高到1 000 m,场值从40.6 mA/m下降到0.134μA/m。

比较图2和图3可以看出,对相同埋地目标的电磁泄漏而言,随着观察点离地高度的增大,则因泄漏源的埋深深度不同所引起的观察点场值的差别趋向减小。

图3 埋深5m时观察场点的变化对电磁特性的影响

2 结束语

探地雷达在建筑结构、道路桥梁、地质勘探、市政管线甚至考古刑侦等方面都得到较为有效的应用,但其难以实现对深埋目标的探测,并且探地雷达的使用方式制约了这种方法的更广泛使用。而本文所提的利用埋地目标的电磁泄漏进行探测具有使用灵活、探测深度较深等诸多优点,但需进一步研究埋地目标电磁泄漏频谱特性。

[1] 李大兴.探地雷达方法及应用[J].北京:地质出版社,1994.

[2] 李志顺.地质雷达探测技术在铁路工程质量检测中的应用[J].北京:铁道勘察,2003:63-64.

[3] 刘勇.桩底岩溶的地质雷达探测[J].勘察科学技术,2003(4):54-57.

[4] 董航.探地雷达测量近地表含水量的研究[J].吉林大学学报,2009(1):163-167.