地质雷达在管线探测中的应用

2011-07-09王凯

山西建筑 2011年29期

关键词：雷达探测介电常数电磁波

王凯

0 引言

随着社会的发展，地下管线的密度越来越大，在地下施工如此之多的今天，这些管线的安全直接关系着当地的经济发展及居民的正常生活，也关系到施工人员的安全。近年来，由于雷达技术的逐渐成熟，地质雷达在地下施工过程中得到广泛应用。

1 地质雷达原理及其应用

1.1 地质雷达原理

地质雷达(GPR)的工作原理是通过对电磁波在地下介质传播规律与波场特点的研究分析，进而查明介质的结构、属性、几何形态及其空间分布特征。地质雷达由地面上的发射天线以宽频带短脉冲形式将高频电磁波(主频为106Hz～109Hz)发射送入地下，经过地下目标体或不同电磁性质的介质分界面反射将电磁波返回地面，被另一个天线所接收，而剩余电磁波能量则穿过界面继续向下传播，在更深的分界面继续反射和透射，直到电磁能量被地下介质全部吸收为止。地质雷达探测技术是目前分辨率最高的工程地球物理探测方法，它是近些年迅速发展起来的一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。地质雷达原理见图1。

1.2 地质雷达应用

应用地质雷达探测地下管线主要是对管线属性和位置的确定。因此，掌握电磁波在介质中的传播速度和透射能力就非常重要。在以位移电流为主的有耗媒介中，电磁波的传播速度为v=c/εr，其中，光速c=0.3 m/ns;εr为媒介的介电常数。因此，电磁波的传播速度只与媒介的介电常数有关。电磁波在有耗媒介中的传播过程，因媒介对电磁波的吸收而发生能量衰减，这限制了地质雷达的探测深度。同样在以位移电流为主的有耗媒介中可用吸收系数(β)表示电磁波的能量衰减特征。吸收系数近似值可表示为:β=188/ρεr，其中，ρ为介质的电阻率。因此，电磁波能量吸收系数与介质的电阻率成反比，虽然它随介电常数的增大而减小，但是介质的介电常数变化范围较小，而介质的电阻率受饱和度和矿化度的影响变化范围较大。因此，电磁波能量吸收系数主要由介质的电阻率决定并与ρ成反比。相反，对于同一频率的电磁波而言，电磁波的透射能力与介质的电阻率成正比。

图1 地质雷达原理图

1.3 地质雷达组成

地质雷达探测系统主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备(计算机)等组成，如图2所示。GSSI的SIR系列多功能地质雷达是全世界公认的采用技术最成熟、最完善的地质雷达。SIR-20地质雷达属工程现场非破坏性的高频电磁脉冲全数字化地面探测系统，有多种频率的天线可供选择，分别为16 MHz～80 MHz，100 MHz，200 MHz，400 MHz，900 MHz，1 GHz，2.5 GHz。

图2 地质雷达组成图

2 实例工程分析

2.1 各种管线的分辨

1)金属管的相对介电常数较大，导电率极强，衰减极大，其顶部反射会出现极性反转，无底部反射。2)非金属管的介电常数均低，导电率小，衰减小，顶部反射极性正常，管底部反射同相轴明显。同时管内流动的物质不同，管线的波形特征不同，当管线内部充水时，在水界面发生极性反转。3)混凝土管，混凝土管的反射波一般都较弱，在少数地段甚至很难探测到弧状反射异常，在条件较好地段有时也能探测到管底反射波。4)PVC管，一般而言，PVC型给水管都会有明显的雷达反射出现，而且会有多次反射出现。电磁波在PVC管上的反射能量比在金属管上的反射能量要弱许多。