周義銓 吳樹濤 張盛旺 辛 躍 黃聿相
(國網(wǎng)福建省電力有限公司寧德供電公司,福建寧德352100)
探地雷達(dá)又稱透地雷達(dá),其整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,主體構(gòu)成包括電腦終端、雷達(dá)主機(jī)、電磁波發(fā)射電路、反射波接收電路、發(fā)射天線、接收天線。其工作原理如圖2所示,當(dāng)電磁波發(fā)射電路發(fā)射的電磁波在地層中傳播時,若遇到地層中波阻抗差別較大的區(qū)域,即該區(qū)域內(nèi)存在不同性質(zhì)的介質(zhì)相毗鄰時,電磁波就會在不同介質(zhì)的交界面上發(fā)生電磁波反射現(xiàn)象,而電磁波的反射波則會被探地雷達(dá)的接收天線檢測并接收,最后通過分析反射波的頻率、幅值等特性,作為判斷地下介質(zhì)類型的依據(jù),從而確定地下被測管線的具體位置。
圖1 探地雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖
圖2 探地雷達(dá)原理示意圖
探地雷達(dá)在使用前參數(shù)設(shè)置是否合理將直接影響到最后探測結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。在探測前需要提前設(shè)置的雷達(dá)內(nèi)部參數(shù)主要有發(fā)射天線的中心頻率、系統(tǒng)的時窗,此外,合理規(guī)劃探測路線也是提高探測結(jié)果準(zhǔn)確性的保障。
電磁波發(fā)射電路發(fā)射的電磁波的中心頻率是整個參數(shù)設(shè)置過程中非常重要的參數(shù)之一,它與探地雷達(dá)的探測分辨率和有效探測深度聯(lián)系十分緊密。電磁波發(fā)射電路發(fā)射的電磁波頻率越高,探地雷達(dá)在地層中的分辨率就越高,但電磁波頻率越高,在地質(zhì)中的衰減速度就越快,其有效探測深度就越淺;相反,電磁波頻率越低,電磁波在地質(zhì)中的衰減速度就越慢,探測的有效深度就越深,但其在地質(zhì)中的分辨率就越低。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,通過分析各種可能影響探地雷達(dá)分辨率的因素發(fā)現(xiàn),傳播介質(zhì)的性質(zhì)對探測分辨率的影響只是次要因素,提高探地雷達(dá)探測分辨率的根本性方法還是要根據(jù)實(shí)際的探測深度需求合理地選擇發(fā)射電磁波的中心頻率。探地雷達(dá)的分辨率與探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波的中心頻率之間的關(guān)系分別如式(1)和(2)所示:
式中,(Δd)min為垂直分辨率;Hmin為水平分辨率;c為電磁波在真空環(huán)境中的傳播速度;fc為雷達(dá)發(fā)射電磁波的中心頻率;εr為地質(zhì)相對介電常數(shù);μr為地層的磁導(dǎo)率;v為電磁波在地層中的傳播速度;d為目標(biāo)探測物的埋藏深度。
系統(tǒng)時窗值的大小即電磁波在地質(zhì)中往返一次傳播所需的有效時間大小,所以所選時窗值的大小與探地雷達(dá)的有效探測深度直接相關(guān)。系統(tǒng)工作時所選擇時窗值越大,則電磁波在地質(zhì)中的傳播時間越長,同一發(fā)射頻率下雷達(dá)探測的有效深度也就越深;相反,所選的時窗值越小,其探測的有效深度就越淺。一般來說,一個完整的系統(tǒng)中會預(yù)設(shè)多個大小不同的時窗供操作人員選擇,操作人員只需根據(jù)實(shí)際探測深度的需求選擇合適的時窗即可。時窗的大小可由式(3)計算:
式中,ω為計算的時窗值;dmax為實(shí)際所需要探測的最大深度。
探地雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)主要來源于電腦終端分析軟件對所接收到的反射電磁波的分析。在探地雷達(dá)的電腦終端系統(tǒng)中,探測到的介質(zhì)信息也主要是以波形的形式記錄下來。但在探地雷達(dá)工作過程中,由于地層下的介質(zhì)信息比較復(fù)雜,導(dǎo)致接收天線所接收到的信息中包含了大量的干擾信息,所以必須要利用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理軟件對探測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能獲得準(zhǔn)確的介質(zhì)探測信息。圖3為探測過程中電腦終端接收的雷達(dá)圖像,圖4為經(jīng)軟件處理后得到的雷達(dá)圖像。
圖3 電腦終端接收的雷達(dá)圖像
圖4 經(jīng)軟件處理后的雷達(dá)圖像
由圖4可以看出:(1)在距離原點(diǎn)1.8 m和30.8 m處,分別有埋深為1.30 m和1.46 m的地下纜線,這兩處的電磁波反射的波形相似,電磁波的影響深度較大,而且信號強(qiáng)度高,這主要是因?yàn)槔走_(dá)波一直在纜線處不斷重復(fù)反射;(2)在距離原點(diǎn)13.2 m和18.7 m處,有埋深分別為1.62 m和1.11 m的金屬物,這兩處的電磁波波形較為尖銳,信號強(qiáng)度高,而且電磁波在該介質(zhì)處并沒有重復(fù)反射的現(xiàn)象,所以可以判斷這兩處埋設(shè)有金屬;(3)在距離原點(diǎn)27.2 m處,距離地面0.83 m處存在明顯空洞,從圖像上看,此處雖然有波形變化,但電磁波的反射波形并不明顯,而且信號強(qiáng)度也非常弱,所以可以判斷此處為空洞區(qū)域。
探地雷達(dá)技術(shù)是近十幾年來新興的一種地質(zhì)探測技術(shù),其憑借制造成本低、探測效率高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各種工程檢測和地質(zhì)探測中。將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的地下管線探測,不僅有助于提高電力系統(tǒng)工作人員對未知區(qū)域地下管線的探測效率,而且還能提高檢修人員對地下管線的檢修與維護(hù)效率,有效降低地下管線發(fā)生重大事故的概率,提高供電質(zhì)量。但目前根據(jù)探測波形還只能分析出地層下是否埋設(shè)有管線,如果要達(dá)到能夠根據(jù)探測波形快速判斷出所埋設(shè)管線的數(shù)量以及管線管徑大小的目標(biāo),則還需要以后開展進(jìn)一步的研究。