CN111830578A - 一种地下管线精确探测的电磁波ct方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下管线精确探测的电磁波CT方法，包括：S1、在一个钻孔内设置发射探管，在地下形成电磁场；S2、在另一个钻孔内设置接收探管，收集剩余电磁波信息，进行数据处理；S3、根据数据处理获得探测区域电磁波吸收系数的空间分布形态，据此推断出地下管线的位置。本发明的地下管线精确探测的电磁波CT方法可以快速、精确的定位到地下管线的位置。

Description

一种地下管线精确探测的电磁波CT方法

技术领域

本发明涉及管线探测技术领域，尤其涉及一种地下管线精确探测的电磁波CT方法。

背景技术

地下管线网是城市运行与发展中不可或缺的重要基础设施，地下管线不仅为城市中居民提供重要的生活物资，更承担着为城市的发展提供基础资源和能量的责任。完善、发达的地下管线***及其安全、稳定的运行是现代城市运转的保障和基础。然而，部分地下管线的铺设年代久远，缺乏日常管理与维护，管线资料缺失的情况较为严重。在城市建设或者施工过程中，由于缺乏施工区域地下管线的实时管线图，且没有快速、精确的管线探测手段，所以无法获得实时的地下管线分布情况，导致施工过程中无法有效避开管线，进而导致管线被破坏，甚至造成一系列事故发生。

现有技术中对于管线的探测多为地质雷达地面他侧，对地下管线的深度及位置探测不够精准，甚至对埋深较大的管线根本无法探测。而现有的钻孔探测的管线仪，多为单孔探测，只能探测管线深度，不能精确定位其位置。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种快速、精确的地下管线精确探测的电磁波CT方法。

为实现本发明的上述目的，本发明提供一种地下管线精确探测的电磁波CT方法，包括：

S1、在一个钻孔内设置发射探管，在地下形成电磁场；

S2、在另一个钻孔内设置接收探管，收集剩余电磁波信息，进行数据处理；

S3、根据数据处理获得探测区域电磁波吸收系数的空间分布形态，据此推断出地下管线的位置。

根据本发明的一个方面，发射探管端电磁波电场强度为E0，接收探管端电磁波电场强度为E，满足：

其中，β表示介质对电磁波的吸收系数；r表示接收点与发射点距离；f(θ)表示天线方向因子；θ表示接收点处天线与电场方向夹角。

根据本发明的一个方面，介质对电磁波的吸收系数β满足：

其中，ω表示天线频率；μ表示介质的相对磁导率；σ表示介质的电导率；ε表示介质的相对介电常数。

根据本发明的一个方面，步骤S2中的数据处理包括对于数据进行预处理：剔除采集数据的突变点，并对可疑数据比较前后数据变化趋势，结合相邻测点数据、地层岩性进行平滑处理。

根据本发明的一个方面，步骤S2中数据处理的具体做法为：

利用采集到的数据回执频率曲线，抽出最佳频率曲线，建立相应频率的数据文件；

从频率曲线中找出异常分布规律，并对最佳频率曲线进行优化处理，消除个别畸变点。

根据本发明的一个方面，步骤S3包括:

数据处理通过反演计算钻孔剖面内各个网格的电磁波吸收系数β，根据采集数据重建吸收系数β的图像；

找出图像中高吸收系数异常处即为地下管线位置。

根据本发明的一个方面，采用SIRT方法进行吸收系数β图像的重建。

本发明的地下管线精确探测的电磁波CT方法，以地层中不同岩性电磁波吸收系数的差异为基础，通过布置在一个钻孔内的发射探管发送电磁波,从而在地下形成电磁场。电磁波在地层中传播，遇到不同地质体会发生反射、折射、散射的现象,这会改变电磁场的分布。再通过布置在另一个钻孔的接收探管收集剩余电磁波信息,进行数据处理后,就得到探测区电磁波吸收系数的空间分布形态,进而推断地下管线的位置。

附图说明

图1示意性表示根据本发明一种实施方式的地下管线精确探测装置的结构图；

图2示意性表示钻孔网格化示意图；

图3示意性表示吸收系数示图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

结合图1-图3所示，本发明提供一种地下管线精确探测的电磁波CT方法，包括S1、在一个钻孔内设置发射探管，在地下形成电磁场；S2、在另一个钻孔内设置接收探管，收集剩余电磁波信息，进行数据处理；S3、根据数据处理获得探测区域电磁波吸收系数的空间分布形态，据此推断出地下管线的位置。

本发明的地下管线精确探测的电磁波CT依据于地下管线精确探测装置，装置包括绞车1、设置在绞车1上的数据采集器2，数据采集器2两端分别连接有第一电缆21和第二电缆22。第一电缆21的另一端连接有用于置于任一地下钻孔中的发射探管3，第二电缆22的另一端连接有用于置于其他地下钻孔中的接收探管4。发射探管3设有半波偶极天线，接收探管4设有鞭状天线。

本发明的地下管线精确探测的电磁波CT方法的原理为，以地层中不同岩性电磁波吸收系数的差异为基础，通过布置在一个钻孔内的发射探管3发送电磁波,从而在地下形成电磁场。电磁波在地层中传播,遇到不同地质体会发生反射、折射、散射的现象,这会改变电磁场的分布。再通过布置在另一个钻孔的接收探管4收集剩余电磁波信息,进行数据处理后,就得到探测区电磁波吸收系数的空间分布形态,进而推断异常体的物性、产状等参数。

具体来说，设发射探管3电磁波电场强度为E0，接收探管4电磁波电场强度为E，满足：

上述公式中，β表示介质对电磁波的吸收系数；r表示接收点与发射点距离；f(θ)表示天线方向因子；θ表示接收点处天线与电场方向夹角，e为常数。

而介质对电磁波的吸收系数β又满足：

其中，ω表示天线频率；μ表示介质的相对磁导率；σ表示介质的电导率；ε表示介质的相对介电常数。

由上述公式可知，当ω,μ一定时,介质对电磁波的吸收系数β主要与σ,ε有关。而σ越大,就意味着介质的导电性能越好,场强衰减的越快。实际工作中，围岩和地质异常体(无论是高吸收、低吸收)存在电阻率差异，电磁波在围岩和异常体界面处产生反射、折射、散射效应，接收天线收到的电磁波场强减小、异常都判定为高吸收异常。

本发明的地下管线精确定位装置，具有扫频功能，可一次测量多个频率的数据。一般选用4MHz、8MHz、16MHz扫频测量。测量方法采用同步和定点结合，同步扫面后，定点精测，发射点距为1m，测量点距0.2m，接收点距越小，探测分辨率越高，都采用了对调测量的方式，确保无测量盲区，使数据资料可信可靠。发射天线和接收天线长度均为1m。

结合图1所示，本发明的地下管线精确定位转至，通过探管的上下移动采集整个剖面的电磁波电场强度数据，将测得的数据存储在地面数据采集器2中，随后导入计算机进行数据处理及反演。

具体做法如下：首先对数据进行预处理，预处理是剔除采集数据的突变点,并对可疑数据比较前后数据变化趋势,结合相邻测点数据、地层岩性等进行平滑处理。预处理的目的是筛选可信数据,具体做法:利用采集到的数据绘制频率曲线,抽出最佳频率曲线,建立相应频率的数据文件。然后从频率曲线中找出异常分布规律,并对最佳频率曲线进行优化处理,消除个别畸变点。

结合图2所示，本发明的数据处理通过反演计算剖面内各个网格的吸收系数β,根据采集数据重建吸收系数β的图像。目前应用较多的方法有代数重建技术(ART)、联合迭代重建技术(SIRT)、阻尼最小二乘法(LSQR)等。SIRT方法是基于ART方法的改进,二者都是求解线性代数方程组。ART方法在计算过程中,对投影数据的分配与网格单元函数的更新是同时进行的,而SIRT方法是先分配投影数据,所有的网格单元都分配到数据后再对单元内图像函数进行更新。与ART方法相比,SIRT方法可以更好地减弱甚至消除噪声,增强数据网格的平滑程度与数据的完整性,同时迭代收敛性较好,收敛速度也较快。

SIRT方法电磁波CT图像重建,是将探测区域进行网格化(图2),并假设所有网格内介质均匀,吸收系数一致。由图2可知,第i条射线(发射到接收的路径)的长度为该射线通过的所有网格的总距离,可表示为:

代入公式:

式中:k为迭代次数；

为第j网格第k次迭代的吸收系数；W_j为通过第j个网格的射线总数；

为第i条射线进行第k次迭代后的场强。最后迭代出每个网格的吸收系数β，利用软件网格化数据成剖面图，如图3所示，其中高吸收异常例如高于12.5即为地下管线位置。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种地下管线精确探测的电磁波CT方法，包括：

S1、在一个钻孔内设置发射探管，在地下形成电磁场；

S2、在另一个钻孔内设置接收探管，收集剩余电磁波信息，进行数据处理；

S3、根据数据处理获得探测区域电磁波吸收系数的空间分布形态，据此推断出地下管线的位置。

2.根据权利要求1所述的地下管线精确探测的电磁波CT方法，其特征在于，发射探管端电磁波电场强度为E0，接收探管端电磁波电场强度为E，满足：

其中，β表示介质对电磁波的吸收系数；r表示接收点与发射点距离；f(θ)表示天线方向因子；θ表示接收点处天线与电场方向夹角。

3.根据权利要求2所述的地下管线精确探测的电磁波CT方法，其特征在于，介质对电磁波的吸收系数β满足：

其中，ω表示天线频率；μ表示介质的相对磁导率；σ表示介质的电导率；ε表示介质的相对介电常数。

4.根据权利要求1所述的地下管线精确探测的电磁波CT方法，其特征在于，步骤S2中的数据处理包括对于数据进行预处理：剔除采集数据的突变点，并对可疑数据比较前后数据变化趋势，结合相邻测点数据、地层岩性进行平滑处理。

5.根据权利要求4所述的地下管线精确探测的电磁波CT方法，其特征在于，步骤S2中数据处理的具体做法为：

利用采集到的数据回执频率曲线，抽出最佳频率曲线，建立相应频率的数据文件；

从频率曲线中找出异常分布规律，并对最佳频率曲线进行优化处理，消除个别畸变点。

6.根据权利5所述的地下管线精确探测的电磁波CT方法，其特征在于，步骤S3包括:

数据处理通过反演计算钻孔剖面内各个网格的电磁波吸收系数β，根据采集数据重建吸收系数β的图像；

找出图像中高吸收系数异常处即为地下管线位置。

7.根据权利要求6所述的地下管线精确探测的电磁波CT方法，其特征在于，采用SIRT方法进行吸收系数β图像的重建。

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