CN103837900A - 一种基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法及装置，通过三轴磁强计测量交流电缆产生的磁场范围内任意两点的电压信号，通过锁相放大器进行放大后输入计算机中；由计算机得到两测量点三个方向的磁感应强度；随后得到两个测量点的磁场矢量；随后过两测量点做垂直于测量点磁感应强度的平面，分别得到两个平面方程；最终联立两平面方程得到的直线方程即为交流电缆所在位置；本发明方法通过电磁感应原理，实现了将磁信息转化为电信息，通过数据采样与计算，解决了快速对电缆进行定位的问题；且利用放大信号和滤波去噪技术，提高了定位的灵敏度和精确度。本发明装置，无源、简单、快速，可操作性强。

Description

一种基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法及装置

技术领域

本发明属于电磁探测领域，具体来说，是一种基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法，可以在海洋工程、光缆探测、磁道导航等领域得到一定的应用和延伸。 

背景技术

国外的电缆定位项目比较多。文献《Detection and location of underground cables using magnetic field measurements》，Goddard,K.F.,Wang,P.,Lewin,P.L.and Swingler,S.G.,2012.4中记载一种建立一个数值模型的测量系统，使用一组探测线圈去测量工频磁场域的分布。通过比较调整模型的参数，以最小二乘的方法，使总均方误差最小化。噪声水平的估计值表明，该系统测量50HZ工频磁场的分辨率优于1nT。但其不足之处在于：在七个线圈组的测量条件下不能同时对多条电缆进行定位。进一步的改进可分为两个方向：一是继续MTU视觉的多传感器系统的研究工作，二是解决地下环境的复杂性问题。 

目前国内市面上的电缆探测仪的基本原理是由振荡器产生一个音频信号电流，流经被测电缆（金属管线）通过大地构成回路。此电流在被测系统周围产生磁场，磁力线透过大地传到地面，在地面上用一探测线圈拾取磁场信号，经电缆探测仪选频放大以后用耳机监听，因此检验这一磁场的变化就可以判断地下金属管线的位置。同样原理可以在电缆铅皮外检验内部芯线的障碍部位。也就是主要通过LC振荡电路，利用线圈附近有金属可以改变电感的原理来进行探测的。 

在进行电缆定位时，主要通过电磁感应类管线仪进行定位，通常情况下，所用到的方法主要有两种：一种是极小值法，一种是极大值法。在实际应用的过程中，主要是将这两种办法进行综合应用，通过分析对比，从而将管线的位置进行准确的定位。参考：《供电生产管理中地下电缆探测技术的运用》，赵长亮,王宇,2012.10。 

在市区探测时，需先对工区及附近的场地进行勘查，看是否有军用通信电缆的维护井。如有维护井，可使用夹钳法。该方法是利用夹钳内的环形磁芯，把管线夹在中间，信号发生器输出的交流信号通过磁芯的一次侧、绕组使磁环形成 磁场，并有效地耦合到管线上，在管线中产生感生电流。该方法对地下管线众多、需进行逐条分辨时，效果明显。参考：《城市军用通信电缆探测方法和工程实例》杨振涛,2010.6。 

综上所述，现有的电缆探测装置普遍存在着有功率损耗、操作复杂、设计繁琐等问题。随着电磁探测、磁力导航、磁传感系统研究更加深入，开发新型探测技术有着重要的指导意义。 

发明内容

基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法，其特征在于：通过下述步骤实现： 

步骤1：在交流电缆产生的磁场范围内选取一测量点a，并以测量点a点为原点建立空间直角坐标系O_a(x_a,y_a,z_a)，作为基坐标系；并测量得到测量点a处三个方向x_a、y_a、z_a的磁感应强度B_ax、B_ay、B_az。 

步骤2：对各测量点a进行下述步骤： 

Ⅰ、得到测量点a处的磁场矢量

Ⅱ、过测量点a做垂直于测量点a的磁感应强度

的平面S_a，得到S_a的平面方程。 

步骤3：在交流电缆产生的磁场范围内选取测量点b，则测量点b在测量点a的空间直角坐标系O_a(x_a,y_a,z_a)中三轴坐标为x_b、y_b、z_b；返回进行步骤1得到测量点b处三个方向x_b、y_b、z_b的磁感应强度B_bx、B_by、B_bz；随后通过步骤2得到平面方程S_b。 

步骤4：联立平面方程S_a、S_b，得到直线方程。 

本发明的优点在于： 

1、本发明基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法，通过电磁感应原理，实现了将磁信息转化为电信息，通过数据采样与计算，解决了快速对电缆进行定位的问题； 

2、本发明基于矢量磁场探测的地下电缆定位装置，利用放大信号和滤波去噪技术，提高了定位的灵敏度和精确度； 

3、本发明基于矢量磁场探测的地下电缆定位装置，无源、简单、快速，可操作性强； 

4、本发明基于矢量磁场探测的地下电缆定位装置，避免了发射功率所需信号源，大大减小了装备的重量与设计难度；且显示只需用普通计算机即可，不必 安装任何软件就可实时显示； 

5、本发明基于矢量磁场探测的地下电缆定位装置，可以用于地下电缆的位置定位和建设基于跟踪电缆方式的新型城市交通方向。 

附图说明

图1为本发明地下电缆定位方法流程图； 

图2为本发明地下电缆定位装置整体结构示意图。 

图3为本发明地下电缆定位装置中三轴磁强计结构示意图。 

图中： 

1-三轴磁强计部分     2-安装架        3-锁相放大器     4-计算机 

101-骨架             102-铜线        103-外壳         104-同轴电缆接头 

201-支座             201a-底板A      201b-底板B       202-纵梁 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

本发明基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法，通过下述步骤实现： 

步骤1：在交流电缆产生的磁场范围内任意选取一测量点a，并以a点为原点建立空间直角坐标系O_a(x_a,y_a,z_a)，作为基坐标系。通过三轴磁强计对测量点a的电压信号进行测量，进而通过法拉第电磁感应定律公式推导可得到测量点a处三个方向x_a、y_a、z_a的磁感应强度B_ax、B_ay、B_az； 

步骤2：根据通电导线产生磁场的性质，采用两点采样算法对测量点a进行下述步骤： 

Ⅰ、得到测量点a处的磁场矢量

${\stackrel{\→}{B}}_a=B_{\mathrm{ax}}\stackrel{\→}{i}+B_{\mathrm{ay}}\stackrel{\→}{j}+B_{\mathrm{az}}\stackrel{\→}{k}---\left(1\right)$

其中，

为x方向的单位向量；

为y方向的单位向量；为z方向的单位向量。 

Ⅱ、过测量点a做垂直于测量点a的磁感应强度

的平面S_a，得到S_a的平面方程:B_axx+B_ayy+B_azz＝0     （2） 

步骤3：在交流电缆产生的磁场范围内选取测量点b，则测量点b在测量点a的空间直角坐标系O_a(x_a,y_a,z_a)中三轴坐标为x_b、y_b、z_b；返回进行步骤1得到测量点b处三个方向x_b、y_b、z_b的磁感应强度B_bx、B_by、B_bz；随后通过步骤2得到平面方程S_b: 

B_bx(x-x_b)+B_by(y-y_b)+B_bz(z-z_b)＝0     （3） 

将测量点a平移后得测量点b，得b的坐标为（Δx,Δy,Δz)。 

步骤4：联立平面方程S_a、S_b，得到直线的一般方程： 

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{ax}}x+B_{\mathrm{ay}}y+B_{\mathrm{az}}z=0\\ B_{\mathrm{bx}}x+B_{\mathrm{by}}y+B_{\mathrm{bz}}z=B_{\mathrm{bx}}{x}_b+B_{\mathrm{by}}{y}_b+B_{\mathrm{bz}}{z}_b\end{array}\right.---\left(4\right)$

上述直线方程即为交流电缆所在位置的直线方程，从而确定交流电缆在地下平面上的位置，且通过直线方程在基坐标系中Z轴的坐标信息可得到交流电缆在地下的深度，由此实现交流电缆的定位。 

在上述步骤3中，测量点b的位置可将三轴磁强计沿测量点a的x_a、y_a、z_a方向平移传感器得到，可使测量点b在基坐标系O_a(x_a,y_a,z_a)中的z_a为0，进而可大幅简化式（4）的直线方程。上述测量点a与测量点b作为一组测量点，由此可在交流电缆产生的磁场范围内任意选取多组测量点进行上述方法，得到多个直线方程，因此结合相近的直线方程，可得到更加精确的交流电缆位置。 

选取两个测量点a与测量点b间连线与电缆垂直进行本发明方法测量交流电缆位置，比较交流电缆的测量位置与实际位置的差异，斜率与深度误差约为8%； 

选取两个测量点a与测量点b间连线与电缆水平进行本发明方法测量交流电缆位置，比较测量位置与实际位置的差异，斜率与深度误差约为7%； 

选取两个测量点a与测量点b以任意角度放置进行本发明方法测量交流电缆位置，比较测量位置与实际位置的差异，斜率与深度误差约为9%。 

基于上述方法，本发明还提供一种基于矢量磁场探测的结构简单、低成本的地下电缆定位装置，包括两个三轴磁强计部分1以及安装架2、锁相放大器3、计算机4构成。 

所述三轴磁强计部分1包括骨架101、铜线102构成；其中，骨架101采用正方体结构，通过绕线机将三条铜线102分别沿骨架101的横截面与两个纵截面周向紧密绕制150～200匝；铜线102采用φ0.18mm的漆包线，形成三轴磁强计。上述结构三轴磁强计固定于密封外壳103内，使三条铜线102的一端由外壳103底面引出，并分别接入位于外壳103外部的三个同轴电缆接头104。 

所述安装架2采用绝缘材料制成，包括支座201、纵梁202构成；其中，支座201为由水平设置且相互垂直连接的板A与板B构成的“L”形一体结构；令板A为长边，则板A上沿长方向设计有滑道，滑道上滑动安装有竖直设置的 两根纵梁202；使两根纵梁202在滑道上位置可调节定位。两根纵梁202上分别安装一个三轴磁强计部分1，具体通过三轴磁强计部分1中的外壳103与纵梁202间竖直方向滑动连接，同样使三轴磁强计在纵梁202轴向上位置可调节定位。由此实现两个三轴磁强计部分1的空间位置调节，便于在操作过程中，不同测量点的选取。 

上述两个三轴磁强计部分1中同轴电缆接头104，均通过三根导线与锁相放大器3相连；锁相放大器3通过连接线与计算机4相连；由此通过锁相放大器3接收三轴磁强计部分1测得的测量点电压信号，进行放大后输入到计算机4中进行后续处理。所述锁相放大器3利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应；因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。 

在上述三轴磁强计使用前，为了获知制作三轴磁强计能够检测到多大的磁场，进而推算出所通电流的大小，需要对三周磁强计进行标定。使用由励磁螺线管、励磁线圈102、次级线圈102、锁相放大器3等设备组成的标定仪器依次对两个磁强计的三轴方向进行标定，输入电压从0.1v到1v范围变化，得出输出电压的取值范围，进而获得三轴磁强计的校准曲线。由曲线可知，三轴的灵敏度有差异，但均为线性曲线，符合法拉第电磁感应定律与毕奥萨伐尔定律；最后通过计算得到三轴线圈102测量的灵敏度，用于电压信号与磁场信号的转换。 

上述装置中可在板A与板B以及两个纵梁202上标记刻度，作为在实验室模拟定位测量的量具。通过得到的直线方程，结合刻度，可以得到所测得的直线方程对应的电缆位置，以及电缆深度。 

Claims (8)

1.基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法，其特征在于：通过下述步骤实现：

步骤1：在交流电缆产生的磁场范围内选取一测量点a，并以测量点a点为原点建立空间直角坐标系O_a(x_a,y_a,z_a)，作为基坐标系；并测量得到测量点a处三个方向x_a、y_a、z_a的磁感应强度B_ax、B_ay、B_az；

步骤2：对各测量点a进行下述步骤：

Ⅰ、得到测量点a处的磁场矢量

Ⅱ、过测量点a做垂直于测量点a的磁感应强度

的平面S_a，得到S_a的平面方程；

步骤3：在交流电缆产生的磁场范围内选取测量点b，则测量点b在测量点a的空间直角坐标系O_a(x_a,y_a,z_a)中三轴坐标为x_b、y_b、z_b；返回进行步骤1得到测量点b处三个方向x_b、y_b、z_b的磁感应强度B_bx、B_by、B_bz；随后通过步骤2得到平面方程S_b；

步骤4：联立平面方程S_a、S_b，得到直线方程。

2.如权利要求1所述基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法，其特征在于：所述步骤3中，测量点b的位置为将三轴磁强计沿测量点a的x_a、y_a、z_a方向平移得到。

3.如权利要求1所述基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法，其特征在于：令测量点a与测量点b作为一组测量点，在交流电缆产生的磁场范围内选取多组测量点，得到多个直线方程，结合相近的直线方程，确定交流电缆位置。

4.基于权利要求1所述基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法的地下电缆定位装置，其特征在于：包括两个三轴磁强计以及安装架、锁相放大器、计算机；

所述三轴磁强计包括骨架、铜线构成；其中，铜线为三条，分别沿骨架的横截面与两个纵截面周向紧密绕制在骨架上，形成三轴磁强计；三条铜线的一端分别接入三个电缆接头；

所述安装架包括支座、纵梁构成；其中，支座为由水平设置且相互垂直连接的板A与板B构成；板A上沿长方向设计有滑道，滑道上滑动安装有竖直设置的两根纵梁；两个三轴磁强计分别与两根纵梁竖直方向滑动连接；

上述两个三轴磁强计中同轴电缆接头，均通过三根导线与锁相放大器相连；锁相放大器通过连接线与计算机相连。

5.如权利要求4所述基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法的地下电缆定位装置，其特征在于：所述三条铜线均在骨架上绕制150～200匝。

6.如权利要求4所述基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法的地下电缆定位装置，其特征在于：所述铜线采用

的漆包线。

7.如权利要求4所述基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法的地下电缆定位装置，其特征在于：所述三轴磁强计固定于密封外壳内，使三条铜线的一端由外壳底面引出。

8.如权利要求4所述基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法的地下电缆定位装置，其特征在于：所述板A与板B以及两个纵梁上标记刻度。

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