CN109655925A - 快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所设计的快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统，它包括移动载具及设置在移动载具上的瞬变电磁仪、数据处理器、发射天线和接收天线，其中，瞬变电磁仪的脉冲磁场信号输出端连接发射天线的信号输入端，接收天线的信号输出端连接瞬变电磁仪的瞬变电磁感应电动势信号输入端，瞬变电磁仪的瞬变电磁感应电动势信号输出端连接数据处理器的信号输入端；本发明可提升堤防孔洞探测效率，通过采集X、Y、Z三个方向的感应电动势信号可以更精确地探测堤防孔洞发育情况。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理探测技术领域，具体地指一种快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统及方法。
技术背景
堤防工程是指沿河、渠、湖、海岸或行洪区、分洪区、围垦区的边缘修筑的挡水建筑物，是抵御洪水保证人民生命和财产安全的重要保障，但由于堤防路线长、修建年代久远，普遍存在孔洞、裂缝、松散体、渗漏等安全隐患。当遭遇洪水时，存在隐患的区域极易诱发管涌、滑坡、崩岸等险情，及时探查堤防质量状况，消除堤防隐患，是现代水利工程迫切需要解决的技术难题。瞬变电磁法作为一种有效地探寻高阻孔洞的方法已应用于堤防隐患探测工作中，但在数据采集时采用逐点非连续式采集方式，耗时较长且效率低下，每日探测的堤防里程有限。常规瞬变电磁法一般只采集Z方向的感应电动势数据，从而仅能获取堤防视电阻率信息，无法准确判断电阻率异常区域是否为堤防孔洞，同时，缺少孔洞空间分布特征。
综上所述，采用常规的瞬变电磁法探测堤防孔洞，工作效率低且采集数据受限，无法达到全面探测复杂堤防孔洞的目的，亟需一种快速的针对堤防孔洞的全面探测系统。
发明内容
本发明的目的就是，针对现有的瞬变电磁法探测堤防孔洞效率低精度低等难题，提供一种快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统及方法，可提升堤防孔洞探测效率，通过采集X、Y、Z三个方向(X指的是沿测线方向，Y指垂直于测线方向，Z指竖直方向)的感应电动势信号可以更精确地探测堤防孔洞发育情况。
为实现此目的，本发明所设计的一种快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统，其特征在于，它包括移动载具及设置在移动载具上的瞬变电磁仪、数据处理器、发射天线和接收天线，其中，瞬变电磁仪的脉冲电流信号输出端连接发射天线的信号输入端，接收天线的信号输出端连接瞬变电磁仪的瞬变电磁感应电动势信号输入端，瞬变电磁仪的瞬变电磁感应电动势信号输出端连接数据处理器的信号输入端；
所述发射天线用于在堤防各个测点向堤防当前测点的正下方发射脉冲电流激发的磁场信号；
所述接收天线用于在堤防各个测点接收堤防当前测点返回的沿测线方向、垂直于测线方向和竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号；
所述数据处理器用于根据接收的堤防各个测点返回的竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号反演出堤防各个测点对应测试区域的视电阻率，并根据接收的堤防各个测点返回的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势信号生成瞬变电磁场剖面图。
一种基于上述系统的堤防孔洞瞬变电磁连续探测方法，它包括如下步骤：
步骤1：在被测堤防的顶部沿堤防长度方向预设测线，使移动载具沿测线匀速直线移动；
步骤2：移动载具上的瞬变电磁仪每隔预设时间通过发射天线向堤防当前位置的正下方发射脉冲磁场信号，发射天线发射脉冲磁场信号对应的堤防当前位置即为测点；接收天线接收对应测点返回的沿测线方向、垂直于测线方向和竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号；
步骤3：数据处理器根据竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号计算初始地层模型的视电阻率，利用电磁感应定律计算初始地层模型的瞬变电磁响应，反复调节初始地层模型中的各地层的电阻率，直到初始地层模型的瞬变电磁响应与竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号的拟合差满足预设的精度要求即完成反演计算，得到堤防测试区域的视电阻率，即形成视电阻率图；数据处理器还用于以测点为横轴，分别以接收的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势为纵轴，绘制各时间道曲线，得到该剖面的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁场剖面图；
步骤4：数据处理器还用于确定所述视电阻率图中的电阻率异常区域，并判断阻率异常区域所对应的瞬变电磁场剖面图区域是否存在瞬变电磁场异常，如果存在，则阻率异常区域为对应的堤防孔洞。
本发明的有益效果主要表现在：
本发明提供的一种快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续采集探测系统，通过采集测试区域的电流归一化感应电动势，并根据Z方向的感应电动势反演得到堤防的视电阻率特征，结合X方向和Y方向的感应电动势数据可实现快速准确地探测堤防孔洞的大小和位置。本发明将一体式移动平台和瞬变电磁连续采集系统进行集成，可极大的提升堤防孔洞探测效率，节省人力物力，进一步的，利用高清摄像与瞬变电磁连续探测相结合的手段，使探测的信息更加丰富。通过采集堤防孔洞的X、Y、Z三个方向的瞬变电磁数据，可有效提高堤防孔洞的探测精度，更为后续堤防隐患治理提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中当需要接受沿测线方向的瞬变电磁感应电动势信号时发射天线和接收天线的结构示意图；
图3为本发明中当需要接受垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势信号时发射天线和接收天线的结构示意图；
图4为本发明中当需要接受竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号时发射天线和接收天线的结构示意图。
1—移动载具、1.1—前端移动载具、1.2—后端移动载具、2—瞬变电磁仪、3—数据处理器、4—木质连接杆、5—发射天线、6—接收天线、7—刚性连接杆、8—含照明的摄像仪。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明设计的一种快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统，如图1所示，它包括移动载具1及设置在移动载具1上的瞬变电磁仪2、数据处理器3、发射天线5和接收天线6，其中，瞬变电磁仪2的脉冲电流信号输出端连接发射天线5的信号输入端，接收天线6的信号输出端连接瞬变电磁仪2的瞬变电磁感应电动势信号输入端，瞬变电磁仪2的瞬变电磁感应电动势信号输出端连接数据处理器3的信号输入端；
所述发射天线5用于在堤防各个测点向堤防当前测点的正下方发射脉冲电流激发的磁场信号(可以选择发射频率为0.0625Hz、0.125Hz、0.25Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz和32Hz)；
所述接收天线6用于在堤防各个测点接收堤防当前测点返回的沿测线方向、垂直于测线方向和竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号；
所述数据处理器3用于根据接收的堤防各个测点返回的竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号反演出堤防各个测点对应测试区域的视电阻率，并根据接收的堤防各个测点返回的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势信号生成瞬变电磁场剖面图。
上述技术方案中，移动载具1通过燃油发动机提供动力，通过人工操控台控制载具的行驶方向和速度，记录堤防探测长度，含照明的摄像仪8可实现对堤防表面的图像采集，从而获得更加全面的堤防表面信息。
上述技术方案中，所述移动载具1包括前端移动载具1.1和后端移动载具1.2，前端移动载具1.1和后端移动载具1.2之间通过刚性连接杆7连接，所述瞬变电磁仪2和数据处理器3设置在前端移动载具1.1上，发射天线5和接收天线6设置在后端移动载具1.2上，将移动载具1分为前端移动载具1.1和后端移动载具1.2能减小电磁干扰(主机对天线的干扰)。
上述技术方案中，所述发射天线5为14～16匝，直径为1.2～1.6m，接收天线6为19～21匝、直径为1.2～1.6m。
上述技术方案中，所述发射天线5和接收天线6的采样间隔为1s。
上述技术方案中，如图2～4所示，所述发射天线5和接收天线6设置在木质连接杆4上(上述发射天线5和接收天线6采用重叠回线结构，是相互分离的)，所述发射天线5位于接收天线6的下方，发射天线5的中轴垂直于堤防，当需要采集沿测线方向的瞬变电磁感应电动势信号时，接收天线6平面垂直于发射天线5平面且垂直于测线方向，当需要采集垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势信号时，接收天线6平面垂直于发射天线5平面且平行于测线方向，当需要采集竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号时，接收天线6平面平行于发射天线5平面。当接收天线6采集沿测线方向的瞬变电磁感应电动势信号时发射天线5与接收天线6的天线中心距离为0.8～1.0m(优选0.9m)；当接收天线6采集垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势信号时，发射天线5与接收天线6的天线中心距离为0.8～1.0m(优选0.9m)，当接收天线6采集竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号时，发射天线5与接收天线6的天线中心距离为0.13～0.16m(0.15m)。上述布设方式在保证采集信号强度的同时减少了线圈之间的相互干扰，分离式布设线圈，既保证信号强度，又避免了相互之间的干扰。
上述技术方案中，所述数据处理器3根据竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号确定初始地层模型的视电阻率，利用电磁感应定律计算初始地层模型的瞬变电磁响应，反复调节初始地层模型中的各地层的电阻率，直到初始地层模型的瞬变电磁响应与竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号的拟合差满足预设的精度要求(1％)即完成反演计算，得到堤防各个测点对应测试区域的视电阻率，即形成视电阻率图；数据处理器3还用于以测点为横轴，分别以接收的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势为纵轴，绘制各时间道曲线，得到该剖面的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁场剖面图；
数据处理器3还用于确定所述视电阻率图中的阻率异常区域(将电阻率明显高于周围堤身的区域划定为高阻异常区)，并判断电阻率异常区域所对应的瞬变电磁场剖面图区域是否存在瞬变电磁场异常，如果存在，则电阻率异常区域为对应的堤防孔洞，并确定堤防孔洞的几何特征(如孔洞大小和中心位置)。
一种基于上述系统的堤防孔洞瞬变电磁连续探测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在被测堤防的顶部沿堤防长度方向预设测线，使移动载具1沿测线匀速直线移动(速度为3～5km/h)；
步骤2：移动载具1上的瞬变电磁仪2每隔预设时间(1秒)通过发射天线5向堤防当前位置的正下方发射脉冲磁场信号，发射天线5发射脉冲磁场信号对应的堤防当前位置即为测点；接收天线6接收对应测点返回的沿测线方向、垂直于测线方向和竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号；
步骤3：数据处理器3根据竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号确定初始地层模型的视电阻率，利用电磁感应定律计算初始地层模型的瞬变电磁响应，反复调节初始地层模型中的各地层的电阻率，直到初始地层模型的瞬变电磁响应与竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号的拟合差满足预设的精度要求即完成反演计算，得到堤防各个测点对应测试区域的视电阻率，即形成视电阻率图；数据处理器3还用于以测点为横轴，分别以接收的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势为纵轴，绘制各时间道曲线，得到该剖面的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁场剖面图；
步骤4：数据处理器3还用于确定所述视电阻率图中的阻率异常区域，并判断阻率异常区域所对应的瞬变电磁场剖面图区域是否存在瞬变电磁场异常，如果存在，则阻率异常区域为对应的堤防孔洞。
步骤5，通过视电阻率图和瞬变电磁场剖面图确定堤防孔洞的几何特征。
所述步骤1中，相邻两个测点之间的间距均为0.556m。在每个测点首先测量竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号(即Z向数据)，然后改变接收天线的方向，依次采集沿测线方向(即X向)、垂直于测线方向(即Y向)的感应电动势信号。
上述技术方案中，数据处理器3根据竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号确定初始地层模型的视电阻率的具体公式为：
其中，ρ为视电阻率，AT为发射磁矩，AR为接收磁矩，V/I为接收的电流归一化感应电动势，t为观测时间，单位为s，E-3为指数表示方式。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统，其特征在于，它包括移动载具(1)及设置在移动载具(1)上的瞬变电磁仪(2)、数据处理器(3)、发射天线(5)和接收天线(6)，其中，瞬变电磁仪(2)的脉冲电流信号输出端连接发射天线(5)的信号输入端，接收天线(6)的信号输出端连接瞬变电磁仪(2)的瞬变电磁感应电动势信号输入端，瞬变电磁仪(2)的瞬变电磁感应电动势信号输出端连接数据处理器(3)的信号输入端；
所述发射天线(5)用于在堤防各个测点向堤防当前测点的正下方发射脉冲电流激发的磁场信号；
所述接收天线(6)用于在堤防各个测点接收堤防当前测点返回的沿测线方向、垂直于测线方向和竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号；
所述数据处理器(3)用于根据接收的堤防各个测点返回的竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号反演出堤防各个测点对应测试区域的视电阻率，并根据接收的堤防各个测点返回的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势信号生成瞬变电磁场剖面图。
2.根据权利要求1所述快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统，其特征在于：所述移动载具(1)能以设定速度行驶。
3.根据权利要求1所述快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统，其特征在于：所述移动载具(1)包括前端移动载具(1.1)和后端移动载具(1.2)，前端移动载具(1.1)和后端移动载具(1.2)之间通过刚性连接杆(7)连接，所述瞬变电磁仪(2)和数据处理器(3)设置在前端移动载具(1.1)上，发射天线(5)和接收天线(6)设置在后端移动载具(1.2)上。
4.根据权利要求1或5所述快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统，其特征在于：所述发射天线(5)为14～16匝，直径为1.2～1.6m，接收天线(6)为19～21匝、直径为1.2～1.6m。
5.根据权利要求1或所述快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统，其特征在于：所述发射天线(5)和接收天线(6)的采样间隔为1s。
6.根据权利要求1或所述快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统，其特征在于：所述发射天线(5)位于接收天线(6)的下方，发射天线(5)平面平行于于堤防表面，当需要采集沿测线方向的瞬变电磁感应电动势信号时，接收天线(6)平面垂直于发射天线(5)平面且垂直于测线方向，当需要采集垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势信号时，接收天线(6)平面垂直于发射天线(5)平面且平行于测线方向，当需要采集竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号时，接收天线(6)平面平行于发射天线(5)平面，当接收天线(6)采集沿测线方向的瞬变电磁感应电动势信号时发射天线(5)与接收天线(6)的天线中心距离为0.8～1.0m；当接收天线(6)采集垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势信号时，发射天线(5)与接收天线(6)的天线中心距离为0.8～1.0m，当接收天线(6)采集竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号时，发射天线(5)与接收天线(6)的天线中心距离为0.13～0.16m。
7.根据权利要求1或所述快速移动式堤防孔洞瞬变电磁连续探测系统，其特征在于：所述数据处理器(3)根据竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号确定初始地层模型的视电阻率，利用电磁感应定律计算初始地层模型的瞬变电磁响应，反复调节初始地层模型中的各地层的电阻率，直到初始地层模型的瞬变电磁响应与竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号的拟合差满足预设的精度要求即完成反演计算，得到堤防各个测点对应测试区域的视电阻率，即形成视电阻率图；数据处理器(3)还用于以测点为横轴，分别以接收的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势为纵轴，延测线方向绘出各时间道曲线，得到该剖面的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁场剖面图；
数据处理器(3)还用于确定所述视电阻率图中的阻率异常区域，并判断阻率异常区域所对应的瞬变电磁场剖面图区域是否存在瞬变电磁场异常，如果存在，则阻率异常区域为对应的堤防孔洞。
8.一种基于权利要求1所述系统的堤防孔洞瞬变电磁连续探测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在被测堤防的顶部沿堤防长度方向预设测线，使移动载具(1)沿测线匀速直线移动；
步骤2：移动载具(1)上的瞬变电磁仪(2)每隔预设时间通过发射天线(5)向堤防当前位置的正下方发射脉冲磁场信号，发射天线(5)发射脉冲磁场信号对应的堤防当前位置即为测点；接收天线(6)接收对应测点返回的沿测线方向、垂直于测线方向和竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号；
步骤3：数据处理器(3)根据竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号确定初始地层模型的视电阻率，利用电磁感应定律计算初始地层模型的瞬变电磁响应，反复调节初始地层模型中的各地层的电阻率，直到初始地层模型的瞬变电磁响应与竖直方向的瞬变电磁感应电动势信号的拟合差满足预设的精度要求即完成反演计算，得到堤防各个测点对应测试区域的视电阻率，即形成视电阻率图；数据处理器(3)还用于以测点为横轴，分别以接收的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁感应电动势为纵轴，绘制各时间道曲线，得到该剖面的沿测线方向和垂直于测线方向的瞬变电磁场剖面图；
步骤4：数据处理器(3)还用于确定所述视电阻率图中的阻率异常区域，并判断阻率异常区域所对应的瞬变电磁场剖面图区域是否存在瞬变电磁场异常，如果存在，则阻率异常区域为对应的堤防孔洞。
9.根据权利要求8所述的堤防孔洞瞬变电磁连续探测方法，其特征在于：所述步骤4后还包括步骤5，通过视电阻率图和瞬变电磁场剖面图确定堤防孔洞的几何特征。
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