CN110989011A - 城市地下空间拖曳式瞬变电磁自动探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地球物理勘探设备领域，涉及一种城市地下空间拖曳式瞬变电磁自动探测装置及探测方法，该装置包括：拖曳车通过拖曳牵引杆与拖曳移动平台连接，拖曳移动平台包括四个设置有增量式编码器的拖曳平台轮；通过测速主控器用于捕获四个增量式编码器产生的四路脉冲信号并计数，进而计算车速和行驶距离；比较平均速度值和速度门限值，并产生电平信号给系统主控器；接收系统主控器发送的工作模式指令、工作参数、启动指令和停止指令；根据速度自动设置激发频率25Hz或925Hz双极性方波，低频对深层进行成像，高频对浅层高效率探测，可以满足不同勘探需求，对于浅层自动设置高频激发实现快速探测，对于深层自动设置低频激发实现慢速大深度探测。

Description

城市地下空间拖曳式瞬变电磁自动探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探设备领域，具体而言，涉及一种城市地下空间拖曳式瞬变电磁自动探测装置及探测方法。

背景技术

随着城市经济和社会的发展，城市建设用地规模不断扩大，土地资源锐减，开发城市地下空间已然成为今后土地利用的发展方向。然而，由于地层的自然缺陷和人为缺陷，开发城市地下空间的施工过程中事故频发。因此，利用物探技术先行了解地层结构，辨别地下异常体具有重要意义。

城市地下空间的主要用于市政管线设施、交通设施、仓储设施、防灾建设；评估城市地下空间资源，对城市地下工程的规划、设计和施工至关重要。但城市地下空间深度范围大，各深度地层缺陷不同，例如，在老城区，城市浅层地下的管道位置不确定，在城市地下工程的建设中，市政管道被无意间破坏的事故时常发生，因此需要在地下工程施工前对浅地层进行探测；而在一些城市地区，需要对较深地层的状况进行探测，例如排查路面下方地层的空洞，常规探测手段无法满足不同的勘探需求。

传统的地面瞬变电磁在野外施工时，需要选定一条测线，按测线距离分配测点，并逐点布线测量；地面拖曳式瞬变电磁系统则可以进行连续测量，将瞬变电磁收发系统、发射线圈、接收线圈整合在一个可移动的拖曳平台上，在一条测线上拖动实现整条测线的测量。拖曳式瞬变电磁系统与传统瞬变电磁系统相比，最大的优势就是能沿着测线进行连续的测量，从而缩短施工时间，节约施工成本，实现大面积快速测量。

CN11046517A公开了一种用于地下探测的低噪声拖曳式电磁系统，设计了一种海底探测装置，降低了海洋噪声对仪器性能的影响，该方法能对海底含烃物质进行勘探；

CN109001822A公开了一种适用于城市环境的车载移动式电阻率探测系统及工作方法，能够实现无损地面式电阻率勘探，该方法利用车载的方式布置勘探测线和探测系统装置，降低环境复杂噪声环境；

上述两种方法在电磁探测中效果显著，但不适用于城市地下空间各地层状况的精确探测，无法满足装置在城市中快速均匀移动探测。瞬变电磁系统的激发频率影响不同深度地层的分辨率，在不同的激发频率下，地层会出现不一样的电阻率响应，高频激发对浅层的分辨率高，而低频激发对深层的分辨率高，单一频率激发无法对不同深度地层同时完成准确成像。此外，拖曳车的速度难以时刻保持均匀，每个激发间隔对应拖曳移动平台在测线上运动的距离不同，所获得的数据在经过解释后由此而产生偏差，降低数据解释的准确度，造成探测结果与地下真实情况不符，尤其是在老城区，管道铺设复杂密集，更需要精细测量，传统的探测方式难以满足要求。同时，拖曳式瞬变电磁系统在施工时沿测线快速移动，接收线圈上会耦合复杂的噪声干扰，主要包括电力系统引起的工频噪声和发射电流未完全关断造成的一次场干扰，瞬变电磁信号微弱，如果噪声干扰过大，会影响后期的数据处理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种城市地下空间拖曳式瞬变电磁自动探测装置及工作方法，解决现有的探测方法施工效率低、探测分辨率地和测量准确度低的问题。

本发明是这样实现的，一种城市地下空间拖曳式瞬变电磁自动探测装置，该装置包括：拖曳车通过拖曳牵引杆与拖曳移动平台连接，控制端置于拖曳车上包括PC上位机和第一无线收发模块，

所述拖曳移动平台：用于承载瞬变电磁收发系统、蓄电池、接收线圈、发射线圈、以及补偿线圈的非金属移动平台，在拖曳移动平台包括四个设置有设置有增量式编码器的拖曳平台轮；

所述PC上位机：用于向瞬变电磁收发系统发送工作模式指令和工作参数；向瞬变电磁收发系统发送启动指令和停止指令；

所述第一无线收发模块：用于PC上位机与载瞬变电磁收发系统的主控器之间的数据无线传输，并于置于与拖曳移动平台上的第二无线收发模块配对；

所述瞬变电磁收发系统，放置在拖曳移动平台上，包括系统主控器、测速主控器、可调恒流DC-DC变换器、H桥斩波电路、前置放大器、信号调理电路、数据采集卡、工控机、以及第二无线收发模块，

所述系统主控器：用于接收PC上位机发送的工作模式指令、工作参数、启动指令和停止指令；向测速主控器发送工作模式指令和工作参数；向测速主控器发送启动指令和停止指令；调整可调恒流DC-DC变换器的输出电压V_set；产生PWM信号控制H桥斩波电路通过发射线圈和补偿线圈产生双极性方波探测磁场；接收测速主控器产生的电平信号，调整PWM信号频率；用于接收测速主控器产生的脉冲信号，进而控制系统产生单周期的双极性方波探测磁场；并用于产生触发信号，控制数据采集卡采集二次场信号；

所述测速主控器：用于捕获四个增量式编码器产生的四路脉冲信号并计数，进而计算车速和行驶距离；比较平均速度值和速度门限值，并产生电平信号给系统主控器；接收系统主控器发送的工作模式指令、工作参数、启动指令和停止指令；

第二无线收发模块：用于PC上位机与系统主控器之间的数据无线传输，与第一无线收发模块配对。

进一步地，所述增量式编码器安装在拖曳平台轮上，增量式编码器的转轴和拖曳平台轮的轮轴通过联轴器连接，增量式编码器通过编码器支架安装在车轮支架上，当拖曳平台移动时，拖曳平台轮转动带动增量式编码器转轴旋转，二者角速度相同。

进一步地，所述接收线圈为多匝小线圈，用于接收瞬变电磁二次场信号；

所述发射线圈为多匝大线圈，用于载流双极性方波电流，产生双极性方波探测磁场；

所述补偿线圈与发射线圈共回线，绕制方向与发射线圈相反，用于产生与一次磁场相反的磁场，抵消在发射电流关断期间一次磁场在接收线圈上的直接耦合干扰。

进一步地，PC上位机设置工作模式和工作参数，工作模式指令包括半自动探测模式和自动探测模式选择指令、连续/均匀激发模式选择指令，激发参数包括速度门限值v_set，激发距离间隔值l_set，激发频率f_set，发射电压V_set；PC上位机向系统主控器发送工作模式指令，系统主控器在接收到指令后，向PC上位机发送回执，工作模式指令发送结束；接着，PC上位机向系统主控器发送工作参数，系统主控器在接收到参数后，向PC上位机发送回执，工作参数发送结束；系统主控器将速度门限值v_set和激发距离间隔值l_set发送给测速主控器，测速主控器在接收到速度门限值v_set和激发距离间隔值l_set后，向系统主控器发送回执。

一种城市地下空间拖曳式瞬变电磁自动探测方法，该方法包括：

拖曳移动平台与拖曳车连接，发射回线铺设以及接收回线铺设，拖曳车和拖曳移动平台位置调整：操作人员驾驶拖曳车沿测线方向缓慢行驶，调整拖曳车和拖曳移动平台的位置，直至拖曳车和拖曳移动平台的中心线与测线重合；

控制置于拖曳车的PC上位机设置工作模式和工作参数，工作模式指令包括半自动探测模式和自动探测模式选择指令、连续/均匀激发模式选择指令，激发参数包括速度门限值v_set，激发距离间隔值l_set，激发频率f_set，发射电压V_set；

激发和采集：系统主控器根据工作模式指令和工作参数，控制系统整体启动，若为半自动探测模式，执行步骤b1；

b1、半自动探测模式：系统按发射电压V_set，系统主控器将可调恒流DC-DC变换器输出电压调整至V_set。若采用连续测量模式，执行步骤b11；若采用均匀测量模式，执行步骤b12。

b11、半自动探测模式下的连续测量：系统主控器产生两路频率均为f_set、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路进行工作；H桥斩波电路通过发射线圈和补偿线圈发射占空比为25％，频率为f_set的双极性方波探测磁场。系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储，直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集；

b12、半自动探测模式下的均匀测量：系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄，测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，四路编码器脉冲计数值清零重新计数，测速主控器向系统主控器发送一个脉冲，系统主控器在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为的双极性方波探测磁场，四路脉冲信号计数值清零并重新计数。系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储。直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集，系统主控器向测速主控器发送停止计数指令，系统停止对四个编码器输出的脉冲计数。

进一步地，

若为自动探测模式，执行步骤b2；

b2、自动探测模式：系统按发射电压V_set，系统主控器将可调恒流DC-DC变换器8输出电压调整至V_set。系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数时长为100毫秒，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄；测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶速度v_m，

四路脉冲信号计数值清零并重新计数，计数时长为100毫秒，以此重复计数50次，测速主控器记录50个速度值v_m1，v_m2……，v_m50，并计算速度平均值

若采用连续测量模式，执行步骤b21；若采用均匀测量模式，执行步骤b12；

b21、自动探测模式下的连续测量：将速度平均值

与v_set相比较，当

时，系统进行浅层快速探测，测速主控器产生一个高电平信号，系统主控器检测到高电平信号，产生两路频率均为925Hz、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路进行工作；H桥斩波电路通过发射线圈和补偿线圈发射占空比为25％，频率为925Hz的双极性方波探测磁场。系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储，直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集；

当

时，系统进行中浅层探测，测速主控器产生一个低电平信号，系统主控器检测到低电平信号，产生两路频率均为25Hz、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路进行工作；H桥斩波电路通过发射线圈和补偿线圈发射占空比为25％，频率为25Hz的双极性方波探测磁场。系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储，直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集。

b22、自动探测模式下的均匀测量：

将速度平均值

与v_set相比较，当

时，系统进行浅层快速探测，测速主控器产生一个高电平信号，系统主控器检测到高电平信号，系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄，测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，四路脉冲信号计数值清零并重新计数，测速主控器向系统主控器发送一个脉冲，系统主控器在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为925Hz的双极性方波探测磁场。

系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡10进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储。直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集，系统主控器向测速主控器发送停止计数指令，系统停止对四个编码器输出的脉冲计数；

将速度平均值

与v_set相比较，当

时，系统进行中浅层探测，测速主控器产生一个低电平信号，系统主控器检测到低电平信号。系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄。测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，测速主控器向系统主控器5发送一个脉冲，系统主控器在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为25Hz的双极性方波探测磁场，四路脉冲信号计数值清零并重新计数。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明采用基于增量式编码技术的测量行驶距离方法，根据实际设定的测点距离自动激发，可以保证每次激发的间距相同，有效的解决了一条测线上测点不均匀的问题，对地下空间进行精确成像。

本发明装置根据速度自动设置激发频率25Hz或925Hz双极性方波，低频对深层进行成像，高频对浅层高效率探测，可以满足不同勘探需求，对于浅层自动设置高频激发实现快速探测，对于深层自动设置低频激发实现慢速大深度探测；

本发明在拖曳移动平台上采用与发射线圈共回线的同心补偿线圈，产生反向磁场，抵消一次磁场在接收线圈上的直接耦合，有效解决了受一次场耦合影响盲区大的问题；

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1示出了本发明系统结构及铺设方法示意图；

图2示出了本发明工作流程示意图；

图3示出了本发明工作流程中系统结构及位置调整过程示意图；

图4示出了本发明工作流程中工作模式设置过程示意图；

图5示出了本发明工作流程中半自动探测模式下连续测量的系统激发和采集过程示意图；

图6示出了本发明工作流程中半自动探测模式下均匀测量的系统激发和采集过程示意图；

图7示出了本发明工作流程中自动探测模式下连续测量的系统激发和采集过程示意图；

图8示出了本发明工作流程中自动探测模式下均匀测量的系统激发和采集过程示意图；

图9示出了本发明系统结构及铺设方法中增量式编码器与平台轮的连接方式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种城市地下空间拖曳式瞬变电磁自动探测装置，由PC上位机1与第一无线收发模块2连接，系统主控器5与第二无线收发模块6、数据采集卡10、测速主控器4、可调恒流DC-DC变换器8、H桥斩波电路9连接，第一无线收发模块2和第二无线收发模块6通过无线通信连接，测速主控器4与第一增量式编码器13、第二增量式编码器14、第三增量式编码器15、第四增量式编码器16连接，可调恒流DC-DC变换器8与H桥斩波电路9连接，H桥斩波电路9与发射线圈19连接，发射线圈19与补偿线圈18连接，数据采集卡10与工控机7、信号调理电路11连接，信号调理电路11与前置放大器12连接，前置放大器12与接收线圈20连接，第一增量式编码器13与第一拖曳平台轮25连接，第二增量式编码器14与第二拖曳平台轮26连接，第三增量式编码器15与第三拖曳平台轮27连接，第四增量式编码器16与第四拖曳平台轮28连接，拖曳车21与拖曳移动平台17通过拖曳车锁钩23、拖曳平台锁钩24、拖曳牵引杆22连接，蓄电池3与瞬变电磁收发系统连接构成。

如图1所示，拖曳车21通过拖曳牵引杆22与拖曳移动平台17连接，拖曳牵引杆22固定在拖曳车锁钩23和拖曳平台锁钩24上，置于拖曳车上的操作人员控制端包括PC上位机1和第一无线收发模块2，拖曳车21用于牵引拖曳移动平台17；拖曳牵引杆22用于连接拖曳车21和拖曳移动平台17；拖曳车锁钩23用于拖曳车21和拖曳牵引杆22的牢固连接；拖曳平台锁钩24用于拖曳移动平台17和拖曳牵引杆22的牢固连接；拖曳移动平台17用于承载瞬变电磁收发系统、蓄电池3、接收线圈20、发射线圈19、补偿线圈18的非金属移动平台；PC上位机1用于向瞬变电磁收发系统发送工作模式指令和工作参数；向瞬变电磁收发系统发送启动指令和停止指令；第一无线收发模块2用于PC上位机1与系统主控器5之间的数据无线传输，与第二无线收发模块6配对；

如图1所示，瞬变电磁收发系统放置在拖曳移动平台17上，包括系统主控器5、测速主控器4、可调恒流DC-DC变换器8、H桥斩波电路9、前置放大器12、信号调理电路11、数据采集卡10、工控机7、第二无线收发模块6，系统主控器5用于接收PC上位机1发送的工作模式指令和工作参数；用于接收PC上位机1发送的启动指令和停止指令；用于向测速主控器4发送工作模式指令和工作参数；用于向测速主控器4发送启动指令和停止指令；用于调整可调恒流DC-DC变换器8的输出电压V_set；用于产生PWM信号控制H桥斩波电路9通过发射线圈19和补偿线圈18产生双极性方波探测磁场；用于接收测速主控器4产生的电平信号，调整PWM信号频率；用于接收测速主控器4产生的脉冲信号，进而控制系统产生单周期的双极性方波探测磁场；用于产生触发信号，控制数据采集卡10采集二次场信号；用于捕获第一增量式编码器13、第二增量式编码器14、第三增量式编码器15、第四增量式编码器16产生的四路脉冲信号并计数，进而计算车速和行驶距离；

测速主控器4用于比较平均速度值和速度门限值，并产生电平信号给系统主控器5；接收系统主控器5发送的工作模式指令和工作参数；接收系统主控器5发送的启动指令和停止指令；第二无线收发模块6用于PC上位机1与系统主控器5之间的数据无线传输，与第一无线收发模块2配对；可调恒流DC-DC变换器8用于电压变换，恒流驱动H桥斩波电路9；前置放大器12用于放大接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号；信号调理电路11用于对前置放大器12输出的差分信号进行放大和滤波；数据采集卡10用于模数转换，在触发信号作用下，将调理后的模拟信号转换成数字信号，并将其传送至工控机存储；工控机7用于存储数据采集卡10采集到的瞬变电磁信号；H桥斩波电路9用于蓄电池3中的直流电转换为双极性方波，激发发射线圈19和补偿线圈18产生双极性方波探测磁场；蓄电池3用于给整套瞬变电磁收发系统提供能量。

如图1所示，接收线圈20、发射线圈19、补偿线圈18承载在拖曳移动平台17上，接收线圈20为多匝小线圈，用于接收瞬变电磁二次场信号；发射线圈19为多匝大线圈，用于载流双极性方波电流，产生双极性方波探测磁场；补偿线圈18与发射线圈共回线，绕制方向与发射线圈18相反，用于产生与一次磁场相反的磁场，抵消在发射电流关断期间一次磁场在接收线圈19上的直接耦合干扰；

如图1所示，增量式编码器包括：第一增量式编码器13安装在第一拖曳平台轮25上，第二增量式编码器14安装在第二拖曳平台轮26上，第三增量式编码器15安装在第三拖曳平台轮27上，第四增量式编码器16安装在第四拖曳平台轮28上，增量式编码器与拖曳平台轮之间的安装如图9所示，增量式编码器93的转轴和车轮95的轮轴通过联轴器94，增量式编码器93通过编码器支架92安装在车轮支架91上，当拖曳平台移动时，车轮转动带动编码器转轴旋转，二者角速度相同。

一种拖曳式瞬变电磁自动探测方法，如图2所示，包括以下步骤：

①系统结构铺设及位置调整，如图3所示。

a、拖曳移动平台连接：操作人员将拖曳牵引杆22连接到拖曳车钩锁23和拖曳平台钩24锁上，保证两个钩锁和牵引杆连接牢固，牵引杆长度L_s单位为米，满足：

2.0≤L_s≤5.0

b、发射回线铺设：操作人员以拖曳移动平台17的中心为线圈中心，在平台上铺设边长为a₁，匝数为N₁的正方形发射线圈19和边长为a₂，匝数为N₂的正方形补偿线圈18，发射线圈19和补偿线圈18为同一回线，绕制方向相反，其中N₁和N₂都是整数，发射线圈19和补偿线圈18的匝数和几何尺寸根据所需探测深度而确定，铺设过程中尽量保证补偿线圈18的中心与发射线圈19的中心重合，其匝数关系满足：

N₁＝4N₂

N₁≥4

N₂≥1

补偿线圈18的边长a₂根据发射线圈19的边长a₁而确定，单位为米，其边长满足：

a₁＝4a₂

1.0≤a₁≤2.0

c、接收回线铺设：操作人员以拖曳移动平台17的中心为线圈中心，在平台上铺设半径为r，匝数为N_rx的圆形接收线圈20，接收线圈20的匝数和尺寸具体根据探测环境的背景噪声确定，铺设过程中尽量保证补偿线圈18的中心与发射线圈19的中心重合。接收线圈半径满足：

0.2a₂≤r≤0.4a₂

d、拖曳车和拖曳移动平台位置调整：操作人员驾驶拖曳车21沿测线方向缓慢行驶，调整拖曳车21和拖曳移动平台17的位置，直至拖曳车21和拖曳移动平台17的中心线与测线重合。

②系统工作模式设置，如图4所示

a、工作模式和工作参数设置：操作人员控制置于拖曳车的PC上位机1设置工作模式和工作参数，工作模式指令包括半自动/自动探测模式选择指令、连续/均匀激发模式选择指令，激发参数包括速度门限值v_set，激发距离间隔值l_set，激发频率f_set(25Hz或925Hz)，发射电压V_set。PC上位机1向系统主控器5发送工作模式指令，系统主控器5在接收到指令后，向PC上位机1发送回执，工作模式指令发送结束；接着，PC上位机1向系统主控器5发送工作参数，系统主控器5在接收到参数后，向PC上位机1发送回执，工作参数发送结束。该无线通信过程通过第一无线收发模块2和第二无线收发模块6完成。系统主控器5将速度门限值v_set和激发距离间隔值l_set发送给测速主控器4，测速主控器4在接收到速度门限值v_set和激发距离间隔值l_set后，向系统主控器5发送回执。

③系统激发和采集过程

a、发送启动指令：操作人员通过PC上位机1向系统主控器5发送启动指令，同时发动拖曳车21，驾驶拖曳车21沿测线行驶。系统主控器5向测速主控器4发送启动指令，测速主控器4向系统主控器5发送回执。

b、激发和采集：系统主控器5根据工作模式指令和工作参数，控制系统整体启动。若为半自动探测模式，执行步骤b1；若为自动探测模式，执行步骤b2。

b1、半自动探测模式：系统按发射电压V_set，系统主控器5将可调恒流DC-DC变换器8输出电压调整至V_set。若采用连续测量模式，执行步骤b11；若采用均匀测量模式，执行步骤b12。

b11、半自动探测模式下的连续测量：

如图5所示，系统主控器5产生两路频率均为f_set(25Hz或925Hz)、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路9进行工作，在频谱上避开50Hz工频噪声以及其高频谐波噪声干扰，有效的解决了电力线工频噪声干扰造成信噪比低的问题；H桥斩波电路9通过发射线圈19和补偿线圈18发射占空比为25％，频率为f_set的双极性方波探测磁场。系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器5在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡10开始采集，接收线圈19上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器12和信号调理电路11后进入数据采集卡10进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机7存储，直至PC上位机1向系统主控器5发送停止指令，停止发射和采集。

b12、半自动探测模式下的均匀测量：

如图6所示，系统中的测速主控器4对第一增量式编码器13、第二增量式编码器14、第三增量式编码器15、第四增量式编码器16产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄。测速主控器4根据四个计数值计算出平均值

测速主控器4根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，四路编码器脉冲计数值清零重新计数，测速主控器4向系统主控器5发送一个脉冲，系统主控器5在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为f_set(25Hz或925Hz)的双极性方波探测磁场，四路脉冲信号计数值清零并重新计数。系统主控器5在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡10开始采集，接收线圈19上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器12和信号调理电路11后进入数据采集卡10进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机7存储。直至PC上位机1向系统主控器5发送停止指令，停止发射和采集，系统主控器5向测速主控器4发送停止计数指令，系统停止对四个编码器输出的脉冲计数。

b2、自动探测模式：系统按发射电压V_set，系统主控器5将可调恒流DC-DC变换器8输出电压调整至V_set。系统中的测速主控器4对第一增量式编码器13、第二增量式编码器14、第三增量式编码器15、第四增量式编码器16产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数时长为100毫秒，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄。测速主控器4根据四个计数值计算出平均值

测速主控器4根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶速度v_m，

四路脉冲信号计数值清零并重新计数，计数时长为100毫秒，以此重复计数50次，测速主控器4记录50个速度值(v_m1，v_m2……，v_m50)，并计算速度平均值

若采用连续测量模式，执行步骤b21；若采用均匀测量模式，执行步骤b12。

b21、自动探测模式下的连续测量：

如图7所示，测速主控器4将速度平均值

与v_set相比较，当

时，系统进行浅层快速探测，测速主控器4产生一个高电平信号，系统主控器5检测到高电平信号，产生两路频率均为925Hz、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路9进行工作；H桥斩波电路9通过发射线圈19和补偿线圈18发射占空比为25％，频率为925Hz的双极性方波探测磁场。系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器5在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡10开始采集，接收线圈19上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器12和信号调理电路11后进入数据采集卡10进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机7存储，直至PC上位机1向系统主控器5发送停止指令，停止发射和采集；

当

时，系统进行中浅层探测，测速主控器4产生一个低电平信号，系统主控器5检测到低电平信号，系统主控器5产生两路频率均为25Hz、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路9进行工作；H桥斩波电路9通过发射线圈19和补偿线圈18发射占空比为25％，频率为25Hz的双极性方波探测磁场。系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器5在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡10开始采集，接收线圈19上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器12和信号调理电路11后进入数据采集卡10进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机7存储，直至PC上位机1向系统主控器5发送停止指令，停止发射和采集。

b22、自动探测模式下的均匀测量：

如图8所示，将速度平均值

与v_set相比较，当

时，系统进行浅层快速探测，测速主控器4产生一个高电平信号，系统主控器5接收到高电平信号。系统中的测速主控器4对第一增量式编码器13、第二增量式编码器14、第三增量式编码器15、第四增量式编码器16产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄。测速主控器4根据四个计数值计算出平均值

测速主控器4根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，四路脉冲信号计数值清零并重新计数，测速主控器4向系统主控器5发送一个脉冲，系统主控器5在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为925Hz的双极性方波探测磁场。

系统主控器5在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡10开始采集，接收线圈19上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器12和信号调理电路11后进入数据采集卡10进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机7存储。直至PC上位机1向系统主控器5发送停止指令，停止发射和采集，系统主控器5向测速主控器4发送停止计数指令，系统停止对四个编码器输出的脉冲计数。

将速度平均值

与v_set相比较，当

时，系统进行中浅层探测，测速主控器4产生一个低电平信号，系统主控器5接收到低电平信号。系统中的测速主控器4对第一增量式编码器13、第二增量式编码器14、第三增量式编码器15、第四增量式编码器16产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄。测速主控器4根据四个计数值计算出平均值

测速主控器4根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，测速主控器4向系统主控器5发送一个脉冲，系统主控器5在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为25Hz的双极性方波探测磁场。

系统主控器5在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡10开始采集，接收线圈19上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器12和信号调理电路11后进入数据采集卡10进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机7存储。直至PC上位机1向系统主控器5发送停止指令，停止发射和采集，系统主控器5向测速主控器4发送停止计数指令，系统停止对四个编码器输出的脉冲计数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种城市地下空间拖曳式瞬变电磁自动探测装置，其特征在于，该装置包括：拖曳车通过拖曳牵引杆与拖曳移动平台连接，控制端置于拖曳车上包括PC上位机和第一无线收发模块，

所述拖曳移动平台：用于承载瞬变电磁收发系统、蓄电池、接收线圈、发射线圈、以及补偿线圈的非金属移动平台，在拖曳移动平台包括四个设置有设置有增量式编码器的拖曳平台轮；

所述PC上位机：用于向瞬变电磁收发系统发送工作模式指令和工作参数；向瞬变电磁收发系统发送启动指令和停止指令；

所述第一无线收发模块：用于PC上位机与载瞬变电磁收发系统的主控器之间的数据无线传输，并于置于与拖曳移动平台上的第二无线收发模块配对；

所述瞬变电磁收发系统，放置在拖曳移动平台上，包括系统主控器、测速主控器、可调恒流DC-DC变换器、H桥斩波电路、前置放大器、信号调理电路、数据采集卡、工控机、以及第二无线收发模块，

所述系统主控器：用于接收PC上位机发送的工作模式指令、工作参数、启动指令和停止指令；向测速主控器发送工作模式指令和工作参数；向测速主控器发送启动指令和停止指令；调整可调恒流DC-DC变换器的输出电压V_set；产生PWM信号控制H桥斩波电路通过发射线圈和补偿线圈产生双极性方波探测磁场；接收测速主控器产生的电平信号，调整PWM信号频率；用于接收测速主控器产生的脉冲信号，进而控制系统产生单周期的双极性方波探测磁场；并用于产生触发信号，控制数据采集卡采集二次场信号；

所述测速主控器：用于捕获四个增量式编码器产生的四路脉冲信号并计数，进而计算车速和行驶距离；比较平均速度值和速度门限值，并产生电平信号给系统主控器；接收系统主控器发送的工作模式指令、工作参数、启动指令和停止指令；

第二无线收发模块：用于PC上位机与系统主控器之间的数据无线传输，与第一无线收发模块配对。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述增量式编码器安装在拖曳平台轮上，增量式编码器的转轴和拖曳平台轮的轮轴通过联轴器连接，增量式编码器通过编码器支架安装在车轮支架上，当拖曳平台移动时，拖曳平台轮转动带动增量式编码器转轴旋转，二者角速度相同。

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述接收线圈为多匝小线圈，用于接收瞬变电磁二次场信号；

所述发射线圈为多匝大线圈，用于载流双极性方波电流，产生双极性方波探测磁场；

所述补偿线圈与发射线圈共回线，绕制方向与发射线圈相反，用于产生与一次磁场相反的磁场，抵消在发射电流关断期间一次磁场在接收线圈上的直接耦合干扰。

4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，PC上位机设置工作模式和工作参数，工作模式指令包括半自动探测模式和自动探测模式选择指令、连续/均匀激发模式选择指令，激发参数包括速度门限值v_set，激发距离间隔值l_set，激发频率f_set，发射电压V_set；PC上位机向系统主控器发送工作模式指令，系统主控器在接收到指令后，向PC上位机发送回执，工作模式指令发送结束；接着，PC上位机向系统主控器发送工作参数，系统主控器在接收到参数后，向PC上位机发送回执，工作参数发送结束；系统主控器将速度门限值v_set和激发距离间隔值l_set发送给测速主控器，测速主控器在接收到速度门限值v_set和激发距离间隔值l_set后，向系统主控器发送回执。

5.按照权利要求4所述的装置，其特征在于，所述半自动探测模式包括：半自动探测模式下的连续测量和半自动探测模式下的均匀测量，其中半自动探测模式下的连续测量包括：系统主控器产生两路频率均为f_set、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路进行工作；H桥斩波电路通过发射线圈和补偿线圈发射占空比为25％，频率为f_set的双极性方波探测磁场；系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储，直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集；

所述半自动探测模式下的均匀测量的过程为：系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄；测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，四路编码器脉冲计数值清零重新计数，测速主控器向系统主控器发送一个脉冲，系统主控器在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为f_set的双极性方波探测磁场，四路脉冲信号计数值清零并重新计数；统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储，直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集，系统主控器向测速主控器发送停止计数指令，系统停止对四个编码器输出的脉冲计数。

6.按照权利要求4所述的装置，其特征在于，所述自动探测模式包括：系统按发射电压V_set，系统主控器将可调恒流DC-DC变换器输出电压调整至V_set，系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数时长为100毫秒，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄，测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶速度v_m，

四路脉冲信号计数值清零并重新计数，计数时长为100毫秒，以此重复计数50次，测速主控器记录50个速度值v_m1，v_m2……，v_m50，并计算速度平均值

7.按照权利要求6所述的装置，其特征在于，若采用自动探测模式下的连续测量包括：将速度平均值

与速度门限值v_set相比较，当

时，系统进行浅层快速探测，测速主控器产生一个高电平信号，系统主控器检测到高电平信号，产生两路频率均为925Hz、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路进行工作；H桥斩波电路通过发射线圈和补偿线圈发射占空比为25％，频率为925Hz的双极性方波探测磁场；系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储，直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集；

当

时，系统进行中浅层探测，测速主控器产生一个低电平信号，系统主控器检测到低电平信号，产生两路频率均为25Hz、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路进行工作；H桥斩波电路通过发射线圈和补偿线圈发射占空比为25％，频率为25Hz的双极性方波探测磁场；系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储，直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集。

8.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，若采用自动探测模式下的均匀测量，则包括：

将速度平均值

与速度门限值v_set相比较，当

时，系统进行浅层快速探测，测速主控器产生一个高电平信号，系统主控器检测到高电平信号，系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄，测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，四路脉冲信号计数值清零并重新计数，测速主控器向系统主控器发送一个脉冲，系统主控器在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为925Hz的双极性方波探测磁场；

系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡10进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储。直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集，系统主控器向测速主控器发送停止计数指令，系统停止对四个编码器输出的脉冲计数；

将速度平均值

与v_set相比较，当

时，系统进行中浅层探测，测速主控器产生一个低电平信号，系统主控器检测到低电平信号，系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄。测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，测速主控器向系统主控器发送一个脉冲，系统主控器在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为25Hz的双极性方波探测磁场，四路脉冲信号计数值清零并重新计数。

9.一种城市地下空间拖曳式瞬变电磁自动探测方法，其特征在于，该方法包括：

拖曳移动平台与拖曳车连接，发射回线铺设以及接收回线铺设，拖曳车和拖曳移动平台位置调整：操作人员驾驶拖曳车沿测线方向缓慢行驶，调整拖曳车和拖曳移动平台的位置，直至拖曳车和拖曳移动平台的中心线与测线重合；

控制置于拖曳车的PC上位机设置工作模式和工作参数，工作模式指令包括半自动探测模式和自动探测模式选择指令、连续/均匀激发模式选择指令，激发参数包括速度门限值v_set，激发距离间隔值l_set，激发频率f_set，发射电压V_set；

激发和采集：系统主控器根据工作模式指令和工作参数，控制系统整体启动，若为半自动探测模式，执行步骤b1；

b1、半自动探测模式：系统按发射电压V_set，系统主控器将可调恒流DC-DC变换器输出电压调整至V_set。若采用连续测量模式，执行步骤b11；若采用均匀测量模式，执行步骤b12。

b11、半自动探测模式下的连续测量：系统主控器产生两路频率均为f_set、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路进行工作；H桥斩波电路通过发射线圈和补偿线圈发射占空比为25％，频率为f_set的双极性方波探测磁场。系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储，直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集；

b12、半自动探测模式下的均匀测量：系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄，测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，四路编码器脉冲计数值清零重新计数，测速主控器向系统主控器发送一个脉冲，系统主控器在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为的双极性方波探测磁场，四路脉冲信号计数值清零并重新计数。系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储。直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集，系统主控器向测速主控器发送停止计数指令，系统停止对四个编码器输出的脉冲计数。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，

若为自动探测模式，执行步骤b2；

b2、自动探测模式：系统按发射电压V_set，系统主控器将可调恒流DC-DC变换器8输出电压调整至V_set。系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数时长为100毫秒，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄；测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶速度v_m，

四路脉冲信号计数值清零并重新计数，计数时长为100毫秒，以此重复计数50次，测速主控器记录50个速度值v_m1，v_m2……，v_m50，并计算速度平均值

若采用连续测量模式，执行步骤b21；若采用均匀测量模式，执行步骤b12；

b21、自动探测模式下的连续测量：将速度平均值

与v_set相比较，当

时，系统进行浅层快速探测，测速主控器产生一个高电平信号，系统主控器检测到高电平信号，产生两路频率均为925Hz、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路进行工作；H桥斩波电路通过发射线圈和补偿线圈发射占空比为25％，频率为925Hz的双极性方波探测磁场。系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储，直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集；

当

时，系统进行中浅层探测，测速主控器产生一个低电平信号，系统主控器检测到低电平信号，产生两路频率均为25Hz、占空比均为25％且互补的PWM信号，控制H桥斩波电路进行工作；H桥斩波电路通过发射线圈和补偿线圈发射占空比为25％，频率为25Hz的双极性方波探测磁场。系统连续发射双极性方波探测磁场，系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储，直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集。

b22、自动探测模式下的均匀测量：

将速度平均值

与v_set相比较，当

时，系统进行浅层快速探测，测速主控器产生一个高电平信号，系统主控器检测到高电平信号，系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄，测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，四路脉冲信号计数值清零并重新计数，测速主控器向系统主控器发送一个脉冲，系统主控器在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为925Hz的双极性方波探测磁场。

系统主控器在每个方波关断时产生触发信号，触发数据采集卡开始采集，接收线圈上感应到的瞬变电磁二次场信号经过前置放大器和信号调理电路后进入数据采集卡10进行A/D采集，采集到的信号发送至工控机存储。直至PC上位机向系统主控器发送停止指令，停止发射和采集，系统主控器向测速主控器发送停止计数指令，系统停止对四个编码器输出的脉冲计数；

将速度平均值

与v_set相比较，当

时，系统进行中浅层探测，测速主控器产生一个低电平信号，系统主控器检测到低电平信号。系统中的测速主控器对增量式编码器产生的四路脉冲信号进行捕获并计数，计数值分别为n₁、n₂、n₃、n₄。测速主控器根据四个计数值计算出平均值

测速主控器根据平均脉冲个数

增量式编码器总线数n_en和车轮半径r_w计算行驶距离l_m，

当行驶距离l_m大于等于激发距离间隔值l_set时，测速主控器向系统主控器5发送一个脉冲，系统主控器在接收到这个脉冲后，发射时长为一个周期，占空比为25％，频率为25Hz的双极性方波探测磁场，四路脉冲信号计数值清零并重新计数。

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