CN112710219B - 一种面向城市地下空间的绝对位移检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向城市地下空间的绝对位移检测方法，包括：一、将若干个上述脉冲磁场发生器装置排序编号，并按规定坐标位置，顺序安装在地下空间内部；二、在地面用三轴磁通门传感装置测出每个地磁异常点位置的磁场强度的动态值；三、取动态值中的峰值和与相应脉冲磁场发生器装置的初始值做差分运算；四、通过将差分得到的磁场强度计算推导，得到每个脉冲磁场发生器装置的坐标位置参数，实现定位；通过对每个脉冲磁场发生器装置的实际位置与其初始给定坐标比较，获得每个脉冲磁场发生器装置的绝对偏移量；五、再将每个脉冲磁场发生器装置的绝对偏移量进行统筹整理，推导出整个地下空间的绝对偏移量。本发明成本较低，操作简单，自动化程度高。

Description

一种面向城市地下空间的绝对位移检测方法

技术领域

本发明涉及地下空间量测技术领域，具体为一种一种面向城市地下空间的绝对位移检测方法。

背景技术

随着我国经济和社会不断发展，如地下商场、地铁、地下通道等地下空间建设规模逐步扩大，可是在地下勘查、地铁隧道掘进等地壳运动中，必然会扰动原岩的自然平衡状态，引起地下空间附近围岩内的应力重新分布，形成新的应力状态，使之岩层产生变形、移动，进而导致地下空间发生位移。为避免地下空间发生坍塌等事故，需对整个地下空间进行安全监测，对其因发生绝对偏移导致的失稳破坏进行及时预报。

常规采用的相对位移监控量测虽然能够监测出地下空间拱顶下沉量和周边收敛量，但无法监测出地下空间整体位移情况。目前，在测量地下空间绝对位移技术中，测量的方法有三维位移监测系统、时域反射技术(TDR)等。

三维位移监测系统的基本思想是将一台全站仪固定在地下空间适当位置，并选定一个固定的后视方向，通过极坐标法获得各监测点的三维坐标，利用差分定位求得监测点的三维绝对变形量。这种方法存在以下缺点：监测整个地下空间需要运用多台全站仪，全站仪造价昂贵且设备长时间处于地下容易损坏；需要技术人员到现场人工测量，操作繁琐，耗时费力。

时域反射技术(TDR)是一种电子测量技术，该技术是将同轴电缆埋入地下内部的监测钻孔内，并连接监测设备。监测设备实时监测同轴电缆中的反射波信号，把测试信号与反射信号相比较，根据二者的异常情况就可以判别同轴电缆的状态。由此可以推断出同轴电缆发生变化的位置，然后推算出该位置的变形位移量。这种方法存在以下缺点：它不能无法确定偏移方向；需要从地面打通一个通道至地下空间内部，用于放置电缆，其工程量大，成本高，操作繁琐。

发明内容

本发明为了克服上述背景技术中提到的缺陷，提供了一种面向城市地下空间的绝对位移检测方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种面向城市地下空间的绝对位移检测方法，该方法中需要若干个用于产生周期性电磁场的脉冲磁场发生器装置。

所述脉冲磁场发生器装置包括：用于保护整个装置不受损坏的外部保护壳，用于产生磁场的激磁线圈，具有RF通信接收模块和电源封装的单片机控制系统，开关线路，定向稳定仪；所述开关线路使单片机控制系统和激磁线圈相连接；所述单片机控制系统用于控制开关线路闭合、提供电源；所述激磁线圈、单片机控制系统、开关线路封装在定向稳定仪内部；所述定向稳定仪封装在外部保护壳内部。

工作时，由单片机控制开启、关闭的激磁线圈用于装置通电后产生磁场；开关线路由单片机系统控制其打开和关闭，另一端连接激磁线圈；具有RF通信接收模块和电源封装的单片机控制系统与激磁线圈通过开关线路相连，根据RF通信信号启动或关闭，单片机控制系统根据烧录的程序周期性打开、关闭线路开关，用于使激磁线圈不断地开启和关闭，从而产生一个周期性的脉冲磁场；天线模块封装在单片机系统内部，用于使单片机接收RF控制信号；定向稳定仪用于将上述器件封装在其内部，保证内部激磁线圈的方向始终保持一致；保护外壳将上述所有器件放置内部，用于保护装置不受破坏。

根据本脉冲磁场发生器装置，因定向稳定仪的作用，使其内部的激磁线圈的方向始终保持一致，从而使激磁线圈的磁矩方向恒定。平时磁场发生器装置处于休眠状态，即单片机处于关闭状态。工作人员从地面给单片机传输一个RF开启信号，控制单片机开启，之后单片机按给定时间周期性打开、关闭激磁线圈通电开关，因此可以得到一种动态的、周期性的脉冲电磁信号用于地面传感器检测。数据处理完毕后，工作人员再从地面给单片机传输一个RF关闭信号，使单片机继续进入休眠状态，节省电源消耗。与背景技术提到的全站仪相比，该装置体积较小，作用范围较大，可实现地下空间的全覆盖。

将本脉冲磁场发生器装置固定在地下空间指定位置上，成为地下空间的一部分，当地下空间由于附近围岩内的应力作用发生形变，导致脉冲磁场发生器装置发生位移。由于脉冲磁场发生器装置的位移量和地下空间的位移量是一致的，用脉冲磁场发生器装置产生的位移量便可代表地下空间的位移量。

利用此装置，测量地下空间绝对位移的具体方法包括以下步骤：

步骤一、将若干个上述脉冲磁场发生器装置排序编号，并按规定坐标位置[Xi,Yi,Zi]，顺序安装在地下空间内部；

步骤二、在地面用三轴磁通门传感装置作为接收器，测出每个地磁异常点位置的磁场强度的动态值；

步骤三、取动态值中的峰值和与相应脉冲磁场发生器装置的初始值做差分运算，得到ΔB；

步骤四、假设脉冲磁场发生器装置作为磁体中心，其实际位置表示为[a,b,c]T，通过将差分得到的磁场强度计算推导，得到每个脉冲磁场发生器装置的坐标位置参数[a,b,c]T和[m,n,p]T，实现对脉冲磁场发生器装置的定位；通过对每个脉冲磁场发生器装置的实际位置[a,b,c]T与该脉冲磁场发生器装置的初始给定坐标[Xi,Yi,Zi]比较，获得每个脉冲磁场发生器装置的绝对偏移量；

步骤五、再将每个脉冲磁场发生器装置的绝对偏移量进行统筹整理，推导出整个地下空间的绝对偏移量。

根据本测量地下空间绝对位移的方法，三轴磁通门传感装置精度为0.01nT。根据已有结论，在传感器精度为0.01nT，距离磁源30米时定位的误差接近于0。一般人类活动频繁的地下空间如商场、地铁在地下30米以内，在这个距离采用高精度传感器定位可实现零误差。

根据本测量地下空间绝对位移的方法，步骤一的作用是：每一个磁场发生器装置作用一定区域，通过将其编号，可区分出磁场信号，确定是哪一部分区域发生位移。

根据本测量地下空间绝对位移的方法，步骤二和步骤三的作用是：通过将测量点磁场强度的峰值和初始值作差分运算，计算结果可排除大地磁场的干扰，可实现下一步对磁场发生器装置的定位。

根据本测量地下空间绝对位移的方法，步骤四测得的位置参数包括磁场发生器装置的三维坐标和方向矢量参数。人工电磁定位不依靠大地磁场，而是一种人工营造的磁场，该磁场在几何尺寸上无法与大地磁场相比，但是在局部范围内，仍可视作一个强磁信号。对于城市地下空间，一般都在地下30米以内，因此在这种范围内，采用这种人工磁场进行定位是行之有效的。通过测量磁场的矢量参数，可精确计算磁源的当前位置。一般地下岩石层都不是强磁性物质，其地层土壤的相对磁导率都非常接近于1，磁信号能够穿透数十米的地层，这对磁场定位是天然优势，磁场定位非常适合应用于地下空间的位移检测。然而，如果以恒定磁场作为地磁异常点测得的磁场感应强度包含了地球背景磁场，存在磁性目标的磁感应强度与地球磁感应强度分离困难的问题。因此，如果以脉冲磁场作为地磁异常点，先利用传感器测得一组动态的磁感应强度数据，再将测得的磁感应强度的峰值和初始值做差分运算后，得到的磁感应强度差值便可以理解为是由脉冲磁场激发产生的。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明没有运用复杂电路设备和仪器，此装置成本低、布设简单且性能稳定。

2、本发明和传统测量方式对比不需要人亲自到地下测量，其自动化、智能化程度高。

本发明设计合理，成本较低，操作简单，自动化程度高，具有很好地实际应用价值。

附图说明

图1表示脉冲磁场发生器装置示意图。

图2表示本发明方法中脉冲磁场发生器装置安装分布示意图。

图中：1-单片机控制系统，2-激磁线圈，3-定向稳定仪，4-外部保护壳，5-开关线路；100-地面，101-隧道拱顶，102-脉冲磁场发生器装置(传感器)，103-地下岩石层，104-接收器(三轴磁通门传感装置)，105-计算模块，106-显示系统；Ⅰ-绝对位移量，Ⅱ-偏移前磁场发生器位置，Ⅲ-偏移后磁场发生器位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种面向城市地下空间的绝对位移检测方法，如下：

该方法中需要若干个脉冲磁场发生器装置，脉冲磁场发生器装置如图1所示，包括：用于保护整个装置不受损坏的外部保护壳4，用于产生磁场的激磁线圈2，一个具有RF通信接收模块和电源封装的单片机控制系统1，一个开关线路5，定向稳定仪3。该开关线路5使单片机控制系统1和激磁线圈2相连接；单片机控制系统1用于控制开关线路闭合、提供电源；激磁线圈2、单片机控制系统1、开关线路5封装在定向稳定仪3内部，定向稳定仪3特别是用于保持激磁线圈2方向不变；定向稳定仪3封装在外部保护壳4内部。

具体实施时，激磁线圈由单片机控制开启、关闭，用于装置通电后产生磁场。开关线路由单片机系统控制其打开和关闭，另一端连接激磁线圈。

具体实施时，单片机器件选用低功耗单片机芯片，如MSP430。具有RF通信接收模块和电源封装的单片机控制系统与激磁线圈通过开关线路相连，根据RF通信信号启动或关闭，单片机控制系统根据烧录的程序周期性打开、关闭线路开关，用于使激磁线圈不断地开启和关闭，从而产生一个周期性的脉冲磁场；其中，天线与单片机系统连接，用于使单片机接收RF控制信号；单片机选用低功耗单片机如MSP430。

具体实施时，定向稳定仪用于将上述器件封装在其内部，保证内部激磁线圈的方向始终保持一致。定向稳定仪选用质量轻、体积小、成本低、精度高仪器，如光纤陀螺稳定仪。

具体实施时，保护外壳将上述所有器件放置内部，用于保护装置不受破坏；保护外壳选用电磁穿透率高、耐磨损、抗冲击的环氧复合材料。

本实施例中，以图2所示地下隧道为例，提供一种基于磁场测量出地下隧道整体绝对位移的方法，具体包括如下步骤：

步骤一、将若干个上述脉冲磁场发生器装置排序编号，并按规定坐标位置[Xi,Yi,Zi]，顺序安装在在地下隧道拱顶支护上，确保装置覆盖整个地下隧道。

步骤二、在地面用三轴磁通门传感装置作为接收器，测出每个地磁异常点位置的磁场强度的动态值；三轴磁通门传感装置选择精度为0.01nT。

步骤三、接收器将测得数据输送给计算模块，然后取动态值中的峰值和与相应脉冲磁场发生器装置的初始值做差分运算，得到ΔB。通过将测量点磁场强度的峰值和初始值作差分运算，计算结果可排除大地磁场的干扰。

步骤四、假设脉冲磁场发生器装置作为磁体中心，其实际位置表示为[a,b,c]T，通过将差分得到的磁场强度计算推导，得到每个脉冲磁场发生器装置的实际坐标位置参数[a,b,c]T和[m,n,p]T，实现对脉冲磁场发生器装置的定位；具体如下：

(1)、当磁定位仪距磁源超过一定距离时，可将磁源视为一个磁偶极子模型。假设脉冲磁场发生器装置作为磁体中心，其实际位置用矢量[a,b,c]T表示；在初始位置[X_i,Y_i,Z_i]T上放置脉冲磁场发生器装置，其磁场强度B即为：

N为传感器数量；μ_r为相对导磁率(空气中μ_r＝1)；μ₀为真空导磁率(μ₀＝4π×10^-7H/m)；M_T为磁信标的磁距(表征N磁体磁场强度的常数)；

(2)、P_f([xf-a,yf-b,zf-c]T)表示第f个传感器位置相对磁体中心位置的矢量，公式为：

(3)、H₀([m,n,p]T)表示表征磁体在传感器点磁场方向的矢量，公式为：

m²+n²+p²＝1；

(4)、将(1)中公式展开分别得到B_x,B_y,B_z的表达式，根据(2)和(3)得到的参数计算出[a,b,c]T和[m,n,p]T；因为有6个位置参数需要求解，因此需要传感器数目N≥6。但是(3)中公式为恒等式，因此需要传感器的数目N≥5。B_x,B_y,B_z的表达式为：

从而计算出每个脉冲磁场发生器装置的实际位置参数a、b、c和m、n、p，实现对每个脉冲磁场发生器装置的定位。

通过对每个脉冲磁场发生器装置的实际位置[a,b,c]T与该脉冲磁场发生器装置的初始给定坐标[Xi,Yi,Zi]比较，获得每个脉冲磁场发生器装置的绝对偏移量，如图2所示。

步骤五、统计出各个脉冲磁场发生装置的绝对偏移量，整理得到整个地下空间的绝对偏移量，最后将结果传输给显示系统显示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (3)

1.一种面向城市地下空间的绝对位移检测方法，其特征在于：该方法中需要若干个脉冲磁场发生器装置，所述脉冲磁场发生器装置包括：用于保护整个装置不受损坏的外部保护壳(4)，用于产生磁场的激磁线圈(2)，具有RF通信接收模块和电源封装的单片机控制系统(1)，开关线路(5)，定向稳定仪(3)；所述开关线路(5)使单片机控制系统(1)和激磁线圈(2)相连接；所述单片机控制系统(1)用于控制开关线路闭合、提供电源；所述激磁线圈(2)、单片机控制系统(1)、开关线路(5)封装在定向稳定仪(3)内部；所述定向稳定仪(3)封装在外部保护壳(4)内部；

具体方法如下：

步骤一、将若干个上述脉冲磁场发生器装置排序编号，并按规定坐标位置[Xi,Yi,Zi]，顺序安装在地下空间内部；

步骤二、在地面用三轴磁通门传感装置作为接收器，测出每个地磁异常点位置的磁场强度的动态值；

步骤三、取动态值中的峰值和与相应脉冲磁场发生器装置的初始值做差分运算，得到ΔB；

步骤四、假设脉冲磁场发生器装置作为磁体中心，其实际位置表示为[a,b,c]T，通过将差分得到的磁场强度计算推导，得到每个脉冲磁场发生器装置的坐标位置参数[a,b,c]T和[m,n,p]T，实现对脉冲磁场发生器装置的定位；具体如下：

(1)、假设脉冲磁场发生器装置作为磁体中心，其实际位置用矢量[a,b,c]T表示；在初始位置[X_i,Y_i,Z_i]T上放置脉冲磁场发生器装置，其磁场强度B即为：

N为传感器数量；μ_r为相对导磁率；μ₀为真空导磁率；M_T为脉冲磁场发生器装置的磁距；

(2)、P_f([xf-a,yf-b,zf-c]T)表示第f个传感器位置相对磁体中心位置的矢量，公式为：

(3)、H₀([m,n,p]T)表示表征磁体在传感器点磁场方向的矢量，公式为：

m²+n²+p²＝1；

(4)、将(1)中公式展开分别得到B_x,B_y,B_z的表达式，根据(2)和(3)得到的参数计算出[a,b,c]T和[m,n,p]T；由于脉冲磁场发生器装置的数目N≥5；B_x,B_y,B_z的表达式为：

从而计算出每个脉冲磁场发生器装置的实际位置参数a、b、c和m、n、p，实现对每个脉冲磁场发生器装置的定位；

通过对每个脉冲磁场发生器装置的实际位置[a,b,c]T与该脉冲磁场发生器装置的初始给定坐标[Xi,Yi,Zi]比较，获得每个脉冲磁场发生器装置的绝对偏移量；

步骤五、再将每个脉冲磁场发生器装置的绝对偏移量进行统筹整理，推导出整个地下空间的绝对偏移量。

2.根据权利要求1所述的一种面向城市地下空间的绝对位移检测方法，其特征在于：所述三轴磁通门传感装置选择精度为0.01nT。

3.根据权利要求2所述的一种面向城市地下空间的绝对位移检测方法，其特征在于：所述脉冲磁场发生器装置的数量最少为5个。

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