CN114721059A - 一种基于瞬变电磁法的地下成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于瞬变电磁法的地下成像方法，包括如下步骤：S1采用瞬变电磁法收发装置采集到相关的信号；S2对采集到的信号进行预处理；S3设计地下空间结构的正演仿真分析；S4通过视电导率成像方法实现地下成像；通过本发明，该方法对结构复杂、材料属性多样化的地下空间建筑进行正演仿真，仿真表明能够在不同参数下获取地下结构的图像信息，为后续的地下成像研究提供新的思路。

Description

一种基于瞬变电磁法的地下成像方法

技术领域

本发明涉及一种基于瞬变电磁法的地下成像方法，属于高端装备制造中的电磁技术领域。

背景技术

瞬变电磁法，也被称为时间域电磁法，与频率域电磁法同为主动探测方式，与之不同的是，瞬变电磁法的激励波形为一脉冲波形，通过检测脉冲关断后二次场随时间的衰测减特性进行地下介质进行探测。该方法在脉冲间隙期间接收二次磁场信号，不存在一次场干扰的问题，可采用同点组合的探测方式，与地下介质的耦合效果好、异常响应强、分层能力强；并且瞬变电磁法所使用的激励磁场低频成分较多，发射磁矩也较大，因此能够探测到深层的目标信息。

然而，在航空瞬变电磁探测方面研究较多，测量结果也较为丰富。相较于正常的地质探测，地下空间环境复杂，各类地下设施深浅不一，材料属性多样化，探测难度更高，对于地下空间的研究也相对较少。

因此，本发明采用了瞬变电磁法，通过一种新型的数据进行正演计算和数据解释方法得到地下图像。

发明内容

本发明提供了一种基于瞬变电磁法的地下成像方法，该方法对结构复杂、材料属性多样化的地下空间建筑进行正演仿真，仿真表明能够在不同参数下获取地下结构的图像信息，为后续的地下成像研究提供新的思路。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于瞬变电磁法的地下成像方法，其特征是，包括如下步骤：

S1、设计收发装置采用瞬变电磁法收发装置采集到相关的信号；

由PC端控制参考信号发生装置产生指定脉宽的方波信号输入到电流源，使其输出相同脉宽的脉冲波形，继而输入到发射线圈中，并利用接收线圈接收由地下介质产生的衰减二次场信号(感应电压信号)；

S2、对采集到的信号进行预处理；

采用N次重复采集得到的响应信号进行叠加取均值处理，从而达到消除随机噪声、提高响应信号信噪比的效果；

在瞬变电磁法中，衰减响应信号由多个频率分量组成，为保证有用信号的波形在滤波前后尽可能地不失真，对相位特性要求较高，选用FIR滤波器；

在瞬变电磁探测实验中，数据采样很密集，响应信号数据量较大，对于这些数据全部进行后续处理会花费大量的时间，因此缩减数据量，提高工作效率，采用抽道叠加处理，更进一步地提高信号信噪比，同时压缩数据量；

S3、设计地下空间结构的正演仿真分析；

根据地下空间结构-地铁站设计了整条测线下的仿真模型，结合有效电磁参数计算方式对城市环境特有的钢筋混凝土结构选取三种有效电导率和有效磁导率参数值用于仿真计算；在仿真模型中提取了四种单点模型，并在相同有效电磁参数不同模型和相同模型不同有效电磁参数下进行正演仿真计算对比分析；

S4、通过视电导率成像方法实现地下成像；

将与某一时刻的电磁响应相同的均匀半空间模型的电导率作为该时刻地下不均匀介质的视电导率，根据电磁扩散原理，在某一时刻电磁场扩散到某一特定深度，定义为视深度，该深度与扩散深度存在一定的比例关系，将视深度与视电导率组合即可进行视电导率深度成像。

步骤S4中，采用一种叠层递推的方式对视深度h_j进行定义，即：

式中，a和b都是经验系数，t_j为第j个时间道对应的采样时刻，h_j为第j个时间道对应的视深度，σ_j为第j个时间道对应的视电导率μ₀为空气的磁导率；

利用晚期视电阻率计算公式作为全程视电阻率的值；电阻率与电导率互为倒数，视电导率可由视电阻率转换得到；

式中，μ₀为真空磁导率，I为发射电流强度，a为圆形发射线圈半径,t为断电后的观测时间；

计算全部测点各抽道时刻的视电导率和视深度，并利用Surfer软件进行插值、成像。

本发明方法先进科学，通过本发明，提供的一种基于瞬变电磁法的地下成像方法，有益效果为：解决了若某一时间道的视电导率比上一时间道视电导率大，则本时间道对应的视深度可能比上一时间道的视深度小的问题。为地下空间成像研究提供参考意义。

附图说明

图1为探测系统原理图；

图2为仿真简化模型图；

图3为相同钢筋混凝土参数下整条测线的正演响应图；

图4为模型视电导率成像图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

步骤1：采用瞬变电磁法收发装置采集到相关的信号；

由图1所示收发仪器的发射线圈为1m*1m的矩形发射线圈，匝数为3匝，接收线圈为直径0.5m的圆形线圈，匝数为20匝，在测量过程中，收发线圈的离地高度均近似看作0m。输出电压设置为250V，脉宽为2ms，匹配电阻选用1.2kΩ，低噪声放大器选择6阶低通滤波，通带截止频率为30kHz，10倍放大，数据采集装置的采样率为1MHz。

步骤2：对采集到的信号进行处理；

对采集信号进行瞬态叠加处理，本发明以单个测点为例，进行多次测量并叠加。选用通带截止频率为30kHz的FIR低通滤波器对采集信号进行抑噪处理。针对瞬态叠加、FIR滤波后的数据，进行抽道叠加处理。

步骤3：设计地下空间结构的正演仿真分析；

如图2所示；异常体地铁结构距离地面约为2.5m，仿真模型包含了地铁站的空腔模型(包括立柱、隔层结构)、空腔两侧的围护模型和地铁站两侧的均匀半空间模型，主要分为土壤覆盖层、钢筋混凝土层、空气层和地基层，异常体埋深的深度最大值为19.5m。沿剖面方向布置测线，整条测线长约36m，其中含地铁结构的部分长约28m。在仿真模型中，设置土壤覆盖层介质的电导率为0.02S/m，磁导率为1×μ₀(μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m)；空气层的电导率为0S/m，磁导率为1×μ₀；地基层的电导率为0.001S/m，磁导率为1×μ₀。将整条测线下同一时间道的响应相连，不同颜色的线段代表不同时间道，得出不同时间道下的响应随测线的变化情况。利用不同的钢筋混凝土结构有效电磁参数进行计算，分别得到图3。

步骤4：通过视电导率成像方法实现地下成像；

对全部测点预处理后的数据进行计算，得到各抽道时刻的视电导率和视深度，并利用Surfer软件进行插值、成像，如图4所示。在图4中，位置1和位置2处的视电导率明显高于周围其余测点部分，且在深度上高的视电导率存在的范围较长，对照实际测区情况，可以判断该部分对应的测点下方为地铁站两边界的围护结构，围护结构中存在钢筋网，因此电导率较高，且围护结构在深度范围上存在于地铁站底端到顶端之间，范围较广。而两位置中间部分测点的视电导率明显较低，对应于地铁站的空腔部分，该部分测点下方存在钢筋混凝土结构，但钢筋混凝土结构仅存在于地铁站顶端、中间隔层及底端部分，在范围上较小，因此在图中，电导率低于两侧围护，且高电导率部分在深度范围上较小。

在视电导率计算结果中，测点9、测点10、测点11、测点32、测点33下方最深处的视电导率约为400-600S/m，这一计算结果可为接下来的反演定量计算提供初值设置参考。同样地，图中视电导率出现负值及较高数值的情况为插值结果，与插值方式的选取有关。利用该方法计算的深度值不准确，可用于对地下结构作定性分析提供参考。

Claims (2)

1.一种基于瞬变电磁法的地下成像方法，其特征是，包括如下步骤：

S1、采用瞬变电磁法收发装置采集到相关的信号；

由PC端控制参考信号发生装置产生指定脉宽的方波信号输入到电流源，使其输出相同脉宽的脉冲波形，继而输入到发射线圈中，并利用接收线圈接收由地下介质产生的衰减二次场信号，即，感应电压信号；

S2、对采集到的信号进行预处理；

采用N次重复采集得到的响应信号进行叠加取均值处理，从而达到消除随机噪声、提高响应信号信噪比的效果；

在瞬变电磁法中，衰减响应信号由多个频率分量组成，为保证有用信号的波形在滤波前后尽可能地不失真，对相位特性要求较高，选用FIR滤波器；

在瞬变电磁探测实验中，数据采样很密集，响应信号数据量较大，对于这些数据全部进行后续处理会花费大量的时间，因此缩减数据量，提高工作效率，采用抽道叠加处理，更进一步地提高信号信噪比，同时压缩数据量；

S3、设计地下空间结构的正演仿真分析；

根据地下空间结构-地铁站设计了整条测线下的仿真模型，结合有效电磁参数计算方式对城市环境特有的钢筋混凝土结构选取三种有效电导率和有效磁导率参数值用于仿真计算；在仿真模型中提取了四种单点模型，并在相同有效电磁参数不同模型和相同模型不同有效电磁参数下进行正演仿真计算对比分析；

S4、通过视电导率成像方法实现地下成像；

将与某一时刻的电磁响应相同的均匀半空间模型的电导率作为该时刻地下不均匀介质的视电导率，根据电磁扩散原理，在某一时刻电磁场扩散到某一特定深度，定义为视深度，该深度与扩散深度存在一定的比例关系，将视深度与视电导率组合即可进行视电导率深度成像。

2.根据权利要求1所述的一种基于瞬变电磁法的地下成像方法，其特征是，步骤S4中，采用一种叠层递推的方式对视深度h_j进行定义，即：

式中，a和b都是经验系数，t_j为第j个时间道对应的采样时刻，h_j为第j个时间道对应的视深度，σ_j为第j个时间道对应的视电导率，μ₀为空气的磁导率；

利用晚期视电阻率计算公式作为全程视电阻率的值；电阻率与电导率互为倒数，视电导率可由视电阻率转换得到；

式中，μ₀为真空磁导率，I为发射电流强度，a为圆形发射线圈半径,t为断电后的观测时间；

计算全部测点各抽道时刻的视电导率和视深度，并利用Surfer软件进行插值、成像。

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