CN115561822A - 一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法和系统，包括以下步骤：S1：发射模块向地下发射高频电磁波；S2：接收模块接收电磁波反射信号；S3：分析模块基于电磁波反射信号的运动特征生成图像和3D模型；S4：显示模块显示3D模型。系统包括：发射模块，用于产生和发射高频电磁波；接收模块，用于接收电磁波反射信号；分析模块，用于根据电磁波反射信号的运动特征生成图像和3D模型，连接接收模块；映射模块，用于匹配电磁波反射信号和3D模型的对应关系，连接分析模块；显示模块，用于显示3D模型，连接分析模块和映射模块。本发明的有益效果是：能基于高频电磁波探测地底空洞。

Description

一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的 方法和系统

技术领域

本发明涉及回填层空洞探测技术领域，特别涉及一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法和系统。

背景技术

目前，特高压变电站在建设施工中，由于回填层填筑材料不适宜、不同的填料混合空隙大、碾压不规范造成压实度不够、站内回填层内各种管线、地下接地网地下设施周围水体渗透等原因都会直接或间接的导致产生回填层空洞。回填层空洞是特高压变电站地基发生变形最大的病害诱因，在特高压变电站投运后存在极大的安全隐患。因此，在特高压变电站投运后进行长期性周期性回填层空洞探测十分必要。

现有技术中，通常使用声波探测成像的方法探测是否存在异常缝洞，利用反射波探测缝洞等隐蔽储层构造，将探测距离从三米扩展至几十米，填补了缝洞勘探空白，但是存在不能探测地底空洞的问题。

例如，一种在中国专利文献上公开的“远探测声波逆时偏移成像方法及装置”，其公告号：CN108897046A，其申请日：2018年08月23日，该发明获取远探测声波测井数据并进行预处理，从预处理后的远探测声波测井数据中提取纵横波时差及反射波，根据纵横波时差构建偏移速度模型，基于偏移速度模型进行第一次震源波场正向延拓，以在正向延拓过程中利用激发振幅成像条件获得激发时间，基于偏移速度模型进行第二次震源波场正向延拓，并保存以激发时间为中心的指定时窗内的震源波场，基于反射波进行检波点波场逆向延拓，并保存以激发时间为中心的指定时窗内的检波点波场，对指定时窗内的震源波场及检波点波场进行互相关成像，具有减少远探测声波逆时偏移成像的数据存储的优点，但是存在不能探测地底空洞的问题。

发明内容

针对现有技术不能探测地底空洞的不足，本发明提出了一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法和系统，能基于高频电磁波探测地底空洞。

以下是本发明的技术方案，一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法，包括以下步骤：

S1：发射模块向地下发射高频电磁波；

S2：接收模块接收电磁波反射信号；

S3：分析模块基于电磁波反射信号的运动特征生成图像和3D模型；

S4：显示模块显示3D模型。

本方案中，发射模块向地下发射高频电磁波，接收模块接收电磁波反射信号，分析模块基于电磁波反射信号的运动特征生成图像和3D模型，显示模块显示3D模型，使用高频电磁波采集数据成像时，无须直接接触被测物体，可以快速获取检测对象的影响，不会影响物体的物理状态和几何结构，能基于高频电磁波探测地底空洞，获取被检测区域影像后，利用专业的遥感图像处理技术对图像进行处理和解译，区分不同的目标和物体，处理结果精度高。

作为优选，S3还包括：若3D模型和实际相符，映射模块基于电磁波反射信号匹配3D模型；若3D模型和实际不相符，调整3D模型至与实际相符，映射模块基于电磁波反射信号匹配调整后的3D模型。

本方案中，映射模块分别获取电磁波反射信号和3D模型，电磁波反射信号主要为振幅和相位，通过校验的方式确定3D模型和实际是否存在区别，若存在区别，则手动修改3D模型，调整3D模型至与实际相符，映射模块可主动修正视图模型和电磁波反射信号的映射关系，并能根据历史探测结果提高测探准确率。

作为优选，采用C语言编程读取Y文件，并转化为十进制文件，Y文件经过数据预处理换转化为X文件，X文件通过功率谱分析和最小二乘法估算张量阻抗得到Z文件。

本方案中，采用C语言编程读取Y文件的时间序列文件，并将之转化为十进制文件，并编制程序实现波形显示和时频转换，Y文件数据采用二进制格式存储，经过数据预处理换转化为X文件，X文件通过功率谱分析和最小二乘法估算张量阻抗得到Z文件(阻抗文件)，Z文件是数据处理的最终文件。

作为优选，基于电磁波反射信号将回填层分为完整带、破碎带和富水带；

其中，完整带没有高频电磁波的反射信号，频率变化小，同向轴连续、均一且平行，电磁波反射信号振幅弱；破碎带的电磁波反射信号呈现不均匀的低频或中频特征信号，频率变化大且无规律，同向轴错断不连续，电磁波反射信号振幅较强；富水带的地磁波反射信号为均匀的低频信号，同向轴连续均一，呈层面状反射，电磁波反射信号振幅强。

本方案中，基于电磁波反射信号将回填层分为完整带、破碎带和富水带，不同类型的回填层的电磁波反射信号具有较为明显的差异，便于快速判断地底结构情况，将电磁波反射信号匹配不同的回填层类型，加快匹配速度从而提高效率。

作为优选，分析模块获取电磁波反射信号，根据电磁波反射信号在映射模块中查找是否存在映射3D模型，若存在映射3D模型，则应用该3D模型，若不存在映射3D模型，则根据电磁波反射信号获取扫描图像，利用遥感图像处理技术对图像进行处理和解译，并将处理结果以3D模型形式显示。

本方案中，分析模块获取电磁波反射信号后，优先将电磁波反射信号信息输入至映射模块，在映射模块中查找是否存在对应的映射3D模型，若存在3D模型则在显示模块显示对应的3D模型；若不存在对应的映射3D模型，则根据电磁波反射信号获取扫描图像，利用遥感图像处理技术对图像进行处理和解译，并将处理结果以3D模型形式显示于显示模块，使用已被验证的3D模型能提高模型生成速度和准确率。

一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的系统，包括：

发射模块，用于产生和发射高频电磁波；

接收模块，用于接收电磁波反射信号；

分析模块，用于根据电磁波反射信号的运动特征生成图像和3D模型，连接接收模块；

映射模块，用于匹配电磁波反射信号和3D模型的对应关系，连接分析模块；

显示模块，用于显示3D模型，连接分析模块和映射模块。

作为优选，发射模块产生的电磁波为窄脉冲、宽带高频电磁波。

本方案中，在一定的时间段上，脉冲越窄，说明其所占时长越短，相应容纳不同时长的脉冲就越多，所以频带就越宽，窄脉冲、宽带高频电磁波能更好的渗入地底，从而探测地底空洞。

作为优选，接收模块为接收天线。

本方案中，接收模块用于接收电磁波，同步移动的接收天线接收反射回的电磁波。

作为优选，分析模块的雷达主机记录电磁波反射信号的运动特征。

本方案中，通过分析雷达主机精确记录反射回的电磁波的运动特征，获得地下介质的断面扫描图像，通过对扫描图像进行处理和图像解译制成3D模型，达到识别地下目标物的目的。

作为优选，分析模块生成X文件，Y文件和Z文件；

其中，Y文件存储采集的原始时间序列，Y文件数据采用二进制格式存储；X文件为文本功率谱文件，每个X文件标定的频率值相同，若干个频点和标定文件中频段一致；Z文件为存储视电阻率、阻抗相位、相关度和张量阻抗信息的文件。

本方案中，采集的原始时间序列存储在Y文件中，Y文件数据采用二进制格式存储，经过数据预处理换转化为X文件；X文件为文本功率谱文件，其存储各道信号的自相关功率谱密度、互相关功率谱密度，每个X文件标定的频率值是一样的，共数百个频点，且其频点选择与各标定文件中频段选择相一致；X文件通过功率谱分析和最小二乘法估算张量阻抗得到Z文件，Z文件是存储视电阻率、阻抗相位、相关度及张量阻抗信息的文件，同时也是数据处理的最终文件。

本发明的有益效果是：

1、使用高频电磁波采集数据成像时，无须直接接触被测物体，可以快速获取检测对象的影响，不会影响物体的物理状态和几何结构，能基于高频电磁波探测地底空洞；

2、获取被检测区域影像后，利用专业的遥感图像处理技术对图像进行处理和解译，区分不同的目标和物体，处理结果精度高；

3、映射模块可主动修正视图模型和电磁波反射信号的映射关系，并能根据历史探测结果提高测探准确率。

附图说明

图1本发明一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的系统的示意图。

图2本发明一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法的流程图。

图3本发明一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法的含水脱空剖面图。

图4本发明一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法的实际情况图。

图中1、发射模块；2、接收模块；3、分析模块；4、映射模块；5、显示模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：如图1所示，一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的系统，包括：

发射模块1，用于产生和发射高频电磁波；

接收模块2，用于接收电磁波反射信号；

分析模块3，用于根据电磁波反射信号的运动特征生成图像和3D模型，连接接收模块2；

映射模块4，用于匹配电磁波反射信号和3D模型的对应关系，连接分析模块3；

显示模块5，用于显示3D模型，连接分析模块3和映射模块4。

发射模块1用于产生和发射高频电磁波，可以是电磁波发生器，产生的电磁波为窄脉冲、宽带高频电磁波。通过无线连续拖动的方式向地下发射高频电磁波，电磁波信号在地下介质内部传播时遇到存在电性差异的介质界面时，就会反射和透射。发射模块1还可以包括放大器，用于放大电磁波频率，从而增大探测深度。接收模块2用于接收电磁波，同步移动的接收天线接收反射回的电磁波。

分析模块3用于根据电磁波的运动特征得到地下介质的断面扫描图像。通过分析雷达主机精确记录反射回的电磁波的运动特征，获得地下介质的断面扫描图像，通过对扫描图像进行处理和图像解译制成3D模型，达到识别地下目标物的目的。

分析模块3主要生成X文件，Y文件和Z文件。其中，采集的原始时间序列存储在Y文件中，Y文件数据采用二进制格式存储，经过数据预处理换转化为X文件；X文件为文本功率谱文件，其存储各道信号的自相关功率谱密度、互相关功率谱密度，每个X文件标定的频率值是一样的，共数百个频点，且其频点选择与各标定文件中频段选择相一致；X文件通过功率谱分析和最小二乘法估算张量阻抗得到Z文件(阻抗文件)，Z文件是存储视电阻率、阻抗相位、相关度及张量阻抗信息的文件，同时也是数据处理的最终文件。采用C语言编程读取Y文件的时间序列文件，并将之转化为十进制文件，并编制程序实现波形显示和时频转换。

不同物体反射的反射信号振幅和相位不同，在图像和3D模型上的表现不同。能够利用该技术准确的获取病害体的空间位置，如空洞体的大小，顶底界面的深度。根据电磁波反射信号的变化将回填层分为完整带、破碎带和富水带。其中，完整带基本没有高频电磁波的反射信号，整个范围内频率变化小，同向轴连续且均一、平行，电磁波反射信号振幅弱；破碎带的电磁波反射信号呈现不均匀的低频和中频特征信号频率在断层破碎带的位置急剧变化，变化无特殊规律，同向轴错断不连续，呈带状区域化杂乱分布，电磁波反射信号振幅较强；富水带的地磁波反射信号一般表现为均匀的低频信号，电磁波反射信号快速变低，同向轴连续均一，呈层面状反射，信号振幅强，且有多次震荡。获取电磁波反射信号后，优先将电磁波反射信号信息输入至映射模块4，在映射模块4中查找是否存在对应的映射3D模型，若存在3D模型则在显示模块5显示对应的3D模型；若不存在对应的映射3D模型，则根据电磁波反射信号获取扫描图像，利用遥感图像处理技术对图像进行处理和解译，并将处理结果以3D模型形式显示于显示模块5。

映射模块4用于匹配电磁波反射信号和3D模型的对应关系。映射模块4分别获取电磁波反射信号和3D模型，电磁波反射信号主要为振幅和相位，通过校验的方式确定3D模型和实际是否存在区别，若存在区别，则手动修改3D模型，调整3D模型至与实际相符。此时，建立电磁波反射信号和3D模型的映射关系。

显示模块5用于显示3D模型，3D模型的参数基于电磁波反射信号振幅和相位获取，显示模块5可以是计算机。通过3D模型软件可全方位查看3D模型，便于根据3D模型识别地下目标物。

如图2所示，一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法，包括以下步骤：

S1：发射模块1向地下发射高频电磁波；

S2：接收模块2接收电磁波反射信号；

S3：分析模块3基于电磁波反射信号的运动特征生成图像和3D模型；

S4：显示模块5显示3D模型。

步骤S3还包括：若3D模型和实际相符，映射模块4基于电磁波反射信号匹配3D模型；若3D模型和实际不相符，调整3D模型至与实际相符，映射模块4基于电磁波反射信号匹配调整后的3D模型。

利用高频电磁波对浙江省丽水市1000千伏莲都站全站回填层扫描探测。下面根据该区得到的图形数据进行处理，对比地层实际的情况。如图3所示，发现含水脱空剖面图中具有较强的多次波存在，对脱空区域下面信号存在较强的干扰。如图4所示，实际开挖发现数据与实际情况基本吻合。由此可见，将高频电磁波技术方法应用于特高压变电站回填层空洞的探测是成功的。

探地高频电磁波技术作为一种新兴的测量方式，具有精度高、效率高、连续无损、实时成像和结果直观等优点，通过传感器主动地向被测物体发射高频率电磁波信号，并利用同一天线接受物体反射的回波信号进行成像。不同物体，反射的回波信号振幅、相位不同，在图像上的表现不同，能够利用该技术准确的获取病害体的空间位置，如空洞体的大小，顶底界面的深度。使用高频电磁波采集数据成像时，无须直接接触被测物体，就可以快速获取检测对象的影响，不会影响物体的物理状态和几何结构。获取被检测区域影像后，利用专业的遥感图像处理技术对图像进行处理和解译，区分不同的目标和物体，处理结果精度高。

Claims (10)

1.一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：发射模块向地下发射高频电磁波；

S2：接收模块接收电磁波反射信号；

S3：分析模块基于电磁波反射信号的运动特征生成图像和3D模型；

S4：显示模块显示3D模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法，其特征在于，S3还包括：若3D模型和实际相符，映射模块基于电磁波反射信号匹配3D模型；若3D模型和实际不相符，调整3D模型至与实际相符，映射模块基于电磁波反射信号匹配调整后的3D模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法，其特征在于，采用C语言编程读取Y文件，并转化为十进制文件，Y文件经过数据预处理换转化为X文件，X文件通过功率谱分析和最小二乘法估算张量阻抗得到Z文件。

4.根据权利要求1所述的一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法，其特征在于，基于电磁波反射信号将回填层分为完整带、破碎带和富水带；

其中，完整带没有高频电磁波的反射信号，频率变化小，同向轴连续、均一且平行，电磁波反射信号振幅弱；破碎带的电磁波反射信号呈现不均匀的低频或中频特征信号，频率变化大且无规律，同向轴错断不连续，电磁波反射信号振幅较强；富水带的地磁波反射信号为均匀的低频信号，同向轴连续均一，呈层面状反射，电磁波反射信号振幅强。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法，其特征在于，分析模块获取电磁波反射信号，根据电磁波反射信号在映射模块中查找是否存在映射3D模型，若存在映射3D模型，则应用该3D模型，若不存在映射3D模型，则根据电磁波反射信号获取扫描图像，利用遥感图像处理技术对图像进行处理和解译，并将处理结果以3D模型形式显示。

6.一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的系统，适用于权利要求1-5任一项所述的一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的方法，其特征在于，包括：

发射模块，用于产生和发射高频电磁波；

接收模块，用于接收电磁波反射信号；

分析模块，用于根据电磁波反射信号的运动特征生成图像和3D模型，连接接收模块；

映射模块，用于匹配电磁波反射信号和3D模型的对应关系，连接分析模块；

显示模块，用于显示3D模型，连接分析模块和映射模块。

7.根据权利要求6所述的一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的系统，其特征在于，发射模块产生的电磁波为窄脉冲、宽带高频电磁波。

8.根据权利要求6所述的一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的系统，其特征在于，接收模块为接收天线。

9.根据权利要求6所述的一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的系统，其特征在于，分析模块的雷达主机记录电磁波反射信号的运动特征。

10.根据权利要求6或9所述的一种基于高频电磁波技术对特高压变电站回填层空洞探测的系统，其特征在于，分析模块生成X文件，Y文件和Z文件；

其中，Y文件存储采集的原始时间序列，Y文件数据采用二进制格式存储；X文件为文本功率谱文件，每个X文件标定的频率值相同，若干个频点和标定文件中频段一致；Z文件为存储视电阻率、阻抗相位、相关度和张量阻抗信息的文件。

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