CN115993659A - 城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置及测量方法，涉及电磁探测技术领域，包括电磁‑梯度阵列接收系统和电磁‑梯度拖曳平台，电磁‑梯度阵列接收系统中的接收线圈位于电磁‑梯度拖曳平台上且呈矩形阵列分布，多个接收线圈构成三维全空间阵列感应系统，利用接收线圈同步且阵列式采集不同位置的时频联合的磁场数据，并通过对相邻测点下磁场响应的距离微分，获得反映电性异常分界面的多维度梯度数据，通过对多维度梯度数据进行求解，得到该时刻当前测量点的磁场梯度。本发明解决了常规探测时需要提前用电机挖出测坑安装接地电极，因而不能应用到城市空间的问题，提高了测量精确度和地下异常体边界的识别能力。

Description

城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及电磁探测技术领域，尤其涉及一种城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置及测量方法，该探测装置针对地下异常体进行探测和定位。

背景技术

近十几年城市化发展迅速，城市土地资源逐渐成为稀缺资源，该问题在一、二线城市尤为突出。地下空间作为城市的“第二生命”受到越来越多海内外学者的关注。地下隧道铺设、综合管廊建设、海绵城市规划均与地下空间规划利用密不可分。要高效、安全、充分的利用地下空间，首先就是清楚地对城市地下空间开展探测工作。

城市探测环境复杂、可利用区域有限，所以常规野外探测装置形式很难完全照搬照抄。例如，常规大面积多通道阵列式地面测量、航空或地空快速拖曳式测量，由于空间限制或建筑物遮挡，均无法在城市中有效实施；另外，对于电磁场测量，在城市中，传统方法需要挖出测坑安装电极，会对城市地面造成破坏。

近年来，国内外学者提出多种测量电磁场的装置及方法，例如申请公开号为CN111123371A的发明专利提出了一种高质量发射波形的拖曳式电磁探测装置及探测方法，在发射电流快速上升阶段采用高压DC-DC供电，电流发射平顶阶段采用主DC-DC供电，在不改变激发电流大小的情况下，有效提高了发射电流的上升速度，减小了发射电流到达平顶阶段的上升时间，解决了高频情况下难以形成有效激发的问题。然而，该方法仅能以拖曳式方法获取电磁数据，无法同时给出梯度数据值。

申请公开号CN103869371A的发明专利采用在测区内布置测线和测点的方法，人工场源发射不同频率电磁波，通过测量单元完成测区内所有测点上对应发射频率下电磁场信号的测量，该方法通过采用差分求取相关测点的电磁场梯度信号。该方法降低了对人工场源发射功率的要求，虽然具有比电场本身高的分辨力，但是需要在探测现场用电机挖出测坑以安装接地电极，会对地表造成破坏，由于城市空间中因为环境限制，无法使用传统方法安装电极，因此限制了该方法的使用。

申请公开号为CN114814957A的发明专利，采用两个规格相同的接收线圈，它们的的几何中心相对发射线圈的几何中心对称，两个接收线圈所在的平面与与发射线圈所在的平面共面，且几何中心在同一直线上；将两接收线圈接收到的信号的感应电压衰减曲线相减可以得到感应电压的梯度值。该方法可以消除一次场的影响，但因为线圈等设备的性质制约，测得的梯度值精度也受到了一定影响。测量方法仅针对时域数据进行处理，无法时频域联合处理达到深层探测的目的。城市空间中探测目标可能位于更深部，此方法可能无法在城市空间应用。此种方法仅仅利用了梯度数据，不能与电磁数据连用获得对异常体的准确识别。

申请公开号为CN111766549A的发明专利提出一种可穿戴式磁场梯度探测仪及探测方法，该发明重量轻、体积小，能够实现单人穿戴及操作，由穿戴人行走获得周边的电磁场数据，能对探测数据快速处理，对埋地目标进行探测和定位，发出相应提示和预警。该方法因为只能由单人穿戴进行测量，无法进行阵列式探测，获取的梯度数据有限，测量精度相比传统方法没有很大提升。

鉴于传统的测量方法都需要在地面上设置测坑安装接地电极，在城市空间探测时会对地表造成破坏，而目前公开的大部分测量方法都只能单独测量到电磁场数据或梯度数据，在测量精度方面因为测点较少的限制使得横纵向的分辨率不高。因此需要研制一种非破坏性、时频联合、可以同时获得磁场数据及梯度数据、测点可自由移动的拖曳式测量装置，以实现对城市空间的地下探测。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷提供一种城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置及测量方法，解决了常规探测时需要提前用电机挖出测坑安装接地电极，因而不能应用到城市空间的问题，提高了测量精确度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置，包括电磁-梯度阵列接收系统和电磁-梯度拖曳平台，电磁-梯度阵列接收系统中的接收线圈位于电磁-梯度拖曳平台上且呈矩形阵列分布，多个接收线圈构成三维全空间阵列感应系统，利用接收线圈同步且阵列式采集不同位置的时频联合的磁场数据，并通过对相邻测点下磁场响应的距离微分，获得反映电性异常分界面的多维度梯度数据，通过对多维度梯度数据进行求解，得到该时刻当前测量点的磁场梯度。

进一步地，所述接收线圈呈矩阵角点阵列分布。

进一步地，所述接收线圈呈矩阵二分阵列分布。

进一步地，所述接收线圈呈矩阵四分阵列分布。

另一方面，本发明还提供一种城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量方法，采用上述任一项所述的装置，并包括以下步骤：

S1、对探测区域划分井字形网格，网格的间距为接收线圈间距的1/2~1；

S2、利用接收线圈同步且阵列式采集不同位置的时频联合的磁场数据；

S3、通过对相邻测点下磁场响应的距离微分，获得反映电性异常分界面的多维度梯度数据；

S4、通过对多维度梯度数据进行求解，得到该时刻当前测量点的磁场梯度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出的城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置及测量方法，可同步且阵列式采集不同位置的磁场响应，并通过相邻测点下磁场响应的距离微分，直接获得可精确反映电性异常分界面的多维度电磁-梯度数据。通过调整阵列数可以改变探测密度调整分辨率。本发明解决了常规探测时需要提前用电机挖出测坑安装接地电极，因而不能应用到城市空间的问题，提高了测量精确度。该方法通过联用电磁数据和梯度数据，其值可准确反应异常体边界位置，提高了地下异常体边界的识别能力，时频域联合，可实现大空间广深度的探测，提升对城市电量空间异常体的探测能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的城市探测示意图。

图2为本发明实施例提供的阵列线圈示意图。

图3为本发明实施例提供的阵列电磁-梯度数据获取原理示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本技术方案，下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。

请参阅图1，本发明提出了一种城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置，包括电磁-梯度阵列接收系统和电磁-梯度拖曳平台，电磁-梯度阵列接收系统中的接收线圈位于电磁-梯度拖曳平台上且呈矩形阵列分布，多个接收线圈构成三维全空间阵列感应系统。

如图2所示，所述接收线圈可呈矩阵角点阵列分布、矩阵二分阵列分布和矩阵四分阵列分布等。

利用接收线圈同步且阵列式采集不同位置的时频联合的磁场数据，并通过对相邻测点下磁场响应的距离微分，获得反映电性异常分界面的多维度梯度数据，通过对多维度梯度数据进行求解，得到该时刻当前测量点的磁场梯度。

本发明还提供一种城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量方法，如图3所示，以矩阵二分阵列分布为例，包括以下步骤：

S1、确定发射接收参数：包括测线号、发射频率、增益等；对探测区域划分井字形网格，网格的间距为接收线圈间距d的1/2~1；网格平行于接收线圈行进方向为X方向，垂直于行进方向为Y方向；

S2、利用接收线圈同步且阵列式采集不同位置的时频联合的磁场数据；具体为：电磁-梯度拖曳平台沿X方向行进，接收线圈在X-Y平面上进行测量，X-Y平面与地面平行，获得测点的磁场数据，表达式为：；

其中，为拖曳测量FFT时间步长；：步长n处，线圈i测得的磁场值；：步长n处，线圈i和n+1中点处的梯度值；箭头所示方向为拖曳行进方向。通过单位时间拖曳步长、及FFT时间步长的设置，可以实现横向分辨率的精确调整。

S3、通过对相邻测点下磁场响应的距离微分，获得反映电性异常分界面的多维度梯度数据；

；

；

；

；

磁场梯度张量包括4个元素。

S4、通过对多个维度梯度数据进行求解，得到该时刻当前测量点的磁场梯度：

；

G为相邻测点磁场响应的距离差商，即有效梯度数据。当存在异常体时，其值可准确反应异常体边界位置。

本发明提出的城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置及测量方法，可同步且阵列式采集不同位置的磁场响应，并通过相邻测点下磁场响应的距离微分，直接获得可精确反映电性异常分界面的多维度电磁-梯度数据。通过调整阵列数可以改变探测密度调整分辨率。本发明解决了常规探测时需要提前用电机挖出测坑安装接地电极，因而不能应用到城市空间的问题，提高了测量精确度。该方法通过联用电磁数据和梯度数据，其值可准确反应异常体边界位置，提高了地下异常体边界的识别能力，时频域联合，可实现大空间广深度的探测，提升对城市电量空间异常体的探测能力。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置，其特征在于，包括电磁-梯度阵列接收系统和电磁-梯度拖曳平台，电磁-梯度阵列接收系统中的接收线圈位于电磁-梯度拖曳平台上且呈矩形阵列分布，多个接收线圈构成三维全空间阵列感应系统，利用接收线圈同步且阵列式采集不同位置的时频联合的磁场数据，并通过对相邻测点下磁场响应的距离微分，获得反映电性异常分界面的多维度梯度数据，通过对多维度梯度数据进行求解，得到该时刻当前测量点的磁场梯度。

2.根据权利要求1所述的城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置，其特征在于，所述接收线圈呈矩阵角点阵列分布。

3.根据权利要求1所述的城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置，其特征在于，所述接收线圈呈矩阵二分阵列分布。

4.根据权利要求1所述的城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量装置，其特征在于，所述接收线圈呈矩阵四分阵列分布。

5.城市地下空间电磁梯度非接触拖曳式测量方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的装置，并包括以下步骤：

S1、对探测区域划分井字形网格，网格的间距为接收线圈间距的1/2~1；

S2、利用接收线圈同步且阵列式采集不同位置的时频联合的磁场数据；

S3、通过对相邻测点下磁场响应的距离微分，获得反映电性异常分界面的多维度梯度数据；

S4、通过对多维度梯度数据进行求解，得到该时刻当前测量点的磁场梯度。

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