CN116224448A - 一种电磁感应探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁感应探测方法及系统，所述方法包括：步骤S1，在目标探测区域预设多条发射导线和对应的双通道接收导线，所述双通道接收导线呈正交分布且与信号接收装置连接，所述发射导线与发射电源装置连接，各条发射导线在对应的双通道接收导线形成的回路腔体的一次场磁通量为零；步骤S2，预设沿各条发射导线长度方向的多个信号检测点的位置；步骤S3，依次根据处于同一发射导线上的多个检测点的位置移动双通道接收导线，得到目标探测区域在各发射导线上的多个检测点的测量数据；步骤S4，根据目标探测区域在各发射导线上的多个各检测点的测量数据确定目标探测区域内的介质结构。本发明旨在避免电磁感应探测方法仅能在受限空间使用。

Description

一种电磁感应探测方法及系统

技术领域

本发明涉及无损检测的电磁法探测领域，尤其涉及一种电磁感应探测方法及系统。

背景技术

目前，地质勘查、矿产探测、机械检测等领域多利用电磁感应原理开展探测或检测，而在实际工程中，尤其采用近发射源测量电磁感应，而此类方法存有相应的缺点：由于接收传感器或探头距离发射源近，进而发射源和接收传感器存在很强的电磁互感，该互感信号作为强干扰叠加在被测对象的响应信号上，导致有效信号的信噪比降低。进而若能够压制或消除接收传感器中的互感效应，则可以有效提升近发射源测量的检测精度或探测分辨能力。

现有专利公开号为CN102565862A的发明专利公开了一种瞬变电磁响应信号梯度测量方法及观测装置，以及专利公开号为CN103837899A的发明专利公开了一种瞬变电磁测量装置，均是通过“发射回线”电磁场空间分布特征来消减发射线圈对接收线圈或传感器带来的电磁感应，从而提高接收效能。但此类设置方式需要精确固定发射或接收线圈的相对位置，收发一体装置体积不能太大，既不好安装，又太重了，不便野外作业，基于收发线圈面积不能做得太大，严重束缚了通过增大发射线圈面积来增大发射磁矩从而提高电磁法探测能力。进而亟需提出一种新的电磁感应探测方法来提升检测精度。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电磁感应探测方法及系统，旨在解决现有的电磁感应探测方法精度不高且检测受限的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种电磁感应探测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，在目标探测区域预设多条发射导线和对应的双通道接收导线，所述双通道接收导线呈正交分布且与信号接收装置连接，所述发射导线与发射电源装置连接，各条发射导线在对应的双通道接收导线形成的回路腔体的一次场磁通量为零；

步骤S2，预设沿各条发射导线长度方向的多个信号检测点的位置；

步骤S3，依次根据处于同一发射导线上的多个检测点的位置移动双通道接收导线，得到目标探测区域在各发射导线上的多个检测点的测量数据；

步骤S4，根据目标探测区域在各发射导线上的多个各检测点的测量数据确定目标探测区域内的介质结构。

可选地，所述发射导线两端呈接地布设或呈连接回路布设。

可选地，所述发射导线两端呈接地布设与呈连接回路布设可切换。

可选地，处于同一发射导线上的各检测点等间距间隔分布。

可选地，所述发射电源装置传输的电流为固定频率的交变电流、编程组合的多频交流电流和时变阶跃电流中的任意一种。

可选地，所述双通道接收导线布设于对应的相互正交磁场测量传感器中，所述磁场测量传感器为线圈传感器、磁棒传感器、磁阻传感器和霍尔传感器中的其中一种。

可选地，所述磁场测量传感器为线圈传感器时，各条发射导线穿过双通道接收导线形成的回路腔体。

可选地，各条发射导线穿过对应的双通道接收导线形成的回路腔体的部分区域套设有竖直导向管。

可选地，所述根据目标探测区域在各发射导线上的多个各检测点的测量数据确定目标探测区域内的介质结构的步骤，包括：

步骤S41，预设初始介质结构的多个参数；

步骤S42，根据预设初始介质结构的多个参数、麦克斯韦方程和各检测点的位置得到目标探测区域内的理论数值模拟信号；

步骤S43，将所述理论数值模拟信号与实际的同一发射导线上的各检测点的测量数据进行比对；

步骤S44，若比对结果不满足预设要求，则根据比对的结果相应调整预设的介质结构的相应参数，并将更新后的相应参数继续执行步骤S42，直至比对结果满足预设要求。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种电磁感应探测系统，所述系统包括发射电源装置、信号接收装置、与发射电源装置连接的多条发射导线和与所述信号接收装置连接的双通道接收导线，所述双通道接收导线呈正交分布且各条发射导线在对应的双通道接收导线形成的回路腔体的一次场磁通量为零。

有益效果：

(1)该方法通过将双通道接收导线布设成正交分布，使得各条发射导线在对应的双通道接收导线形成的回路腔体的一次场磁通量为零，并通过双通道接收导线沿着检测点上定向移动来探测目标探测区域内可能存在的介质结构，在存有介质结构的情况下，可直接获得发射导线周围介质结构因发射导线中交变电流产生的电磁场激励响应依然能够为双通道接收导线所接收，进而有效规避发射导线对双通道接收导线一次场的影响，获得数据准确度高，进而提高了电磁感应探测数据的精准度。

(2)该方法实现了可在复杂地面和钻孔、巷道等受限空间使用，传感器近源测量同时压制了一次场信号，信噪比高，探测能力强；作业效率高，有定向探测功能。

(3)该测量方法不限于频率或时间均可进行探测，提高了电磁法勘探的通用效果。

(4)该方法还有效解决了地下探测异常目标的定向难题。

(5)该方法除了常规地质、矿产资源勘探外，还适合城市地下障碍物精细探测，类似障碍物包括地下金属管线、废弃桩基、承台以及金属结构件、地下水及污染环境探测等。

(6)整个测量系统组成简但方便，且现场施工作业便利，有益于推广。

附图说明

图1是本发明电磁感应探测方法第一实施例的流程示意图；

图2为本发明一种电磁感应探测系统的第一实施例的结构示意图；

图3为图2所示的双通道接收导线磁通量为零的第一实施例的效果图；

图4为图2所示的双通道接收导线磁通量为零的第二实施例的效果图；

图5为本发明一种电磁感应探测系统的第二实施例的结构示意图；

图6为本发明一种电磁感应探测系统的第三实施例的结构示意图。

图7为本发明相互正交传感器的电磁场响应信号判断目标方向的效果图。

图8为本发明正交梯度测量的电磁场响应信号判断目标方向的效果图。

图9为本发明一种电磁感应探测系统的第四实施例的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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。

参见图2至图9，本发明提供一种电磁感应探测系统，所述系统包括发射电源装置3、信号接收装置2、与发射电源装置3连接的多条发射导线31和与所述信号接收装置连接2的双通道接收导线。

具体地，所述信号接收装置2连接着相互正交磁场测量传感器，所述磁场测量传感器内部布设有相互正交的双通道接收导线；以及发射导线31还通过相应的辅助供电导线与发射电源装置2连接，辅助供电导线为发射导线31提供环形回路，形成回路的辅助供电导线远离发射导线31，尽量降低其产生的一次场对接收传感器产生的影响，同时发射导线31的位置可根据实际探测的需要进行相应的调整。

在实际应用中是利用交变电流发射电源装置2通过发射导线31中供入交变电流，从而在发射导线31周围形成覆盖测线的交变一次电磁场，其中一次电磁场在双通道接收导线内的磁通量为零，进而测量传感器通过双通道接收导线可捕获发射导线31周围介质结构因电磁感应辐射出的感应二次电磁场，并通过将磁场测量传感器在发射导线31的长度方向上逐点移动来测量数据，根据逐点测量的正交分布二次电磁场大小、方向或频率特性来解译测线周围的电性结构参数。

进一步地，为了更好的说明一种电磁感应探测系统的布设原理，下述通过电磁感应探测方法的具体步骤说明，如图1所示为一种电磁感应探测方法一实施例的流程示意图，所述方法具体包括：

步骤S1，在目标探测区域预设多条发射导线和对应的双通道接收导线，其中，所述双通道接收导线呈正交分布且与信号接收装置连接，所述发射导线与发射电源装置连接，各条发射导线在对应的双通道接收导线形成的回路腔体的一次场磁通量为零。

具体地，在实际应用中，所述磁场测量传感器内部布设有相互正交的双通道接收导线，所述磁场测量传感器可以选择线圈传感器、磁棒传感器、磁阻传感器和霍尔传感器中的其中一种。如图2所示，所述磁场测量传感器为线圈传感器，进而各条发射导线31穿过双通道接收导线形成的回路腔体。优选地，还可在发射导线31外套设有竖直导向管4，进而确保双通道接收导线所在发射导线31的直线特征，以使条发射导线在对应的双通道接收导线形成的回路腔体的一次场磁通量为零。

进一步地，所述发射导线31两端呈接地布设或呈连接回路布设。具体地，如图2和图5所示，发射导线31两端呈接地布设；如图6所示，发射导线31两端呈连接回路布设；优选地，连接回路中还布设有两个选择开关，进而方便发射导线31进行接地布设或连接回路布设的选择。

步骤S2，预设沿各条发射导线长度方向的多个信号检测点的位置；具体地，如图9所示，各发射导线之间是平行且间隔分布的，进而各检测点的位置可沿着布设的发射导线长度方向分布，优选地，处于同一发射导线上的各检测点等间距间隔分布。

步骤S3，依次根据处于同一发射导线上的多个检测点的位置移动双通道接收导线，得到目标探测区域在各发射导线上的多个检测点的测量数据；具体地，最终得到的多个检测点的测量数据是目标探测区域在内部介质结构的电磁感应影响下所得到的数据。

具体地，如图3所示，以矩形接收线圈作为双通道接收导线的测量传感器，发射导线中供入交变电流方向为自上而下时，按右手定则可知，以发射导线为对称轴空间的左侧磁力线和右侧磁力线完全对称，进而在双通道接收导线正好位于发射导线左右对称的位置，那么穿入和穿出接收线圈的磁力线正好为零，当发射导线中的电流方向相反或供入交流电时也会有这样的情况，因此，在上述原理基础上只要双通道接收导线处于关于发射导线的对称位置(不一定贴附发射导线)，不论发射导线上的交变电流如何变化，通过双通道接收导线中的磁通量都等于零，双通道接收导线中不会因发射导线上的电流变化而产生感生电动势，进而有效避免了双通道接收导线贴近发射导线产生的互感效应，即双通道接收导线规避了发射导线一次场所带来的干扰。而来自发射导线周围介质结构因发射导线中交变电流产生的电磁场激励响应即为二次场依然能够为双通道接收导线所接收。同理，图4所示的磁棒传感器的接收原因也与图3所示的矩形接收线圈基本相同，其中磁棒传感器内部的线圈也是正交缠绕分布的。

进一步地，如图5所示，双通道接收导线由第一通道线圈21与第二通道线圈22相互正交组成，其中第一通道线圈21由左右导线串接为一体，而第二通道线圈22则是将前后导线串接为一体，再将左右串接的第一通道线圈21与前后串接第二通道线圈22组装形成一立方体结构，并将发射导线31与立方体的中心轴重叠而穿过，进而实现发射导线31发出的一次场在立方体结构内的磁通量为零。同理，如图6所示，其中选择的第一通道线圈21与第二通道线圈22均是两个矩形导线框，且相互正交，并且发射导线31与其中的双通道线圈的中心轴重叠而穿过。

进一步地，所述发射电源装置传输的电流为固定频率的交变电流、编程组合的多频交流电流和时变阶跃电流中的任意一种。其中，若发射导线31中供入的是固定频率的交变电流，从而在发射导线31周围形成固定频率的电磁场；若发射导线31中供入的是编程组合的多频交流电，从而在其周围形成多频电磁场；以及若发射导线31中供入的是时变阶跃电流，在其周围形成瞬变电磁场。进而通过测量传感器接收相应的电磁相应信号，方便后续通过根据不同频率电磁信号的响应幅度、相位变化特征进行拟探测介质电性结构，一般地，相互正交传感器的电磁场响应信号可以进行矢量合成等运算，运算结果的大小、方向和频率特征用来判断隐蔽目标的基本方位和电性特征。

步骤S4，根据目标探测区域在各发射导线上的多个各检测点的测量数据确定目标探测区域内的介质结构。

具体地，所述步骤S4包括：

步骤S41，预设初始介质结构的多个参数；

步骤S42，根据预设初始介质结构的多个参数、麦克斯韦方程和各检测点的位置得到目标探测区域内的理论数值模拟信号；具体地，结合拟探测区域可以获取的地质地球物理条件，设定反演用初始介质结构的几何参数和对应的电阻率、介电常数、极化率、磁导率等物性参数，结合数理方程(麦克斯韦方程)和本次探测方法的作业模式，通过数值模拟方法计算出接收测点、测线或测区理应获得的数值模拟信号。

步骤S43，将所述理论数值模拟信号与实际的同一发射导线上的各检测点的测量数据进行比对；

步骤S44，若比对结果不满足预设要求，则根据比对的结果相应调整预设的介质结构的相应参数，并将更新后的相应参数继续执行步骤S42，直至比对结果满足预设要求。

具体地，针对相互正交传感器的电磁场响应信号判断目标方向，如图7所示，5对应着发射导线31产生的一次场磁力线，6对应着目标介质结构产生的二次场磁力线，发射导线31供电方向垂直纸面向里，测量传感器为线圈，两正交线圈位于如图所示位置，其中第一通道线圈21竖直放置，第二通道线圈22水平放置，且线圈平面均与纸面垂直，并且发射导线31供交变电流产生的一次场在两接收线圈中的磁通量都分别为零；当隐蔽目标介质结构1位于发射导线31左右两侧时，其被激励产生的二次场最佳接收线圈为水平放置的第二通道线圈22，竖直放置的第一通道线圈21处于最不利位置；当隐蔽目标介质结构2位于发射导线31上下方时，两正交接收线圈的最佳耦合位置发生互换；因此能够根据两正交接收天线接收二次场信号的强度、大小变化特征大致判断隐蔽电性结构体的方位；以各接收线圈的法向方向为信号矢量方向，通过两接收线圈接收信号的矢量合成，以及在理想情况下，以供电发射导线31为参照，合成矢量的指向正好与目标所处的方向垂直，进而通过上述分析可确定相互正交传感器的电磁场响应信号判断目标方向。

以及，针对正交梯度测量的电磁场响应信号判断目标方向，如图8所示，发射导线31供电方向垂直纸面向里，接收传感器为线圈，与纸面垂直，水平或竖直方向的接收线圈两两成对，位于如图所示位置，发射导线31供交变电流产生的一次场在两两成对的四个接收线圈中的磁通量都为零，当隐蔽良导体目标位于发射导线31某个方位时，其被激励产生的二次场依然有其最佳和最不利的耦合方位，进一步地，靠近隐蔽目标的线圈将接收更强的感应信号，该耦合方向上两线圈接收信号相减，根据相减结果的符号可以判定隐蔽目标的明确方位。可见，通过正交方向上梯度接收线圈接收信号的矢量合成，判定隐蔽目标方位的效能依然存在，进而梯度测量则可以明确分辨左、右和上、下。

进一步地，由上述可知，基于正交二次场测量与梯度测量可确定目标介质结构的方位，进而基于数值模拟信号与对应的实测点、线、区的实测信号的比对情况，根据其差异的大小和变化特征去相应调整初始设定的介质结构几何或物性参数，再次利用前述数值模拟方法计算出接收测点、测线或测区获得的数值信号，并再次用更新后的信号与实测的数值信号去比对，根据其差异的大小和变化特征实时调整新设定介质结构的几何或物理参数，进而经过反复叠代计算，直至数值模拟的数值信号与实测数值信号之间的差异小至满足用户设定要求为止。进而，目标区域内的介质结构的几何和物性参数就是最终更新后设定参数最接近实际的结果。并且上述测量方法可在不受限空间使用，进而提高了测量精准度与效率，提高电磁感应测量的通用性。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种电磁感应探测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，在目标探测区域预设多条发射导线和对应的双通道接收导线，所述双通道接收导线呈正交分布且与信号接收装置连接，所述发射导线与发射电源装置连接，各条发射导线在对应的双通道接收导线形成的回路腔体的一次场磁通量为零；

步骤S2，预设沿各条发射导线长度方向的多个信号检测点的位置；

步骤S3，依次根据处于同一发射导线上的多个检测点的位置移动双通道接收导线，得到目标探测区域在各发射导线上的多个检测点的测量数据；

步骤S4，根据目标探测区域在各发射导线上的多个各检测点的测量数据确定目标探测区域内的介质结构。

2.根据权利要求1所述的电磁感应探测方法，其特征在于，所述发射导线两端呈接地布设或呈连接回路布设。

3.根据权利要求2所述的电磁感应探测方法，其特征在于，所述发射导线两端呈接地布设与呈连接回路布设可切换。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电磁感应探测方法，其特征在于，处于同一发射导线上的各检测点等间距间隔分布。

5.根据权利要求4所述的电磁感应探测方法，其特征在于，所述发射电源装置传输的电流为固定频率的交变电流、编程组合的多频交流电流和时变阶跃电流中的任意一种。

6.根据权利要求4所述的电磁感应探测方法，其特征在于，所述双通道接收导线布设于对应的相互正交磁场测量传感器中，所述磁场测量传感器为线圈传感器、磁棒传感器、磁阻传感器和霍尔传感器中的其中一种。

7.根据权利要求6所述的电磁感应探测方法，其特征在于，所述磁场测量传感器为线圈传感器时，各条发射导线穿过双通道接收导线形成的回路腔体。

8.根据权利要求7所述的电磁感应探测方法，其特征在于，各条发射导线穿过对应的双通道接收导线形成的回路腔体的部分区域套设有竖直导向管。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的电磁感应探测方法，其特征在于，所述根据目标探测区域在各发射导线上的多个各检测点的测量数据确定目标探测区域内的介质结构的步骤，包括：

步骤S41，预设初始介质结构的多个参数；

步骤S42，根据预设初始介质结构的多个参数、麦克斯韦方程和各检测点的位置得到目标探测区域内的理论数值模拟信号；

步骤S43，将所述理论数值模拟信号与实际的同一发射导线上的各检测点的测量数据进行比对；

步骤S44，若比对结果不满足预设要求，则根据比对的结果相应调整预设的介质结构的相应参数，并将更新后的相应参数继续执行步骤S42，直至比对结果满足预设要求。

10.一种电磁感应探测系统，其特征在于，所述系统包括发射电源装置、信号接收装置、与发射电源装置连接的多条发射导线和与所述信号接收装置连接的双通道接收导线，所述双通道接收导线呈正交分布且各条发射导线在对应的双通道接收导线形成的回路腔体的一次场磁通量为零。

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