CN202649476U - 面向地下空间开发的地下管线层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，包含：地面可控震源，其通过释放能量形成向地下传播的弹性波；弹性波检波器阵列，包含若干分别设置在地面或埋设在地下的弹性波检波器，采集经由地下管线反射后的弹性波反射信息；以及多道地震仪，其分别和每个弹性波检波器通过电缆连接，接收由弹性波检波器阵列所采集的弹性波反射信息，并经过数据处理后形成地下管线分布的三维图像信息。本实用新型抗干扰能力强，探测深度广，精确提供地下管线分布的高分辨率的三维图像信息，并且适用于各种材质和埋设深度的地下管线的探测。

Description

面向地下空间开发的地下管线层析成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种地下管线层析成像系统，尤其是指一种应用于不同深度的地下空间开发的地下管线层析成像系统，属于地下管线精细探测领域。 

背景技术

随着我国经济发展，城市化进程的加快，大城市的土地资源变得紧缺，地下空间的开发则成为必然趋势。但城市地下空间开发利用是一项极为复杂的工作，城市地下空间结构繁杂，地下管线分布密如蜘网，需要多学科、多门类的技术服务。有效合理的利用城市地下空间资源的最基础最重要的工作，就是探明城市地下空间的结构属性及地下管线分布，然后才能准确有效的规划地下空间的开发和利用。因此，精确探明城市复杂的地下管线的空间分布位置就显得尤为重要。 

现有工程中，通常采用电磁管线定位仪和探地雷达等仪器对地下管线的分布位置进行探测。从原理上来说，这些常规的测量方法存在以下缺陷：第一，可探测的地下管线埋设的深度较浅，通常不超过5米；第二，探测精度易受电磁场和铁磁物体的干扰，因为在城市中存在强电磁干扰源，包括高压线、钢筋混凝土路面、通讯基站等，故探测效果较差；第三，对于地下管线的探测往往只能定性，而难以做到准确定量的精确探测；第四，利用每一种探测仪器进行探测的方法都只适用于某一类材质的管线测量，比如金属管道，因此缺乏通用性。 

鉴于以上所描述的在现有技术中存在的缺点和限制，在对城市地下空间进行开发时，亟需一种自主、抗干扰的地下管线三维探测技术，精确提供地下管线分布的三维图像信息，并且该技术能够适用于各种材质和埋设深度的地下管线的探测。 

因此，可以借鉴医学上的CT扫描理论，使用地下层析成像技术来详细探测调查地下空间的物性参数。目前，所述的地下层析成像技术在干扰环境小、探测目标大的石油勘探、煤田勘探、矿产勘探中已经得到广泛的推广和运用，并取得了良好的效果。 

但是，将该地下层析成像技术应用于对城市地下管线进行探测成像时，尚有两个核心技术问题仍需解决：第一，需要大幅度的降低城市环境干扰（例如电磁干扰、噪声干扰等）对成像仪器的影响；第二，如何实现高分辨率的地下层析成像。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，抗干扰能力强，探测深度广，精确提供地下管线分布的高分辨率的三维图像信息，并且适用于各种材质和埋设深度的地下管线的探测。 

为实现上述目的，本实用新型提供一种面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，包含：地面可控震源，其通过释放能量形成向地下传播的弹性波；弹性波检波器阵列，包含若干分别设置在地面或埋设在地下的弹性波检波器，采集经由地下管线反射后的弹性波反射信息；以及多道地震仪，其分别和每个弹性波检波器通过电缆连接，接收由弹性波检波器阵列所采集的弹性波反射信息，并经过数据处理后形成地下管线分布的三维图像信息。 

所述地面可控震源为能提供不同频率的多分量高频可控震源。 

所述埋设在地下的若干弹性波检波器，是埋设在地下约0.5米深处的孔洞内。 

所述弹性波检波器为多分量弹性波检波器，包含多级相互连接的多分量检波器单元；每个所述多分量检波器单元包含设置在壳体内的检波器组件和气囊组件；所述气囊组件包含气囊和包裹在该气囊外部的多层收缩套，且每个多分量检波器单元的气囊与相邻多分量检波器单元的气囊之间通过气管连接。 

所述每个弹性波检波器与多道地震仪之间采用多通道信号采集线连接。 

所述多道地震仪包含依次连接的数据转换模块、数据滤波模块、微控制器和数据显示模块；所述数据转换模块为A/D转换器，接收各个弹性波检波器采集到的弹性波反射信号，进行模数转换形成弹性波反射数字信号，并对弹性波反射数字信号进行数据叠加；所述数据滤波模块滤除弹性波反射数字信号中的噪音干扰；所述微控制器对滤波后的弹性波反射数字信号进行数据分析和处理，计算得到地下管线分布位置的三维信息；所述数据显示模块为液晶显示器，显示由微控制器计算得到的地下管线分布位置的三维图像信息。 

所述数据滤波模块包含依次连接的高压线陷波模块，低切滤波模块和高截滤波模块。 

所述多道地震仪还包含数据存储模块，其与所述微控制器连接，存储探测到的地下管线的三维信息数据。 

所述多道地震仪还包含长距离通讯模块，其与所述微控制器连接，向远程计算机传输探测到的地下管线的三维信息数据。 

所述地下管线层析成像系统还包含与所述多道地震仪连接的GPS设备，获得地下管线的相对于地理坐标的绝对三维信息。 

本实用新型所提供的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，抗干扰能力强，在探测过程中能有效屏蔽城市中各种较强的电磁干扰和噪声干扰；地下探测深度广，能实现地下0.5～40米范围内的地下管线分布的精确探测，生成地下管线分布的高分辨率三维图像信息，并且该地下管线层析成像系统适用于各种材质和埋设深度的地下管线的探测。 

附图说明

图1为本实用新型中的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统结构框图； 

图2为本实用新型中的多道地震仪的结构框图。

具体实施方式

以下结合图1～图2，详细说明本实用新型的一个优选实施例。 

如图1所示，为本实用新型所提供的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统的结构框图。该地下管线层析成像系统包含：地面可控震源1，其通过释放能量形成向地下传播的弹性波；弹性波检波器阵列2，包含若干分别设置在地面或埋设在地下的弹性波检波器21，采集经由地下管线反射后的弹性波反射信息；以及多道地震仪3，其分别和每个弹性波检波器21通过电缆连接，接收由弹性波检波器阵列2所采集的弹性波反射信息，并经过数据处理后形成地下管线分布的三维图像信息。 

其中，所述地面可控震源1采用轻便的多分量高频可控震源，其是一种用于工程探测和浅层地震勘探成像的激震信号源；能够根据实际施工现场的不同路面条件，提供各种不同频率的可控震动源，以达到最佳的激发效果；并且能够同时控制产生多个震源，即同时向地下发射并传播多个弹性波。 

本实施例中，所述地面可控震源1采用的扫描信号为Chirp信号（线性调频信号，具有尖锐的模糊度函数，既有一定的分辨率，又有较高的容限），该Chirp信号经过功率放大后驱动激震器，随后激振器通过和地面致密耦合的基板向地下同时发射四个弹性波。弹性波在地下传播过程中如遇到地下管线则会反射回地面，使得其传播信息被弹性波检波器阵列2中最接近其的弹性波检波器21所接收。 

所述弹性波检波器阵列2中埋设在地下的若干弹性波检波器21，是埋设在地下约0.5米深处的孔洞内。 

每个所述的弹性波检波器21均采用多分量弹性波检波器，包含多级相互连接的多分量检波器单元。每个多分量检波器单元中包含设置在壳体内的检波器组件和气囊组件；所述每个多分量检波器单元的壳体之间相互连接。所述气囊组件包含气囊和包裹在该气囊外部的多层收缩套，且每个多分量检波器单元的气囊与相邻多分量检波器单元的气囊之间通过气管连接，当所述多分量弹性波检波器21被埋设在地下孔洞内后，通过气管向各个多分量检波器单元的气囊充气使其鼓起，从而与孔洞内壁紧贴而实现固定。 

由于本实用新型所采用的多分量弹性波检波器21包含若干单元的检波器组件，因此其能够接收采集数倍的共反射点的弹性波反射信息，这种叠加后接收的弹性波反射信息大大提高了分辨率和信噪比，从而能够有效提高城市地下弹性波的采集效率和采集质量。同时，由于本实用新型中在地面和地下均大量设置多分量弹性波检波器，从而实现多次覆盖，多次收发，采集海量的地下弹性波传播信息，并接收经由地下管线反射后的弹性波信息，及其有利于后续数据分析处理，并生成精确的地下管线三维图像信息。 

所述每个弹性波检波器21与多道地震仪3之间采用多通道信号采集线连接；所述多通道信号采集线连接采用屏蔽材料加工，具有良好的抗冲击和防水性能，可有效屏蔽城市中的各种电磁干扰以及震动干扰等。 

如图2所示，所述多道地震仪3包含依次连接的数据转换模块31、数据滤波模块32、微控制器33和数据显示模块34。 

所述数据转换模块31采用高精度A/D（模数）转换器，接收各个弹性波检波器采集到的弹性波反射信号，进行模数转换形成弹性波反射数字信号，同时对弹性波反射数字信号进行数据叠加，可有效抑制随机噪音干扰，提高信号信噪比。本实施例中，所采用的高精度A/D转换器可进行32位（bit）的数据叠加。 

所述数据滤波模块32用于滤除弹性波反射数字信号中的各类城市噪音干扰，包括移动汽车、高压线以及振动的机器等，从而进一步提高信号质量和分辨率。所述数据滤波模块32包含依次连接的高压线陷波模块321：用于消除电网工频干扰信号和高压线电磁干扰信号，即用于消除频率在50/60Hz及其谐波的干扰信号；低切滤波模块322：用于有效压制地滚波信号和远处交通带来的干扰信号；高截滤波模块323：用于有效降低风噪。 

所述微控制器33采用型号为NIOS II的高性能微控制器，其对滤波后的弹性波反射数字信号进行数据分析和处理，运用弹性波射线轨迹推算原理，通过反演运算，计算得到地下管线分布位置的三维信息。 

所述数据显示模块34采用高分辨率的液晶显示器，显示由微控制器33计算得到的地下管线分布位置的三维图像信息。本实施例中，所述数据显示模块34采用与普通计算机兼容的、日光下可见的高分辨率640×480的液晶显示器。 

所述多道地震仪3还包含数据存储模块35，其与所述微控制器33连接，用于存储当前几日内探测到的地下管线的三维信息数据。 

所述多道地震仪3还包含长距离通讯模块36，其与所述微控制器33连接，可向远程的计算机5传输探测到的地下管线的三维信息数据。本实施例中，所述长距离通讯模块36采用RS485串行接口。 

所述地下管线层析成像系统还包含与所述多道地震仪3连接的GPS（全球定位系统）设备4，从而可获得地下管线的相对于地理坐标的绝对三维信息。 

本实用新型所提供的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，抗干扰能力强，在探测过程中能有效屏蔽城市中各种较强的电磁干扰和噪声干扰；地下探测深度广，能实现地下0.5～40米范围内的地下管线分布的精确探测，生成地下管线分布的高分辨率三维图像信息，并且该地下管线层析成像系统适用于各种材质和埋设深度的地下管线的探测。 

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (10)

1.一种面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，其特征在于，包含：

地面可控震源（1），其形成向地下传播的弹性波；

弹性波检波器阵列（2），包含若干分别设置在地面或埋设在地下的弹性波检波器（21），采集经由地下管线反射后的弹性波反射信息；

多道地震仪（3），其分别和每个弹性波检波器（21）通过电缆连接，接收由弹性波检波器阵列（2）所采集的弹性波反射信息，并经过数据处理后形成地下管线分布的三维图像信息。

2.如权利要求1所述的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，其特征在于，所述地面可控震源（1）为能提供不同频率的多分量高频可控震源。

3.如权利要求1所述的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，其特征在于，所述埋设在地下的若干弹性波检波器（21），是埋设在地下0.5米深处的孔洞内。

4.如权利要求3所述的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，其特征在于，所述弹性波检波器（21）为多分量弹性波检波器，包含多级相互连接的多分量检波器单元；

每个所述多分量检波器单元包含设置在壳体内的检波器组件和气囊组件；

所述气囊组件包含气囊和包裹在该气囊外部的多层收缩套，且每个多分量检波器单元的气囊与相邻多分量检波器单元的气囊之间通过气管连接。

5.如权利要求4所述的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，其特征在于，所述每个弹性波检波器（21）与多道地震仪（3）之间采用多通道信号采集线连接。

6.如权利要求1所述的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，其特征在于，所述多道地震仪（3）包含依次连接的数据转换模块（31）、数据滤波模块（32）、微控制器（33）和数据显示模块（34）；

所述数据转换模块（31）为A/D转换器，接收各个弹性波检波器采集到的弹性波反射信号，进行模数转换形成弹性波反射数字信号，并对弹性波反射数字信号进行数据叠加；

所述数据滤波模块（32）滤除弹性波反射数字信号中的噪音干扰；

所述微控制器（33）对滤波后的弹性波反射数字信号进行数据分析和处理，计算得到地下管线分布位置的三维信息；

所述数据显示模块（34）为液晶显示器，显示由微控制器计算得到的地下管线分布位置的三维图像信息。

7.如权利要求6所述的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，其特征在于，所述数据滤波模块（32）包含依次连接的高压线陷波模块（321），低切滤波模块（322）和高截滤波模块（323）。

8.如权利要求6所述的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，其特征在于，所述多道地震仪（3）还包含数据存储模块（35），其与所述微控制器（33）连接，存储探测到的地下管线的三维信息数据。

9.如权利要求6所述的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，其特征在于，所述多道地震仪（3）还包含长距离通讯模块（36），其与所述微控制器（33）连接，向远程计算机（5）传输探测到的地下管线的三维信息数据。

10.如权利要求1所述的面向地下空间开发的地下管线层析成像系统，其特征在于，所述地下管线层析成像系统还包含与所述多道地震仪（3）连接的GPS设备（4），获得地下管线的相对于地理坐标的绝对三维信息。

Images