一种使用高效电磁波传输的地下管线探测方法及探测系统

摘要

本发明提供一种使用高效电磁波传输的地下管线探测方法，包括：步骤S1、将发射机与管线连接或耦合；步骤S2、接收系统分段就位，从管线始端开始，在上方地面沿着地下管线轨迹的初判走向进行分段；步骤S3、开启发射机和接收机，由接收机探找信号最强点；步骤S4、确认当前信号为有效距离信号后，将电磁波信号输入计算机；步骤S5、将电磁波信号换算为距离，并累加形成管线轨迹的曲线生长点；本发明对地下管线加载合适频率和足够大强度的电磁波信号，在地面配以对该频率信号具有高灵敏度选频接收的探测机进行接收探测定位，相比现有技术，在相同深度时能获取对地下管线位置的高精准探测数据，为非开挖定向钻进铺管工程提供施工安全保障。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁波发射与接收领域，尤其涉及一种使用高效电磁波传输的地下管线探测方法及探测系统。

背景技术

起至目前，大部分城市和乡镇的地下已经建有一定规模的地下管线，包括电力、通讯、燃气、自来水、排污等管线，其数量与城镇的发达程度几乎成正比。它们的埋深一般在30m以内，管线直径从几十毫米到几米不等，管线材质多以金属、塑料、橡胶、混凝土为主。但是由于种种原因，相当多的管线并没有位置(轨迹)数据资料，或其数据资料不够精准以及发生了变化。于是，在进行非开挖定向钻进铺管施工中，往往会因为不知原有地下管线位置，而钻到这些管线上，造成破坏事故。另外从更深远意义上考虑，城市地下空间的管线分布大数据库建设也是经济快速发展的一个重要趋势。

利用在地下管线上加载电磁波(另穿导线加载法、管中无载流导线加载法、金属管壁加载法、裹钳耦合激励法、管中载流导线探测法、盲体激励感应法等)，由地面接收机接收，根据接收到的电磁波信号的强弱来换算成从发射管线位置到接收机的距离，就可以探测出管线位置并籍此拟合出地下管线的三维轨迹曲线。

但是，不同频率的电磁波在不同介质中传播的强度(衰减程度)是大不相同的，岩土地层对常规无线通讯信号在空气中传播的高频(几百千赫兹到几百兆赫兹)的衰减极为严重，高频电磁波在岩土中的有效传播距离大大缩短。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用高效电磁波传输的地下管线探测方法及探测系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种使用高效电磁波传输的地下管线探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、将发射机与管线连接或耦合；

步骤S2、接收系统分段就位，从管线始端开始，在上方地面沿着地下管线轨迹的初判走向进行分段；

步骤S3、开启发射机和接收机，由接收机探找信号最强点；

步骤S4、确认当前信号为有效距离信号后，将电磁波信号输入计算机；

步骤S5、将电磁波信号换算为距离，并累加形成管线轨迹的曲线生长点；

其中，电磁波透过岩土地层到地面，以50Hz～50kHz频率之间的某个频率为谐振频率，得到最大的电磁波传播强度，获得最远的发射距离，发射距离r、发射电流强度 I和接收到的电压v三者之间的量化关系为：

k是由地层材质、发射频率、接收机品质决定的系数，通过实验实测进行标定取值。

进一步地，所述步骤S1包括，

对直连金属管壁、直连管中导体的加载情形，将露头管线两端裸露的金属导体分别与发射机的两根输出导线连接；

对绝缘裹夹管、线耦合的加载情形，将发射机与耦合裹钳连接，将耦合裹钳裹夹到被测管线的端部；

对无线激励盲体耦合的加载情形，在地下金属管线上方的地面设置耦合激励发射机。

进一步地，所述步骤S2包括，将接收机、数据采集卡和计算机依次串接构成接收系统，所述计算机安装有探测程序。

进一步地，所述步骤S2中，从管线始端开始，在上方地面沿着地下管线轨迹的初判走向进行分段，以10米为一个段点，沿轨迹向前不断探测的区间等间距分布。

进一步地，所述步骤S3中，在每个段点沿垂直于管线轨迹走向的方向，以轨迹轴为中心，在大地水平面上左右移动接收机，寻找电磁波信号的最强点。

一种使用高效电磁波传输的地下管线探测系统，其特征在于，包括激励信号发射器和无线接收系统，所述激励信号发射器包括正弦波信号发生电路和激励信号功率放大电路，所述无线接收系统包括磁性天线、混频放大模块、变频滤波模块、中频放大模块、功率放大模块、电源模块和数据处理系统。

进一步地，所述激励信号功率放大电路包括推挽场效应管和磁罐耦合变压器，所述激励信号功率放大电路与地下管线导体接触导通、或与环形绕组的磁力裹夹钳连接、或与磁棒天线配合对地下管线进行非接触式的电磁波耦合传导。

本发明对地下管线加载合适频率和足够大强度的电磁波信号，在地面配以对该频率信号具有高灵敏度选频接收的探测机进行接收探测定位，相比现有技术，在相同深度时能获取对地下管线位置的高精准探测数据，为非开挖定向钻进铺管工程提供施工安全保障。

附图说明

图1为本发明地下管线探测方法的流程图；

图2为本发明地下管线探测系统示意图；

图3为本发明激励信号发射器的构成示意图；

图4为本发明正弦信号发生电路原理图；

图5为本发明激励信号功率放大电路原理图；

图6为本发明混频、滤波放大电路原理图。

附图标记：

U1运算放大器、U2555定时器、U3有源滤波器、C1电容、

D1开关二极管、R1电位器、C1电容、L电感、

Q1第一场效应管、Q2第二场效应管、Q3第一三极管、Q4第二三极管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种使用高效电磁波传输的地下管线探测方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、将发射机与管线连接或耦合；

步骤S2、接收系统分段就位，从管线始端开始，在上方地面沿着地下管线轨迹的初判走向进行分段；

步骤S3、开启发射机和接收机，由接收机探找信号最强点；

步骤S4、确认当前信号为有效距离信号后，将电磁波信号输入计算机；

步骤S5、将电磁波信号换算为距离，并累加形成管线轨迹的曲线生长点。

其中，电磁波透过岩土地层到地面，以50Hz～50kHz频率之间的某个频率为谐振频率，得到最大的电磁波传播强度，获得最远的发射距离，发射距离r、发射电流强度 I和接收到的电压v三者之间的量化关系为：

k是由地层材质、发射频率、接收机品质决定的系数，通过实验实测进行标定取值。

步骤S1包括，

对直连金属管壁、直连管中导体的加载情形，将露头管线两端裸露的金属导体分别与发射机的两根输出导线连接；

对绝缘裹夹管、线耦合的加载情形，将发射机与耦合裹钳连接，将耦合裹钳裹夹到被测管线的端部；

对无线激励盲体耦合的加载情形，在地下金属管线上方的地面设置耦合激励发射机。

步骤S2包括，将接收机、数据采集卡和计算机依次串接构成接收系统，计算机安装有探测程序。

步骤S2中，从管线始端开始，在上方地面沿着地下管线轨迹的初判走向进行分段，以10米为一个段点，沿轨迹向前不断探测的区间等间距分布。

步骤S3中，在每个段点沿垂直于管线轨迹走向的方向，以轨迹轴为中心，在大地水平面上左右移动接收机，寻找电磁波信号的最强点。

实施时，数据处理系统将原始电磁波信号传输给电脑，传输接口用斯迈科华 usb-1252A型数据采集卡完成，该卡多路采集的频率可达到200kHz，按照大于等于2 倍信号频率的不失真数据采样速率要求，满足本项目所设频率范围的需求。

通过此步骤导入的数据，运用计算机的存储记录、运算和显示功能，进行地下管线位置参数及其轨迹的计算与显示(数值序列和图形化)。

将信号强度值，即电压按前述量化关系，换算为接收机到管线的距离值及管线埋设深度值，即管线位置，并将沿管线所测各点的位置Di(xi，yi，zi)，通过空间几何连接得到管线轨迹图。

几何连线可采用两点间直线法获取中间任一点的插值，也可采用三维弧切法进行中间插值的精确计算确定。

本发明还公开了一种使用高效电磁波传输的地下管线探测系统，包括激励信号发射器和无线接收系统，如图3所示，激励信号发射器1包括正弦波信号发生电路和激励信号功率放大电路，激励信号功率放大电路的输出在50Hz～100kHz频率可调。

图2为探测系统的一种实施方式，在地面上设置接收机2，地下的岩土层埋设塑料管4，地面上还设有激励信号发射器1，激励信号发射器1的两端通过地面导线3接至地下导线5，地下导线5穿过塑料管4设置，激励信号发射器1、地面导线3和地下导线5构成闭合环路。

参见图4，正弦波信号发生电路采用741运算放大器U1，运算放大器U1的反相输入端与电感L的一端连接，电感L的另一端与开关二极管D1的正极连接，开关二极管 D1的负极与电位器R1的一端连接，电位器R1的另一端与运算放大器U1的正相输入端连接，开关二极管D1并联接有电容C1，其中，电容C1为16μF，电位器R1最大值为2KΩ，电感L为10H。

用正弦波信号发生电路产生一定频率(50Hz～50kHz可调)的正弦波交变信号，再用大功率的激励信号功率放大向管线导体加载此加强信号(峰—峰电压30v，最大电流3.5A)。

正弦信号的振荡频率为25Hz，改变电感L和电容C的数值，可使振荡频率从15Hz 变到100kHz，总的谐波失真低于0.5％，上限频率受到运算放大器的限制。

电位器R1调节加至串联谐振回路的正反馈量，产生振荡的条件是电阻R1等于电感的直流电阻RL和感抗之和，二极管D1限制信号电压，以防电感或运算放大器饱和，该电路产生失真度小的正弦波，其振荡中心频率为：

参见图5，激励信号功率放大电路包括第一三极管Q3、第一场效应管Q1和第二场效应管Q2，第一三极管Q3的集电极与第一变压器T1的初级连接，第一变压器T1的次级分别与第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的栅极连接，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2反向串联，即第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的源极相互连接，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的漏极与第二变压器T2的初级连接，第二变压器T2的次级作为激励信号功率放大电路的输出。

功率放大电路对信号发生器输入进来的正弦波信号in，用第一三极管Q39013进行一次电压放大，再由铁芯变压器，即第一变压器T1耦合给第一场效应管Q1和第二场效应管Q2进行功率(电流)放大，最后用第二变压器T2、即瓷罐式变压器进行谐振式二次电压放大，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2采用推挽场效应管8N60C。

第二变压器T2为磁罐耦合变压器(锰锌铁氧体材料)，其直径为30mm、高19mm、初级线圈16×2匝、次级线圈600匝，发射电压峰—峰值600v，发射功率50W，第二变压器T2可与地下管线导体直接接触导通(此时串接一个电阻)，也可将第二变压器 T2连接到环形绕组磁力裹夹钳或直型大功率磁棒天线，对地下管线进行非接触式的电磁波耦合传导。

无线接收系统包括磁性天线、混频放大模块、变频滤波模块、中频放大模块、功率放大模块、电源模块和数据处理系统。

参见图6，混频放大模块包括第二三极管Q4，第二三极管Q4为9018三极管，第二三极管Q4的发射极与555定时器U2连接，由555定时器输入24KHz的方波信号。

变频滤波模块包括有源滤波器U3，有源滤波器U3的型号为UAF42，三极管Q4 的集电极作为混频放大模块的输出，连接至有源滤波器U3的输入端。

激励信号功率放大电路包括推挽场效应管和磁罐耦合变压器，激励信号功率放大电路与地下管线导体接触导通、或与环形绕组的磁力裹夹钳连接、或与磁棒天线配合对地下管线进行非接触式的电磁波耦合传导。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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范围。