一种埋地铁质管线探测与精确定位方法及装置与流程

本发明属于地下管线探测领域，具体涉及一种基于磁异常垂直分量解析信号探测的埋地铁质管线探测与精确定位方法及装置。

背景技术：

由于历史、人文及地质变动等原因，使得地下管线分布信息不明，从而引起管线加密铺设、道路施工挖掘、工程勘察，及建设打桩过程中打漏或挖断地下管线的现象时常发生，造成油气泄露、水电中断等安全事故，严重影响工农业正常生产及人们日常生活。因此，工程施工前，探明施工区域地下管线的分布信息极其重要。

地下管线管材种类繁多，埋设情况多种多样，针对不同管线进行探测的方式千差万别。在科学研究及工程应用过程中形成的管线探测方法可分为：直接法、电法、磁法、地震波法及其他特殊方法等。直接法有直接观测法和插钎判断法两种，直接观测适用于管道有开挖露头或有阀门露头且管道分布较单一，从露头可以估计管道埋深及走向的情况；插钎判断法适用于管道埋设较浅且土壤覆盖层容易扦插的情况。电法，主要有交流电法（也称电磁法）和直流电法两大类，交流电法因场源不同可分为被动源法和主动源法两种。被动源法的电磁场激励源来源于工频信号及其谐波，而不需人工提供电磁源激励管道产生电磁场，相对主动源而言是一种简便的金属管线探测方法，但由于工频信号不够稳定，该方法不能精确的确定管道分布信息。交流主动源法分为直接连接法、夹钳耦合法、感应法、示踪探头法和地质雷达法。直接连接法能够人为的输入较强的信号，可以单独连接被探测管线，因此该方法探测管道分布定位较准确，但应用该方法时必须有管道露头用于导线连接，因此实用性受到较大程度的限制。夹钳耦合法仅适用于探测电缆以及直径较小的金属管线，且必须有露头管线。感应法通过磁偶极源向被探测管道发射激励电磁波，金属管道在激励电磁波的激发下会产生感应电磁波，通过地面检测感应电磁场来判断地下金属管道的埋设分布，由于感应电磁波信号较弱且易受环境电磁场干扰，其精度易受影响。示踪探头法通过不断改变示踪器在管道中的位置，检测其发射的电磁脉冲，探测到管道的位置和深度，该方法探测效果较好，但需要不断移动示踪器位置操作起来较为复杂。探地雷达法是应用最广泛的一种交流主动源探测法，但其管道埋深探测能力与管道外径分辨率相互制约，接收到高频电磁波的衰减特性受管道环境物质的耗损特性影响。直流探测法利用地下管线与埋设环境之间导电性差异进行探测，常用的直流电测法又可分为：高密度电阻率法、充电法和自然电场法等。高密度电阻率法，需要专业的电法勘测仪器，电极排布及检测数据处理较为复杂，对于大口径埋设较浅的管道效果很好，探测深度一般较其他管线探测方法的深度高，对于口径较小的管道则适用性很差。充电法必须有金属管道露头用于电源连接。自然电场管线探测方法探测准确性易受工业漏电流影响，且对于未腐蚀管道不适用，因此其应用面较窄。

铸铁管、镀锌铁管、不锈钢管、不锈钢复合管及由钢铁及其他管道材料构成的PCCP管等，这些类型的管道可以统称为铁质管道。目前，几乎全部的油气集输管道、绝大部分的供水供暖管线及部分共同沟、雨污排水管线为铁质管道，特别是铺设较老的地下管线绝大部分是铸铁管材。由于地下铁质管线的磁化率特性与周围土壤的磁化率差异较大，在地磁场的磁化下会产生非常明显的磁异常，因此，可以通过探测地面磁异常分布来探测地下铁质管线的分布。

地震波映像法主要是用于深层地质勘探的一种物探方法，管线勘探时，地震源一般由人工震源车或炸药爆炸提供，因此，勘测难度较大，且勘测成本极高。其他管线探测方法还有管道机械人示踪法和红外热成像法等。管道机械人示踪法基于初始起点三维坐标和机械人前进过程中记录的各点距离及变化角度计算管道的轨迹，此方法计算精度易受影响，需要有出漏的管道口，对细管道及管径变化的管道此方法不适用。红外热成像法适用前提是存在管道与周围介质之间的温差，因此对夏天环境温度较高时此方法适用性易受影响。

目前，地下铁质管线磁异常探测主要以探测总磁异常为主，在探测时需要同时测量三个磁场分量，这样不仅会提高探测仪器的成本，而且会影响磁异常探测准确性。而磁异常垂直分量（以下简称垂直磁场）仅涉及垂直方向磁场测量，其磁异常分布仍然能够判断地下铁质管线的有无及大致分布情况。同时，磁异常垂直分量也能够进行解析信号处理，以提高地下铁质管线水平定位精度。

技术实现要素：

本发明的目的主要是针对总磁异常管线探测存在的问题，提供了一种基于磁异常垂直分量解析信号探测的埋地铁质管线探测与精确定位方法及装置。

一种基于磁异常垂直分量解析信号探测的埋地铁质管线探测与精确定位装置，为十字型解析信号探测装置，包括四个微型高精度单轴磁场传感器、下位机嵌入式系统和运行于上位机的数据处理与绘图软件；

其中，所述微型高精度单轴磁场传感器分别对应相应的磁场监测点，用于采集对应监测点的垂直磁场信号；下位机嵌入式系统基于磁场传感器采集到的垂直磁场信号计算得到解析信号；上位机的数据处理与绘图软件将解析信号绘制成解析信号强度分布曲面图。

对上述内容的进一步补充，四个微型高精度单轴磁场传感器呈上下左右十字型分布，所对应的四个磁场监测点处在同一个平面上。

对上述内容的进一步补充，四个微型高精度单轴磁场传感器所对应的上下磁场监测点以十字交叉中心上下对称，左右磁场监测点以十字交叉中心左右对称。

对上述内容的进一步补充，四个微型高精度单轴磁场传感器将实时采集到的垂直磁场信号经下位机嵌入式系统计算得到十字中心点处解析信号；考虑到磁场测量的方向性，解析信号值计算公式如下：

上式中，为上侧微型高精度单轴磁场传感器所检测的垂直向下磁场信号，为下侧微型高精度单轴磁场传感器所检测的垂直向上磁场信号，为左侧微型高精度单轴磁场传感器所检测的垂直向下磁场信号，为右侧微型高精度单轴磁场传感器所检测的垂直向上磁场信号，垂直向下测量磁场方向为正；为上磁场监测点或下磁场监测点到十字中心点的距离，为左磁场监测点或右磁场监测点到十字中心点的距离。

其中，上磁场监测点或下磁场监测点到十字中心点的距离相同，左磁场监测点或右磁场监测点到十字中心点的距离相同，在应用中根据工作需要进行确定。

对上述内容的进一步补充，下位机嵌入式系统将计算得到的十字中心点处解析信号上传至上位机，运行于上位机的数据处理与绘图软件实时绘制插值平滑处理后的解析信号强度分布曲面图。

一种基于磁异常垂直分量解析信号探测的埋地铁质管线探测与精确定位方法，包括以下步骤：

步骤一，探测装置的安装，将多个十字型解析信号探测装置安装在探测器支架上组成直线型探测阵列；

步骤二，地下铁质管线的初步定位，在被探测区域随机选定数条长不短于15m的直线探测路径，使用探测阵列垂直于探测路径近地表平面进行探测，得到垂直磁场的初次解析信号强度分布曲面图，如果对应的初次解析信号强度分布曲面存在明显的脊背，则根据脊背分布确定地下铁质管线大致走向与管线分布类型，管线分布类型包括单直管线、多条平行管线和多条交叉管线；

步骤三，根据不同管线分布类型再次确定探测路径或探测区间，对于单直管线，在垂直于管线走向的地表平面上，每隔一定距离划定一条长15m至20m的探测路径，探测路径中点大致位于垂直磁场的初次解析信号强度分布曲面脊背及其延长线上；对于多条平行管线，在垂直于平行管线的中间平行线方向的地表平面上，每隔一定距离划定一条长15m至20m的探测路径，探测路径中点大致位于多条平行管线的中间平行线上；对于多条交叉管线，以垂直磁场的初次解析信号强度分布曲面极值点为中心，在对应的地表平面上划定一个长宽均为20m左右的区间作为探测区间；

步骤四，精确定位，沿着上述划定的探测路径或探测区间，使用探测阵列在近地表平面上探测计算垂直磁场解析信号，并得到垂直磁场的二次解析信号强度分布曲面图，如果对应的二次解析信号强度分布曲面存在明显的条状脊背，则可确定该探测路径对应的地下埋设有铁质管线，并根据脊背中间线对应的探测面坐标对地下铁质管线进行水平位置与走向定位。

其中所述每隔一定距离的距离根据实际需要具体确定。

本发明中所述中间平行线，是指以多个初次解析信号强度分布曲面脊背形成的多条平行线为基础，在多条平行线中间位置与这些平行线相平行的平行线。

本发明中利用由多个十字型解析信号探测装置在探测区域进行初步定位，得到地下铁质管线大致走向与管线分布类型，再根据不同的管线分布类型确定相应的探测路径和探测区间，然后再次利用探测装置进行精确定位。

本发明相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明以地下铁质管线受地磁磁化后产生的磁异常为探测源，不需要人为提供激励源；

（2）本探测装置使用单轴磁场传感器制作检测设备探测垂直磁场，相比于三轴磁场传感器探测总磁异常而言，仪器结构更简单，探测仪装置制作成本更低；

（3）采用垂直磁场解析信号探测定位地下铁质管线，相比于总磁异常探测定位管线水平位置准确性更高，且受地磁场方向、管线剩磁及管线埋深的影响极小；

（4）采用十字型排布磁场传感器，以中心差分方式实现十字交叉点处解析信号计算误差更小，提高了埋地铁质管线检测和定位的准确度；

（5）相比于总磁异常管线探测而言，垂直磁场解析信号对相邻管线定位区分能力更强。

附图说明

图1本发明提供的垂直磁场解析信号探测装置结构图；

图2本发明提供的垂直磁场解析信号地下铁质管线探测与精确定位工作示意图；

图3单管道垂直磁场解析信号探测定位实例模拟图；

图4两条交叉管道垂直磁场解析信号探测定位实例模拟图。

其中，1-微型高精度单轴磁场传感器，2-圆形电路板，3-铁质管线，4-管线埋设物(土壤水泥等)，5-探测装置阵列，6-上位机，7-探测路径。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合模拟结果，对本发明具体实施方式做进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1、2所示，四个磁场测量精度为1nT的微型高精度单轴磁场传感器1呈上下左右四个方向安装在圆形电路板2同一侧，上下两个传感器磁场测量方向相反，左右两个传感器磁场测量方向相反。

四个微型高精度单轴磁场传感器1的磁场检测点位于同一平面上，左右磁场检测点连线垂直于上下磁场检测点连线；上端和左端传感器磁场检测方向垂直向下，下端和右端传感器检测方向垂直向上；上下两个磁场检测点距离和左右两个磁场检测点之间的距离均为10mm。

圆形电路板2另一侧焊接数据采集芯片，数据采集芯片的电路组件包括单片机、电源接口和数据传输总线接口。

微型高精度单轴磁场传感器1、圆形电路板2及其电路组件组成一个检测单元，将9个检测单元每隔20cm安装在直条状探测器支架上组成探测装置阵列5，探测阵列所探测信号经下位机嵌入式系统计算所得解析信号，通过数据总线传输检测数据到上位机6。

如图2所示，地下铁质管线3埋设在管线埋设物(土壤水泥等) 4中，在被探测区地面随机选取2条垂直的横穿探测区域的直线路径，使用探测装置阵列5垂直于探测路径探测并绘制该路径上的垂直磁场解析信号分布曲面，如果曲面存在明显的脊背特征，则可初步判断地下存在铁质管线3，并初步判断管线为单直管线、多条平行管线，或者是多条交叉管线；如果曲面不存在明显的脊背特征，则地下可能不存在铁质管线3，或者是铁质管线太细（直径小于25mm）且埋深太深（顶部埋深大于5m）。

对于单直管线，以垂直管线走向方向每隔2m划定一条长15m至20m探测路径7，探测路径中点大致位于垂直磁场解析信号曲面脊背及其延长线上；对于多条平行管线，以垂直于平行管线的中间平行线方向每隔2m划定一条长15m探测路径7，探测路径7中点大致位于中间平行线上；对于多条交叉管线，以垂直磁场解析信号曲面极值点为中心划定一个长宽为20m左右的区间作为探测区间。

沿着划定的探测路径7，保持同一水平高度匀速移动探测装置阵列5，边探测边实时绘制垂直磁场解析信号曲面，以曲面脊背中心线对应的地面位置作为管线的水平分布定位位置。如图3所示为单根管道垂直磁场解析信号探测数据分布模拟曲面，图4所示为两条交叉管道垂直磁场解析信号探测数据分布模拟曲面，曲面下方直线为曲面脊背中心线确定的管道水平位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。