一种塔基下采空区电磁检测方法与流程
本发明涉及一种采空区电磁检测方法，特别涉及一种用于电力巡检领域的电力杆塔塔基下采空区的电磁检测方法。
背景技术：
随着国家电网的发展，输电线路铺设的范围越来越大，不可避免的穿越一些矿藏、矿产区。地下矿藏、矿产的开采，会在原矿区域形成采空区。国家计划内开采形成的采空区在后期会进行回填等操作，使其不会对地面上的地形地貌形成影响。而一些非法私自开采形成的采空区则不会采取回填措施，极易引起地面塌陷、移位，对地面上的电力设施形成冲击，使电力杆塔倾斜、折断，影响电网的安全运行，造成巨大的经济损失。因而，开展相应的塔基下采空区检测技术研究意义重大。
目前现有的采空区检测方法主要有：电阻率法、瞬变电磁法、可控源大地电磁法、地震法、地质雷达法、放射性元素法等。在这些方法中，放射性元素法是一种钻探方法，成本很高，不适合塔基下巡检的采空区检测使用。地质雷达法探测深度较浅，一般不超过60m，且在高电磁干扰的电力杆塔下存在电磁探测盲区。地震法高振源检测成本高，也极易引发地面塌陷，低震源检测分辨率低，也不适合塔基下采空区检测。可控源大地电磁法存在静态效应和近场效应，需远区测量。瞬变电磁法存在浅层探测盲区。电阻率法检测效率低，且对地形条件要求比较高，探测深度相对较浅。综上所述，以上方法大多应用于野外平坦广阔区域，是采空区检测常用的方法，单将这些方法应用在输电线路下的采空区检测还存在一些问题。
输电线路中存在着高压电力杆塔，高压电力杆塔采用的材料多是铁磁性材料，在采空区检测中，电力杆塔会影响检测采空区时激励的电磁场分布，进而使采集的检测数据出现误差，影响最终的采空区检测结果。这个影响是目前输电线路下采空区检测方法中并未考虑的问题，也鲜有文献对此问题进行过分析。如何克服铁磁性电力杆塔对塔基下采空区检测的影响是目前研究的一个难点。
塔基下采空区对塔基的影响遵循一定规律，如距离电力杆塔越近的采空区对塔基影响越大，距离电力杆塔越远的采空区影响越小。塔基正向方一个很小的采空区造成地面轻微的下陷也极可能造成杆塔倾斜，引发电力事故；距离电力杆塔较远的地下大采空区引起的沉降波及不到塔基也不会对电力输送造成影响。因此，在塔基下采空区检测中，对电力杆塔距离较近的区域检测需要较为精细，较远区域检测则可以相对粗糙一些。目前现有采空区检测手段在传感器布置时大多采用统一极距，条状或方形排列，其检测布置方式造成检测数据量大，效率较低，不适合电力巡检使用。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有方法的上述缺点，提出一种塔基下采空区电磁检测方法。本发明可以满足电力巡检领域塔基下采空区检测的要求。
本发明塔基下采空区电磁检测方法是利用金属材质电力杆塔自身的导电特性，将金属材质电力杆塔作为传感器，把激励的编码信号注入到大地中。通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器检测地面上的电场分布变化，并将所述的地面的电场分布变化与激励的编码信号进行相关算法处理，根据采空区对电场分布的影响，反演计算采空区在地下的位置、范围大小及其赋水情况。本发明利用激励信号自相关特性，以及工频干扰和随机电磁干扰与激励信号互相关特性，实现对大地电阻率信息的提取和干扰压制。
本发明方法使用的激励信号为特定的相关性良好的编码信号，编码信号的自相关函数是一个冲激函数，互相关函数与自相关函数的最大值相比是一个极小值，可认为是0。为了减小电力杆塔对激励信号的影响，所用激励编码信号的频率选择较低的频率，一般在50hz以下。
所述检测传感器以激励的电力杆塔为中心，在其四周的地面上呈放射状分布。与电力杆塔距离相等的检测传感器均匀分布在以电力杆塔为圆心的圆周方向上。圆周方向上传感器之间的距离随着与电力杆塔距离的增加而增大。
所述检测传感器检测由激励编码信号引起的地面电场分布变化，地面电场分布变化随激励信号的改变而呈现出编码规律。同时由于外界电力环境的干扰，检测的地面电场分布变化中含有工频干扰和杂散随机的电磁干扰。将检测的地面电场分布变化与激励的编码信号进行相关算法处理。激励信号有良好自相关特性，工频干扰和随机电磁干扰与激励信号的互相关特性接近于0，本发明利用激励信号自相关特性，以及工频干扰和随机电磁干扰与激励信号互相关特性，实现对激励信号自相关函数及大地电阻率信息的提取和干扰压制，提高检测信噪比，有利于后期数据处理与图像重建。
本发明所述塔基下采空区电磁检测方法在采空区反演重建时，依据检测传感器放射状排布情况，利用放射线上检测传感器检测的数据首先进行放射断面重建，再根据检测传感器的排布顺序和距离、角度等参数对各个重建断面进行三维插值拟合，最终形成三维塔基下地下介质分布图像。
本发明所述方法的具体实施步骤如下：
1)首先将激励系统与金属材质电力杆塔相连，检测传感器以电力杆塔为中心，呈放射状布置在电力杆塔四周的地面，与电力杆塔距离相等的检测传感器均匀分布在以电力杆塔为圆心的圆周方向上，检测传感器数量为n，n为正整数，对检测传感器编号，记录检测传感器的编号a，位置s及系统响应函数r(t)，t为激励时间，同时记录检测传感器与电力杆塔之间的距离l，以及以电力杆塔为中心的圆周角度θ，设m，n分别为与电力杆塔距离不等且圆周角度相同的检测传感器的编号，m＝1,2…n，n＝1,2…n，m≠n，根据检测传感器位置和距离信息计算得到与反演计算相关的装置系数kmn，如下式所示：
式中，lm为编号m的检测传感器与电力杆塔之间的距离，ln为编号n的检测传感器与电力杆塔之间的距离，kmn为编号m的检测传感器和编号n的检测传感器之间的装置系数；
2)将激励的编码信号x(t)施加到与大地相连的电力杆塔上，t为激励时间，由电力杆塔注入到大地中，在激励时同时对编码信号进行全波形采集；
3)在激励开通的同时，通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器同步检测地面上的电场分布变化y(t)，进行全波形记录，记录的数据中含有大地系统函数e(t)与检测传感器系统响应函数r(t)，如下式所示：
y(t)＝x(t)*e(t)*r(t)+ns(t)
式中，ns(t)为外界电力环境中的噪声干扰，t为激励时间；
4)将记录的电场分布变化y(t)与采集的编码信号x(t)进行相关算法计算，依据信号的相关性得到包含编码信号的自相关函数、大地系统函数e(t)与检测传感器系统响应函数r(t)的卷积结果，滤除外界电磁干扰；
式中，★为相关运算符号，y(t)为电场分布变化，x(t)为编码信号，e(t)为大地系统函数，r(t)为检测传感器系统响应函数，
5)将卷积结果利用时频变换转换到频率域，与频率域的编码信号自相关函数
式中，ω为角频率坐标，ρe(ω)为频率域的大地视电阻率函数，kmn为编号m的检测传感器和编号n的检测传感器之间的装置系数，
6)利用检测传感器位置和距离信息，将大地视电阻率函数采用最小二乘算法进行迭代反演计算，最终得到大地的地下二维断面结果；
7)利用检测传感器的距离以及圆周角度信息，对二维断面结果进行插值三维拟合，插值结果赋在两个断面之间圆周方向的中点坐标上，最终得到以电力杆塔为底面中心，以最远检测传感器为半径的三维倒圆锥地下结构图像，插值计算方法如下式所示：
式中，h表示地下深度；l表示检测传感器到电力杆塔的水平距离；k表示圆周角度为θk的二维断面上一点，该点的坐标为(l,h,θk)，电阻率为ρk；l表示圆周角度为θl的二维断面上一点，该点的坐标为(l,h,θl)，电阻率为ρl，ρ为插值结果，
8)利用地下结构图像查找采空区信息，依据电阻率分布对采空区的位置、范围大小及其赋水情况进行评估，当地下结构图像中出现明显异于周围地层的电阻异常体时，根据异常体的位置和范围信息判断采空区的位置和大小，当电阻异常体的电阻率值高于周围地层时为空洞，当电阻异常体的电阻率值低于周围地层时为采空区赋水。
本发明所述方法激励直接施加到电力杆塔上，频率较低，可以避免电力杆塔铁磁材料的影响；激励信号采用编码信号，利用相关算法去除外界电力环境干扰，提高检测信号的信噪比。同时检测传感器在距离电力杆塔较近区域分布较为密集，在较远区域分布稀疏，可以满足塔基下采空区检测的实用化检测需求，有效降低检测的数据量，提高检测和图像重建的效率。
附图说明
图1本发明塔基下采空区电磁检测方法的原理图；
图2本发明所述方法的检测传感器布置图；
图3本发明所述方法的相关算法原理图。
具体实施方式
本发明提出的塔基下采空区电磁检测方法，可以克服现有方法的缺点，满足电力巡检领域塔基下采空区检测的要求。
如图1所示，本发明塔基下采空区电磁检测方法的原理是：利用金属材质电力杆塔本身的导电特性，将金属材质电力杆塔作为传感器，把激励的编码信号注入到大地中。通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器检测地面上的电场分布变化，并将所述的地面的电场分布变化与激励的编码信号进行相关算法处理，根据采空区对电场分布的影响，反演计算采空区在地下的位置、范围大小及其赋水情况。本发明利用激励信号自相关特性，以及工频干扰和随机电磁干扰与激励信号互相关特性，实现对大地电阻率信息的提取和干扰压制。
本发明方法使用的激励信号为特定的相关性良好的编码信号，编码信号的自相关函数是一个冲激函数，互相关函数与自相关函数的最大值相比是一个极小值，可认为是0。为了减小电力杆塔对激励信号的影响，所用激励编码信号的频率选择较低的频率，一般在50hz以下。
如图2所示，所述检测传感器以激励的电力杆塔为中心布置，呈放射状分布在电力杆塔四周的地面上。与电力杆塔距离相等的检测传感器均匀分布在以电力杆塔为圆心的圆周方向。圆周方向上传感器之间的距离随着与电力杆塔距离的增加而增大。
所述检测传感器检测由激励编码信号引起的地面电场分布变化，其变化随激励信号的改变而呈现出编码规律。同时由于外界电力环境的干扰，检测的电场分布变化中含有工频干扰和杂散随机的电磁干扰。如图3所示，将检测的电场分布变化与激励的编码信号进行相关算法处理。激励信号有良好的自相关特性，工频干扰和随机电磁干扰与激励信号的互相关特性接近于0，本发明利用激励信号自相关特性，工频干扰和随机电磁干扰与激励信号的互相关特性，实现对激励信号自相关函数以及大地电阻率信息的提取和干扰压制，提高检测信噪比，有利于后期数据处理与图像重建。
本发明所述塔基下采空区电磁检测方法在采空区反演重建时，依据检测传感器放射状排布情况，利用放射线上检测传感器检测的数据首先进行放射断面重建，再根据检测传感器的排布顺序和距离、角度等参数对各个重建断面进行三维插值拟合，最终形成三维塔基下地下介质分布图像。
1)首先将激励系统与金属材质电力杆塔相连，检测传感器以电力杆塔为中心，呈放射状布置在电力杆塔四周的地面，与电力杆塔距离相等的检测传感器均匀分布在以电力杆塔为圆心的圆周方向上，检测传感器数量为n，n为正整数，对检测传感器编号，记录检测传感器的编号a，位置s及系统响应函数r(t)，t为激励时间，同时记录检测传感器与电力杆塔之间的距离l，以及以电力杆塔为中心的圆周角度θ，设m，n分别为与电力杆塔距离不等且圆周角度相同的检测传感器的编号，m＝1,2…n，n＝1,2…n，m≠n，根据检测传感器位置和距离信息计算得到与反演计算相关的装置系数kmn，如下式所示：
式中，lm为编号m的检测传感器与电力杆塔之间的距离，ln为编号n的检测传感器与电力杆塔之间的距离，kmn为编号m的检测传感器和编号n的检测传感器之间的装置系数；
2)将激励的编码信号x(t)施加到与大地相连的电力杆塔上，t为激励时间，由电力杆塔注入到大地中，在激励时同时对编码信号进行全波形采集；
3)在激励开通的同时，通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器同步检测地面上的电场分布变化y(t)，进行全波形记录，记录的数据中含有大地系统函数e(t)与检测传感器系统响应函数r(t)，如下式所示：
y(t)＝x(t)*e(t)*r(t)+ns(t)
式中，ns(t)为外界电力环境中的噪声干扰，t为激励时间；
4)将记录的电场分布变化y(t)与采集的编码信号x(t)进行相关算法计算，依据信号的相关性得到包含编码信号的自相关函数、大地系统函数e(t)与检测传感器系统响应函数r(t)的卷积结果，滤除外界电磁干扰；
式中，★为相关运算符号，y(t)为电场分布变化，x(t)为编码信号，e(t)为大地系统函数，r(t)为检测传感器系统响应函数，
5)将卷积结果利用时频变换转换到频率域，与频率域的编码信号自相关函数
式中，ω为角频率坐标，ρe(ω)为频率域的大地视电阻率函数，kmn为编号m的检测传感器和编号n的检测传感器之间的装置系数，
6)利用检测传感器位置和距离信息，将大地视电阻率函数采用最小二乘算法进行迭代反演计算，最终得到大地的地下二维断面结果；
7)利用检测传感器的距离以及圆周角度信息，对二维断面结果进行插值三维拟合，插值结果赋在两个断面之间圆周方向的中点坐标上，最终得到以电力杆塔为底面中心，以最远检测传感器为半径的三维倒圆锥地下结构图像，插值计算方法如下式所示：
式中，h表示地下深度；l表示检测传感器到电力杆塔的水平距离；k表示圆周角度为θk的二维断面上一点，该点的坐标为(l,h,θk)，电阻率为ρk；l表示圆周角度为θl的二维断面上一点，该点的坐标为(l,h,θl)，电阻率为ρl，ρ为插值结果，
8)利用地下结构图像查找采空区信息，依据电阻率分布对采空区的位置、范围大小及其赋水情况进行评估，当地下结构图像中出现明显异于周围地层的电阻异常体时，根据异常体的位置和范围信息判断采空区的位置和大小，当电阻异常体的电阻率值高于周围地层时为空洞，当电阻异常体的电阻率值低于周围地层时为采空区赋水。
本发明所述方法激励直接施加到电力杆塔上，频率较低，可以避免电力杆塔铁磁材料的影响；激励信号采用编码信号，利用相关算法去除外界电力环境干扰，提高检测信号的信噪比。同时检测传感器在距离电力杆塔较近区域分布较为密集，在较远区域分布稀疏，可以满足塔基下采空区检测的实用化检测需求，有效降低检测的数据量，提高检测和图像重建的效率。
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