本实用新型属于工程物探技术领域，具体涉及一种基于时域电磁法的金属管线探测系统。
背景技术：
地下管线是城市重要的基础设施和“生命线”，城市的发展建设与管理对地下管线的探测需求日益凸显；城市地下管线种类繁多，数量庞大、材质多样，敷设技术不一，经常要穿越地面构筑物、公路、铁路及河道等，经过的地貌、地形、土质等复杂多变，特别是对于深埋管线，多采用非开挖敷设技术，埋深及变化范围大，通常管顶埋深大于3米，局部埋深达到十米甚至几十米，管线距离长、轨迹不确定性大，这就对地下管线的探测技术提高了更高的要求。
物探方法具有经济、高效、无损的特点，在管线探测方面发挥了重要的作用。目前最常采用的物探方法为频率域电磁法，即管线仪法，对埋深3米以内的金属管线定位精度较好，效率较高，但有效深度较浅，不适于深埋管线的探查，同时抗干扰能力弱，易受周围人文电磁干扰特别是工频干扰影响；近年来时间域电磁法(或称瞬变电磁法)在地下管线、不良地质体、地下障碍物等精细探测方面受到重视而发展成为热点，对于地下管线探查，具有探测深度大、水平定位效果较好、效率高、成本低的优点，由于常规方式采用多匝小线圈进行非接触式场源激发和接收，测量信号中早期信号受一次场干扰严重失真而只能利用晚期二次场信号，同时存在管线深度定位不准，受旁侧金属干扰严重，且只适于断面测量而难以进行管线追踪，这些因素制约了时间域电磁法在管线精确探测方面的应用。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题在于：频率域电磁法探测深度较浅，难以对深埋金属管线进行有效探查，抗干扰能力弱，测量信号受周围电磁干扰特别是工频干扰影响；常规时域电磁法探测中采用非接触式场源激发，常引起早期信号失真不能利用，应用该方法在探测地下金属管线时易受旁侧金属干扰及周围人文电磁干扰的影响，同时探测精度偏低尤其不能准确定深，对于深埋管线更为突出，并且难以对待测目标管线进行连续追踪。
本实用新型采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于时域电磁法的金属管线探测系统，其具有近端连接点和远端连接点，该系统包括发送机、发送连接线、测量机以及接收装置，该系统具有矩形探测区，所述矩形探测区的短边与目标管线的大致走向垂直，长边与目标管线的大致走向平行；所述近端连接点位于目标管线的一处出露点，该出露点与矩形探测区的一个顶点相对应；所述远端连接点位于矩形探测区与近端连接点相邻的顶点；所述发送连接线布设在矩形探测区的边上，发送连接线包括近端连接线和远端连接线，所述近端连接线两端分别与发送机、近端连接点连接，所述远端连接线的两端分别与发送机、远端连接点连接；所述测量机与接收装置通过安装架连接固定，；所述测量机与发送机采用时间同步方式置参；所述发送机内部设置有与发送模块相连的阻抗匹配模块，且向外输出双极性周期脉冲激励电流。
阻抗匹配模块与外部发送回路连接，其设置目的在于保护电路，实现发送回路阻抗的自适应调节，使得激励场源更为稳定。
优选地，本实用新型所述的一种基于时域电磁法的金属管线探测系统，所述远端连接点位于目标管线的另一处出露点，远端连接线、近端连接线及目标管线待测区段围合成矩形，且其长边L、短边W与目标管线疑似埋深d′之间满足L≥6d′、W≥3d′。
优选地，本实用新型所述的一种基于时域电磁法的金属管线探测系统，所述近端连接线与远端连接线呈垂直于目标管线大致走向的直线状布设，所述远端连接点位于远端连接线远离发送机的端点处，远端连接线通过接地钎接入大地，近端连接点与远端连接点的连线构成矩形探测区域的短边W，并与目标管线疑似埋深d′之间满足W≥3d′。
通过将目标管线接入发送回路，形成规模较大的电流回路，且激励电流直接施加到待测金属管线上，进行电性源激励及时域测量，由接收装置及测量机同步接收并处理信号，该信号含有激励电流关断引起产生的一次场信号和二次场信号，其中一次场信号占优且与待测目标管线直接相关，有效信号响应强，测量精度更高，另外近端、远端连接点及发送连接线的设置必须满足一定的条件，以减弱甚至避免发送连接线通断电过程所产生的电磁干扰。
优选地，本实用新型所述的一种基于时域电磁法的金属管线探测系统，所述双极性周期脉冲激励电流的频率ftx与50Hz或60Hz工频fpf的数学关系式为ftx＝2nfpf,(n＝1,2,3...)或
所述双极性周期脉冲激励电流的波形为方波、梯形波或三角波。
优选地，本实用新型所述的一种基于时域电磁法的金属管线探测系统，所述双极性周期脉冲激励电流的占空比为0.25-0.75；进一步优选为0.5。
优选地，本实用新型所述的一种基于时域电磁法的金属管线探测系统，所述双极性方波脉冲激励电流后沿关断时间为纳秒级，双极性梯形波脉冲激励电流后沿关断时间为微秒级，双极性三角波脉冲激励电流后沿关断时间为微秒级或毫秒级。
双极性周期性方波或梯形波均为瞬时关断，具有极强的激励能力，适用于长距离及大埋深金属管线的探测，并且在数据处理时可进行相位叠加，以便滤除各种干扰尤其是工频干扰和随机干扰，提高探测深度和准确度。
优选地，本实用新型所述的一种基于时域电磁法的金属管线探测系统，所述接收装置内置有上端水平分量磁场传感器和下端水平分量磁场传感器，且上端水平分量磁场传感器和下端水平分量磁场传感器的技术参数、性能指标及安装方位均相同。
优选地，本实用新型所述的一种基于时域电磁法的金属管线探测系统，所述上端水平分量磁场传感器与下端水平分量磁场传感器之间设有垂直分量磁场传感器，以辅助待测管线快速准确水平定位。
优选地，本实用新型所述的一种基于时域电磁法的金属管线探测系统，所述上端水平分量磁场传感器、下端水平分量磁场传感器及垂直分量磁场传感器均为空芯线圈或磁敏传感器。
此外，所述测量机的壳体、接收装置的壳体及安装架均使用非磁性绝缘材料，且安装架顶端中部亦可作为把手使用；
上述一种基于时域电磁法的金属管线探测系统的应用方法方法，包括以下步骤：
(1)将发送机布设在探测区外围，通过近端连接线连接发送机与近端连接点，通过远端连接线连接发送机与远端连接点，并设定垂直且覆盖目标管线大致走向的多条断面测线；
(2)将发送机与测量机进行对时和置参，主要参数包括脉冲电流波形、脉冲频率、发送周期及输出功率；
(3)整体移动接收装置与测量机，使其贴近地面依次沿各断面测线移动进行测量；测量时，上端水平分量磁场传感器与下端水平分量磁场传感器敏感方向与目标管线大致走向垂直；
(4)管线的水平定位与定深，根据测量信号分析得出目标金属管线的中心水平位置，并进一步计算得出目标管线精确的中心埋深。
据此实现对待测目标管线的精确定位、定向及连续追踪。
所述断面测线跨越目标管线两侧，其长度W'与目标管线疑似埋深d′之间满足W′≥d′，且与矩形探测区短边W之间满足W′≤W/3，断面测线距近端连接点和远端连接点的最小水平距离L'与目标管线疑似埋深d′之间满足L′≥2d′。
所述测量机测量并记录脉冲电流起关至间隙期内的时域响应信号，其中重点记录电流关断过程中产生的一次场信号。
步骤(4)所述目标金属管线水平定位及定深的方法为：对于某一断面测线，相同延迟时刻上端水平分量磁场传感器、下端水平分量磁场传感器的测量信号的峰值或垂直分量磁场传感器测量信号的谷值对应目标金属管线中心的水平分布位置，再由上端水平分量磁场传感器、下端水平分量磁场传感器相同延迟时刻的峰值计算得到目标管线的精确埋深d，计算公式为
其中，Mc1、Mc2分别为上端、下端水平分量磁场传感器在相同延迟时刻测得的峰值信号，当采用空芯线圈时，M表示电压，采用磁敏传感器时，M表示磁感应强度，ro为空心线圈半径或下端的磁敏传感器与地面的间距，l为上端水平分量磁场传感器与下端水平分量磁场传感器的中心间距。
本实用新型技术方案进行金属管线定位测量的原理及过程如下：
根据毕奥-萨伐尔定律，对于无限长载流长直导线，在其周围空间任一点处的磁感应强度为B＝μoI/2πr，式中r为空间某点到载流长直导线的垂距，μo为真空磁导率，I为通电电流；向待测金属管线供电时其可近似看作一根通电直导线，由于B∝1/r，当I一定时，根据本实用新型技术方案在地面进行断面定位测量时，相同延迟时刻t0，r最小位置处对应的B最强，即管线中心对应的地面位置点(记为x0)处的B最强，保持水平分量磁场传感器敏感方向与目标管线大致走向垂直，就可以认为t0时刻测得的B值为最大值，因而对于某一断面测线根据相同延迟时刻水平分量磁场传感器测量信号的峰值就可确定待测管线中心的水平分布位置。
本实用新型技术有益效果：
本实用新型技术方案中使用发送连接线将待测目标管线直接接入发送回路，形成一个规模较大的电流回路，且激励电流直接施加到待测金属管线上，采用时域电磁法进行电性源激励及测量，由接收装置及测量机同步接收并处理信号，该信号含有激励电流关断引起产生的一次场信号和二次场信号，其中一次场信号占优，且使得一次场信号与目标管线直接相关，由此可利用一次场信号进行定位分析和计算，有效信号响应强，测量精度更高；
由于电流一般沿阻抗最小路径传导，保证激励场源最大限度地施加在目标管线上，可获取更强的响应信号，并能够降低旁侧金属干扰；
接收装置中采用两个水平分量磁场传感器，更适于检测弱场信号，保证了敏感方向与目标管线的最佳耦合状态，直接获取更强的响应信号更利于管线的水平位置及埋深的精准定位；
发送机内置阻抗匹配模块，实现发送回路阻抗的自适应调节，稳定地输出激励场源，同时起到对电路的保护作用，灵活性和适用性大大增强；
采用双极性周期脉冲激励电流进行场源激励，可以进行正负极性激励，观测由激励电流关断引起的时域响应信号，信息更为丰富；由于主要观测电流后沿起关至脉冲间歇期内的响应信号尤其是一次场信号，信号响应更强更稳定，直接反应了目标管线的空间分布；通过计算推导得出激励脉冲电流的频率与工频的关系，通过相位叠加进行数字信号的处理，能够有效压制工频、随机干扰以及直流偏置的影响，极大地提高信噪比；另外，采用方波或梯形波脉冲，快速关断关断，激励能力更强，更适于长距离金属管线的探测；
本技术方案的测量方法明确规定了系统的布设方式与定位测量方式，给出发送连接线的布设要求与断面测线要求，提高测量结果的可信度和精准性；
采用时域电磁法不仅能够对金属管线快速精确定位、定向，还能够对管线进行连续追踪，极大地提高了效率，节约了人力及经济成本，突破了常规物探方法，特别是传统时域电磁法在管线探测中的瓶颈，具有技术革新的意义。
附图说明
图1为本实用新型实施例所述的一种基于时域电磁法的金属管线探测系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例所述的接收装置的另一种结构示意图；
图3为本实用新型实施例所述的一种基于时域电磁法的金属管线系统第一种探测方法示意图；
图4为本实用新型实施例所述的一种基于时域电磁法的金属管线探测系统第二种探测方法示意图。
图中：1-发送机，2-发送连接线，21-近端发送连接线，22-远端发送连接线，31-近端连接点，32-远端连接点，4-接地钎，5-测量机，6-接收装置，61-上端水平分量磁场传感器，62-下端水平分量磁场传感器，63-垂直分量磁场传感器，7-安装架，8-断面测线。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本实用新型技术方案，现结合说明书附图对本实用新型技术方案做进一步的说明。
参阅图1，本实用新型实施例提供了一种基于时域电磁法的金属管线探测系统，该探测系统具有两个连接点，分别为近端连接点31和远端连接点32；探测系统包括发送机1、发送连接线2、测量机5及接收装置6，发送机1通过发送连接线2分别与两个连接点连接，其中近端连接点31位于目标管线靠近发送机1的一处出露点处，远端连接点32位于矩形探测区与近端连接点31相邻的顶点；以此方式将目标管线待测区段接入发送回路，并通过接收装置6与测量机5的配套使用，观测激励脉冲电流起关至脉冲间隙期内的时域响应信号，特别是记录电流关断过程产生的一次场信号，直接利用一次场信号进行处理分析；测量过程中，发送机1与测量机5独立工作，但探测前，测量机5与发送机1之间需要进行对时和同步置参，对时与同步置参的方式有多种，例如利用串口通讯线、USB、WIFI、蓝牙等。
实际探测时，发送机1布设在探测区域外围，探测区域为一矩形区域，发送连接线2包括近端发送连接线21和远端发送连接线22，近端发送连接线21的一端与发送机1连接、另一端通过耦合夹与近端连接点31连接，远端发送连接线22的两端分别连接发送机1、远端连接点32连接；所述接收装置6通过安装架7连接有测量机5，并与测量机5间隔一定距离，实际测量时，安装架7顶端中部还可作为把手使用。
如图1所示，所示接收装置6的一种结构为：接收装置6内置有上端水平分量磁场传感器61和下端水平分量磁场传感器62，且上端水平分量磁场传感器61和下端水平分量磁场传感器62的技术参数、性能指标及安装方位均相同。通过两个水平分量磁场传感器的联合工作，有利于提高对弱场信号的检测精度。
如图2所示，为快速对目标管线进行水平定位，所示接收装置6的另一种结构为：本实施例中的上端水平分量磁场传感器61和下端水平分量磁场传感器62之间增设有垂直分量磁场传感器63，通过垂直分量磁场传感器63测得信号来辅助待测管线快速准确水平定位，上端水平分量磁场传感器61、垂直分量磁场传感器63及下端水平分量磁场传感器62均采用空芯线圈测量磁场变化时产生的电压信号ε(t)，或采用磁敏传感器测量磁感应信号强度B(t)。
发送机1用以输出双极性周期脉冲激励电流，该双极性周期脉冲激励电流的波形为方波、梯形波或三角波，其占空比为0.25-0.75，优选为0.5，双极性方波脉冲激励电流后沿关断时间为纳秒级，双极性梯形波脉冲激励电流后沿关断时间为微秒级，双极性三角波脉冲激励电流后沿关断时间为微秒级或毫秒级，激励电流关断都是瞬时的，具有极强的激励能力，适用于长距离及大埋深金属管线的探测；双极性周期脉冲激励电流的频率ftx与工频fpf(50Hz/60Hz)的关系为ftx＝2nfpf,(n＝1,2,3...)或其在对数字信号进行处理时采用相位叠加来实现对工频干扰、随机干扰和直流偏置等不良影响的有效压制。
此外，发送机1内还设置有发送模块，所述发送模块连接有阻抗匹配模块，所述阻抗匹配模块与发送连接线2连接，阻抗匹配模块用于发送回路阻抗的自适应调节，起到稳定输出并保护电路的作用。
基于上述的时域电磁法的金属管线探测系统，本实施例有两种探测方法，其中第一种探测方法包括以下步骤：
(1)布设发送机1，并通过近端连接线21连接发送机1与近端连接点31，通过远端连接线22连接发送机1与远端连接点32，并设定多条垂直且覆盖目标管线大致走向的断面测线8；其中近端连接点31位于目标管线靠近发送机1的出露点，远端连接点32位于目标管线远离发送机1的另一处出露点，近端连接线21与近端连接点31间、远端连接线22与远端连接点32间均通过耦合夹3连接，近端连接线21与远端连接线22及目标管线待测区段围合成矩形，其中，长边L与目标管线大致走向平行、短边W与目标管线大致走向垂直，且长边L、短边W与目标管线疑似d′之间满足L≥6d′、W≥3d′，以降低发送连接线2通断电过程中对测量产生的电磁干扰；所述断面测线跨越目标管线两侧，其长度W'与目标管线疑似埋深d′之间满足W′≥d′，且与矩形探测区短边W之间满足W′≤W/3，断面测线距近端连接点、远端连接点的最小水平距离L'与目标管线疑似埋深d′之间满足L′≥2d′；
(2)发送机1与测量机5进行对时和同步置参，主要参数包括脉冲电流波形、脉冲频率、发送周期及输出功率；当目标管线的埋深相对较大时，优先选用方波脉冲以降低脉冲频率、增加发送周期、增大输出功率；
(3)整体移动接收装置6与测量机5，使其贴近地面依次沿断面测线8移动进行测量，测量时，上端水平分量磁场传感器61与下端水平分量磁场传感器62的敏感方向与目标管线大致走向垂直。
(4)管线的水平定位与定深，根据测量信号分析得出目标金属管线的中心水平位置，并进一步计算得出目标管线精确的中心埋深。
在进行测量时，系统通过发送回路进行场源激励，用测量机5及接收装置6同步进行观测记录及处理。对于某一断面测线，根据相同延迟时刻to水平分量磁场传感器测得的信号的峰值或垂直分量磁场传感器测得的信号的谷值来确定对应的管线中心点的水平分布位置(记为xo)，即，若采用空芯线圈作为磁场传感器，则有
ε(x,to)max＝ε(xo,to)
利用相同延迟时刻to上端水平分量磁场传感器、下端水平分量传感器的峰值，通过算式
式中，εq1、εq2分别为上端、下端水平分量磁场传感器在相同延迟时刻测得的感应电压峰值信号，ro为空心线圈半径，l为上端与下端水平分量磁场传感器的中心间距。
由测量机5自动计算给出管线的中心埋深；
若采用磁敏传感器测量信号，则有
B(x,to)max＝B(xo,to)
利用相同延迟时刻to上端水平分量磁场传感器、下端水平分量传感器的峰值，通过算式
式中，Bc1、Bc2分别为上端、下端水平分量磁场传感器在相同延迟时刻测得的磁感应强度峰值信号，ro为下端的磁敏传感器与地面的间距，l为上端与下端水平分量磁场传感器的中心间距。
由测量机5自动计算给出管线的中心埋深；并以此实现对目标管线的精确定位、定向及连续追踪。
本实施例的第二种探测方法与第一种探测方法的区别在于，近端连接线21与远端连接线22呈垂直于目标管线大致走向的直线状布设，所述远端连接点32即位于远端连接线22远离发送机1的端点处，远端连接线22通过接地钎4接入大地，所述远端连接点32与目标管线的垂距W与目标管线疑似埋深d′之间满足W≥3d′；其他工作内容与第一种探测方法均相同，此处不再赘述。
本实用新型实施例技术方案进行金属管线定位测量的原理及过程如下：
根据毕奥-萨伐尔定律，对于无限长载流长直导线，在其周围空间任一点处的磁感应强度为B＝μoI/2πr，式中r为空间某点到载流长直导线的垂距，μo为真空磁导率，I为通电电流；金属管线可近似看作一根通电直导线，由于B∝1/r，当I一定时，根据本实用新型技术方案在地面进行断面定位测量时，相同延迟时刻t0，r最小位置处对应的B最强，即管线中心对应的地面位置点(记为x0)处的B最强，保持磁场传感器敏感方向与目标管线走向垂直，就可以认为t0时刻测得的B值为最大值，因而根据相同延迟时刻水平分量磁场传感器测得信号的峰值来确定管线中心的水平位置。
接收装置6中的上端水平分量磁场传感器61与下端水平分量磁场传感器62的中心间距为l，空芯线圈的半径或磁敏传感器距地面的距离为r0，管线中心埋深为d，介质磁导率μ＝μrμo(μr为相对磁导率)，当接收装置6贴近目标管线中心正上方的地面时，在脉冲激励电流i(t)后沿关断的延迟时刻t0，采用磁敏传感器时，上端水平分量磁场传感器61测得信号记为Bc1、下端水平分量磁场传感器62测得信号记为Bc2，则有
联立两式即可求得目标管线中心埋深
采用空芯线圈时，上端水平分量磁场传感器61测得信号记为εq1、下端水平分量磁场传感器62测得信号记为εq2，则有
式中，Φ为磁通量，S为线圈面积，四式联立即可求得目标管线的中心埋深据此实现对目标管线的精确定位、定向及连续追踪。
本实用新型技术方案在上面结合附图对实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。